楊松濤,李繼文,2,魏世忠,2,徐流杰,2,彭光輝

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471003）

（2.河南科技大學(xué)河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471003）

（3.洛陽高科鉬鎢材料有限公司,河南 洛陽 471000）

0 前言

鉬及鉬合金具有高溫強(qiáng)度、高溫硬度高,導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好,熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)越的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能,被廣泛用于冶金、機(jī)械、能源、化工、國防、航天航空、電子等各個領(lǐng)域[1]。鉬及鉬合金板材作為附加值高的深加工產(chǎn)品（或者深加工產(chǎn)品的原材料）更是應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域。然而,我國鉬及鉬合金板材軋制生產(chǎn)與鋼鐵軋制及鋁合金、銅合金等其他有色金屬軋制生產(chǎn)相比,起步晚、軋制技術(shù)滯后、生產(chǎn)規(guī)模不大,且鉬深加工產(chǎn)品在整個鉬產(chǎn)品中所占比例較小,再加上鉬及鉬合金本身具有變形溫度高、抗拉強(qiáng)度大、高溫下氧化嚴(yán)重、低溫脆性、溫降快、抗拉強(qiáng)度隨溫度的下降而急劇升高、塑 -脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）隨變形程度的增加而不斷下降等一系列加工特性[2],使其軋制加工較鋁、銅、鋅、鈦等有色金屬軋制困難,限制了在其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。本文將針對軋制工藝的影響因素,立足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的技術(shù)積累,分析軋制總變形量、道次變形量、軋制溫度、軋制方式以及退火溫度對軋制件質(zhì)量及性能的影響。這對軋制工藝的完善,生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)有一定的意義。

1 軋制工藝過程

鉬及鉬合金板材的軋制從板坯開始,經(jīng)過開坯軋制、熱軋、溫軋、冷軋及中間退火、表面清理等工序,直到所要求尺寸。具體工藝過程如圖 1所示。板坯的供應(yīng)上,粉末冶金燒結(jié)坯與真空熔煉坯相比,具有工序少、混合性好、雜質(zhì)少、板坯質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛[3]。

圖1 鉬及鉬合金板材軋制工藝流程圖

軋制過程中,隨開坯軋制的開始,軋件在軋制力作用下發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生加工硬化。在后續(xù)的熱軋、溫軋中,通常一次加熱伴隨多道次軋制,使得加工產(chǎn)生的硬化和回復(fù)再結(jié)晶的軟化兩相反過程同時存在,即發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶；而變形中斷或終止后的退火、保溫過程以及隨后的冷卻中所發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶,則為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶[4],這主要體現(xiàn)在冷軋階段。對于軋制成品件或做為后續(xù)拉伸、沖壓等工序的原材料件來說,軋制過程中各工藝參數(shù)的控制決定了板材本身的質(zhì)量、性能及應(yīng)用。

2 軋制工藝因素控制

2.1 軋制溫度

2.1.1 開坯軋制

由于鉬及鉬合金具有高熔點(diǎn),高的變形抗力以及粉末冶金板坯多孔的等軸晶粒結(jié)構(gòu),易導(dǎo)致低溫脆斷,所以其軋制開坯溫度必須加熱到很高。通常純鉬及鉬合金開坯軋制溫度應(yīng)接近或高于再結(jié)晶溫度。

針對純鉬板軋制[5～6],表 1從定量上分析了開軋溫度與不同板厚成材率的關(guān)系。從統(tǒng)計(jì)的成材率結(jié)果看,軋制溫度的提高有利于提高成材率,特別是隨厚度的減小,成材率的大小更趨明顯。

表1 開軋溫度與成材率的關(guān)系

低溫軋制時,鉬板的變形抗力大,易造成內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生,進(jìn)一步軋制導(dǎo)致鉬板材的開裂；軋制溫度越低,晶胞沿軋制方向拉長程度越大,當(dāng)大大低于再結(jié)晶溫度時,會生成帶狀晶胞組織,造成組織有明顯的各向異性,嚴(yán)重影響了軋件的應(yīng)用及后續(xù)加工。

