鉭粉物理性能對(duì)鉭棒燒結(jié)效果的影響

馬建政，解永旭，韓 鵬，崔新民

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

鉭金屬具有較高的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率以及電阻率，因此鉭被大量應(yīng)用于粉末冶金工業(yè)中?？梢灾苽潆娙萜骷?jí)鉭絲、電子元件用靶材、工業(yè)加熱爐用元器件等的原材料。而電容器級(jí)鉭絲的原材料-坯料，就是通過鉭粉經(jīng)冷等靜壓成型、垂熔燒結(jié)制得，在這個(gè)加工過程中，由于鉭粉顆粒的物理性質(zhì)差異，不但會(huì)影響到坯料的除雜過程，而且會(huì)影響到坯料燒結(jié)后密度、硬度等參數(shù)，進(jìn)而會(huì)影響到后續(xù)鉭絲的物理、化學(xué)、電學(xué)等各項(xiàng)性能[1]。

鉭棒真空垂熔燒結(jié)法是將成型壓制好的鉭棒坯條固定在真空垂熔爐的上下電極之間，使高電流直接流過坯料，由坯料本身電阻產(chǎn)生熱量，從而使鉭棒獲得較高的純度，并具有一定的物理、機(jī)械性能的致密金屬的方法。它和粉末成型工序有機(jī)結(jié)合起來，統(tǒng)稱粉末冶金法。而燒結(jié)后鉭棒的密度、表面光潔度及內(nèi)部晶粒的生長(zhǎng)情況對(duì)后續(xù)鉭棒加工成鉭絲的力學(xué)性能、電物理性能影響較大，通過對(duì)相同類型不同粒徑鉭粉成型后的鉭棒進(jìn)行燒結(jié)效果對(duì)比，探尋鉭粉性能對(duì)燒結(jié)效果的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用同一批次的冶金級(jí)鉭粉，經(jīng)過粗、細(xì)兩種不同篩目的篩分制粉處理，制備成兩種試驗(yàn)原料。表1是兩種鉭粉的化學(xué)雜質(zhì)分析對(duì)照表，表2是兩種鉭粉松裝密度、平均粒徑、篩分析對(duì)比。分別將試驗(yàn)原料裝入乳膠包套，經(jīng)冷等靜壓，制出粗細(xì)均勻、長(zhǎng)度一致、具有一定壓實(shí)密度的鉭坯料。將兩種鉭棒坯料裝入垂熔燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)后的鉭棒利用阿基米德方法測(cè)試其密度，并在鉭棒橫截面出取樣，分別取晶相和化學(xué)雜質(zhì)分析的樣品；采用德國(guó)進(jìn)口的Leica MM3型金相顯微鏡進(jìn)行微觀金相組織分析，并用Tecnai G2 20ST型透射電鏡（TEM）作微區(qū)化學(xué)雜質(zhì)分析。用以研究微區(qū)的化學(xué)成份、表面形貌和結(jié)構(gòu)特征等。

圖1 兩種鉭粉的形貌照片

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鉭粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)后鉭棒密度的影響

對(duì)兩種鉭粉燒結(jié)后鉭棒的密度進(jìn)行測(cè)試見圖2，可以看出：經(jīng)過細(xì)篩孔的鉭粉鉭棒燒結(jié)后的密度明顯比過粗篩孔的要高，這是因?yàn)轭w粒較細(xì)的鉭粉平均粒徑較小，見表2，在燒結(jié)過程中，原子與原子之間的接觸比大粒徑的鉭粉更容易，在同樣燒結(jié)條件下，原子與原子之間更容易結(jié)合。另外，鉭粉顆粒越大，原子之間的空隙越大，這種空隙一方面容易造成氣體雜質(zhì)的保留，另一方面不利于原子之間的結(jié)合。一旦這種空隙在燒結(jié)結(jié)束后沒有密閉，燒結(jié)坯料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)原子不規(guī)則排列，從而表現(xiàn)出密度偏低的情況。此外如果鉭粉顆粒小，再加之成型擠壓的原因使粉末之間產(chǎn)生的應(yīng)力也較大，因此坯條中處于比較高活性狀態(tài)的原子較多，粉末貯存的表面能就越高，就越易于燒結(jié)。但鉭粉過細(xì)也會(huì)帶來夾心、斷料等問題[2]。