對于鉬合金板,合金元素的加入使其獲得比純鉬高的再結(jié)晶溫度,所以在開坯軋制時具有比純鉬高的加熱溫度。但相關(guān)工藝實(shí)踐表明,也有傾向采用低溫開坯[7～8],其理由是：低溫?zé)彳堥_坯時,因合金元素的作用,隨形變的進(jìn)行沿晶界析出細(xì)小的第二相顆粒,且彌散度好,使組織細(xì)而均勻,提高了合金的工藝性能。

2.1.1 開坯后軋制

隨軋制的進(jìn)行,軋件厚度變薄,變形量增大,自身儲存能增加,再結(jié)晶驅(qū)動力大,從而使軋件的再結(jié)晶溫度越低。所以開坯軋制后的熱軋、溫軋及冷軋的加熱溫度隨變形程度的增加逐次降低。這有利于保持加工態(tài)織構(gòu),使軋件只發(fā)生回復(fù)而避免再結(jié)晶組織的形成,保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

2.2 變形量、道次變形率

燒結(jié)板坯組織疏松,多為微觀孔洞。開坯軋制的總變形量要大,以保證粉末顆粒相對流動,壓實(shí)疏松組織,焊合微觀孔洞,消除內(nèi)部缺陷,增大板坯的致密度,實(shí)現(xiàn)燒結(jié)態(tài)向加工態(tài)轉(zhuǎn)變；開坯軋制總變形量小,軋制力不能深透板材內(nèi)部,易引起板坯表層和中部變形不均勻,在后續(xù)加工中出現(xiàn)頭部張嘴開裂、分層、邊裂等各種缺陷,且成品表面會出現(xiàn)毛刺、起皮現(xiàn)象,致使板材的成品率低[9]。

軋制變形量的大小對軋件質(zhì)量和力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[10～11]。圖 2是粉末冶金燒結(jié)坯在軋制中,鉬板彎曲角在不同變形量下的變化規(guī)律。雖然兩者開坯方法、各軋制參數(shù)及退火處理各不相同,但從圖2中可以看出,兩者共性是彎曲角隨變相量的增加而呈增加趨勢。

圖2 彎曲角與變形量的關(guān)系曲線

各道次加工率不應(yīng)過大,在分配上遵守由大到小的原則,熱軋一般在 20％～30％。而溫軋總加工率的提高會降低其塑 -脆轉(zhuǎn)變溫度,因軋制溫度較低,變形抗力大并有一定的加工硬化作用,其道次變形率控制在 10％～20％。在冷軋時,加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,道次變形率控制在 10％以內(nèi),變形量大將誘導(dǎo)板坯內(nèi)部微裂紋的萌生,后道次軋制使板材斷裂。

2.3 軋制方式

軋制方式影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。單向軋制易產(chǎn)生嚴(yán)重的各向異性,交叉軋制則降低各向異性,使各軋制方向上的力學(xué)性能趨于一致。

從組織上分析[12～14],單向軋制組織形貌為纖維狀,沿軋制方向具有高的強(qiáng)度和塑性,而沿垂直軋制方向強(qiáng)度塑性則較差；而交叉軋制形貌呈類似鐵餅狀,縱橫向組織相互搭接交錯,晶粒排布更為均勻,能有效地避免各向受力時應(yīng)力的不均勻而導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。研究[15]表明,單向軋制裂紋走向平行于軋向；交叉軋制裂紋走向?yàn)?45°方向,呈彎曲形狀。交叉軋制裂紋較單向軋制來說,其裂紋走向與軋向的同步性小,且擴(kuò)展路徑有效長度長,對裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展起阻滯作用。

織構(gòu)上分析[16～17]表明,單向軋制得到很強(qiáng)的{100}＜110＞,{111}＜112＞和{112}＜110＞織構(gòu),而交叉軋制可以使旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu){100}＜110＞得以強(qiáng)化,這種織構(gòu)上的不同也說明了單向軋制與交叉軋制各向異性的差異。

交叉軋制換向點(diǎn)的選擇對軋制后各向異性的大小有很大影響[15,18],但目前來說還沒有定量的確定方法,依據(jù)塑性變形理論,換向前后的變形量盡量一致,才能保證前后組織均勻,各向異性降至最低。具體到生產(chǎn)中,換向點(diǎn)的選擇很大程度上也局限于設(shè)備上的限制,不完全按照理論來進(jìn)行。此問題有待于進(jìn)一步研究。

2.4 退火溫度

軋制過程中,隨變形程度的增加,軋件的強(qiáng)硬度升高而塑韌性下降。變形溫度越低,變形量越大,則軋件內(nèi)部的儲存能越高,給進(jìn)一步溫軋、冷軋及后續(xù)冷成型加工帶來困難。再結(jié)晶晶粒形成前,軋件在退火溫度下將發(fā)生回復(fù)。低溫回復(fù)時,點(diǎn)缺陷的運(yùn)動使密度大大減少；中等溫和高溫回復(fù)時,位錯的運(yùn)動產(chǎn)生多邊形化,伴隨滑移、攀移的進(jìn)行,位錯密度下降,微觀組織出現(xiàn)亞晶粒；繼續(xù)提高溫度則發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。純鉬板與鉬合金板相比再結(jié)晶溫度低,為防止晶粒粗大,其退火溫度也較低。

軋制過程中,退火處理具體表現(xiàn)在隨溫度的升高抗拉強(qiáng)度、微觀硬度降低,延伸率升高[19～21]。圖3是純鉬板和鉬錸合金 （3％Re）板軋制過程中退火處理對抗拉強(qiáng)度和延伸率的關(guān)系圖。

圖3 退火溫度與抗拉強(qiáng)度和延伸率的關(guān)系圖

從圖3中可以看到,純鉬板與鉬合金板的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨退火溫度的升高具有相同的變化趨勢。圖3代表了鉬及鉬合金板材軋制后退火溫度對力學(xué)性能影響的關(guān)系。一般來說,回復(fù)組織的保留可顯著提高產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能,有利于后續(xù)軋制及深加工的進(jìn)行。軋制生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同合金的特點(diǎn)合理制定退火工藝。

3 討論

軋制過程中,主要工藝因素決定了軋件的質(zhì)量性能。生產(chǎn)實(shí)踐中,各工藝參數(shù)的制定需考慮綜合因素。板坯的不同,可采取高溫大變形量熱軋開坯,但也有溫軋開坯；道次變形率的制定與軋制溫度、退火溫度關(guān)系密切；交叉軋制可明顯改善材料的各向異性,而換向點(diǎn)、換向次數(shù)的制定,還有待于研究；而冷軋退火溫度的選擇則要考慮其應(yīng)用等。各工藝參數(shù)間并非孤立控制,在復(fù)雜的軋制過程中,應(yīng)綜合考慮各工藝參數(shù),根據(jù)實(shí)際情況合理制定工藝。

4 結(jié)束語

通過上述主要工藝因素對鉬板軋制的影響關(guān)系,結(jié)合目前鉬板加工的現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn),針對中厚鉬板軋制已進(jìn)行了大量的研究；然而,隨著粉末冶金技術(shù)和軋制生產(chǎn)自動化技術(shù)的發(fā)展及鉬產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用,以鉬板軋制為先導(dǎo)的其他鉬深加工產(chǎn)品的比例會日益增加,特別是大單重、厚板坯這一鉬板軋制趨勢的出現(xiàn),更需要對其加工工藝進(jìn)行研究。鉬板軋制工藝參數(shù)將隨著生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累和軋制技術(shù)的發(fā)展得以優(yōu)化,工藝參數(shù)的過程控制也將逐步實(shí)現(xiàn)智能化和自動化。

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