表1 兩種鉭粉的化學(xué)雜質(zhì)分析（單位：ppm）

表2 兩種鉭粉松裝密度、平均粒徑、篩分析對(duì)比

圖2 兩種鉭粉燒結(jié)后鉭棒的密度

2.2 鉭粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)后鉭棒化學(xué)雜質(zhì)的影響

鉭粉過細(xì)篩孔比過粗篩孔粒徑更小，見圖1，這兩種鉭粉制得的鉭棒燒后表面差別很大，過細(xì)篩孔比過粗篩孔的鉭粉燒結(jié)后鉭棒表面更光潔，分析其中的化學(xué)雜質(zhì)含量，見表3。

表3 兩種鉭棒化雜成分對(duì)比（單位：ppm）

由于過細(xì)篩孔的鉭粉比過粗篩孔鉭粉顆粒細(xì)，鉭粉顆粒具有更大的比表面，因此其表面活性更強(qiáng)，所以在降氧、酸水洗等精細(xì)處理中更易吸氧，從表1可見細(xì)粒徑的鉭粉含氧量較粗粒徑鉭粉高，而其它雜質(zhì)含量區(qū)別不大。鉭棒經(jīng)過高溫真空垂熔燒結(jié)后對(duì)比兩種鉭棒的化學(xué)雜質(zhì)，由表3可見鉭棒含氧量含量已無太大差別，這是由于真空垂熔燒結(jié)溫度很高，接近鉭的熔點(diǎn)，鉭粉制粉過程中吸附的氧能以CO2及低價(jià)氧化物的形式揮發(fā)，只要燒結(jié)溫度、真空度及燒結(jié)時(shí)間等條件滿足，脫氧可連續(xù)進(jìn)行，就可使鉭棒中的氧含量降到很低的程度[2]。

2.3 鉭粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)后鉭棒微觀性能的影響

對(duì)上述方法燒結(jié)的鉭棒進(jìn)行晶相檢測(cè)分析（圖3），眾所周知，粉末冶金法制得的金屬坯料，其微觀組織表現(xiàn)在其晶粒大小上[3]，鉭棒燒結(jié)質(zhì)量的充分與否，其晶相結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的非常直觀，經(jīng)過細(xì)篩孔的鉭粉所制的鉭棒燒結(jié)后晶粒生長(zhǎng)得更充分，晶界更明顯，晶粒也較大。這是因?yàn)椋g粉顆粒越小，其表面活性越強(qiáng)[4]。在同樣條件下，原子之間的結(jié)合力越強(qiáng)，消除原子間的抗變形能力就越強(qiáng)，因此晶核形成更早，在同樣的保溫時(shí)間下，晶粒的長(zhǎng)大越快，而顆粒較大的鉭粉，在燒結(jié)時(shí)，一方面要排除顆粒間較大空隙造成的變形應(yīng)力，一方面除去空隙間雜質(zhì)形成的抑制晶粒長(zhǎng)大的應(yīng)力，所以其晶粒長(zhǎng)大緩慢，這也從微觀角度印證了細(xì)粒徑鉭粉壓制的鉭棒表面能更高，因此燒結(jié)效果更好。

圖3 燒結(jié)鉭棒的晶相分析

3 結(jié)論

（1）鉭粉的粒徑越細(xì)，顆粒之間的空隙就越小，顆粒結(jié)合得更緊密，坯料表面的顆粒具有較小的間距和峰谷，制得的鉭棒表面越光潔。

（2）鉭粉粒徑越細(xì)制得的鉭棒燒結(jié)密度就較高，因?yàn)楦?xì)的鉭粉顆粒，分散的比表面積就相對(duì)越大，壓坯時(shí)粉末之間產(chǎn)生的應(yīng)力也較大，坯條中處于比較高活性狀態(tài)的原子較多，粉末貯存的表面能就越高，因而就越易于燒結(jié)。但鉭粉過細(xì)也會(huì)帶來夾心、斷料等問題。

（3）鉭粉的粒徑越小，更容易吸氧，但這種氧都是以游離態(tài)單質(zhì)氧存在，在后續(xù)真空燒結(jié)過程中能有效除去。

（4）鉭粉粒徑大小也會(huì)影響到燒結(jié)時(shí)鉭棒內(nèi)部晶粒的生長(zhǎng)，鉭粉粒徑越細(xì)、鉭棒晶粒生長(zhǎng)得更充分，晶界更明顯，晶粒也較大。