李 敏

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

鉬具有較高的熔點(diǎn)、較高的強(qiáng)度以及優(yōu)異的耐磨性等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)以及航空航天、核能等領(lǐng)域中。鉬絲作為較成熟的產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于高溫加熱元件、耐高溫結(jié)構(gòu)元件等。如照明行業(yè)中作為燈芯線材、支撐絲材、邊桿和引出線；電阻爐中作為加熱元件；機(jī)加工中作為線切割絲等[1]。

目前國(guó)內(nèi)很多研究人員針對(duì)純鉬絲在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題做了大量研究，為了進(jìn)一步改進(jìn)純鉬絲存在的缺陷，在純鉬中添加一些第二相粒子(如La2O3、Si-Al-K等)來(lái)改善鉬的微觀結(jié)構(gòu)，提高再結(jié)晶溫度，增強(qiáng)鉬絲的力學(xué)性能，使其具有更高的高溫性能，進(jìn)而降低鉬絲的脆斷缺陷[2-4]。也有一些研究學(xué)者通過(guò)制備出生產(chǎn)細(xì)鉬絲的專(zhuān)用四鉬酸銨產(chǎn)品，或從改進(jìn)軋制工藝著手，更好地提高鉬絲的產(chǎn)品質(zhì)量[5-6]。

本文從制備鉬粉原料方面進(jìn)行了工藝改進(jìn)，并通過(guò)幾種不同性能的鉬粉采用相同的加工方式制備出鉬絲，對(duì)比鉬粉分級(jí)配比與常規(guī)鉬粉加工出的鉬絲性能，以考查其對(duì)鉬絲的組織和性能的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 材 料

選用正常生產(chǎn)中還原出的中間產(chǎn)物MoO2，將MoO2進(jìn)行80目和160目篩分，分別取80目篩上(C)、160目篩下(X)，隨后在最高溫度950～980 ℃氫氣氣氛下還原8～10 h，得到形貌、顆粒大小比較均勻的鉬粉(如圖1所示)。將兩種鉬粉C、X按照質(zhì)量百分比1∶4和4∶1的比例進(jìn)行配比，配比后的批號(hào)分別記為14、41。再選用常規(guī)鉬粉，批號(hào)記為Y。

1.2 工藝方法

將這5個(gè)批號(hào)的鉬粉經(jīng)過(guò)冷等靜壓壓制、燒結(jié)成φ48 mm鉬棒坯。工藝分別為：壓制壓力200 MPa，保壓時(shí)間12 min；壓制好的鉬棒坯在1 930 ℃中頻爐中燒結(jié)28 h。隨后經(jīng)過(guò)軋制加旋鍛的開(kāi)坯方式分別加工出φ0.82 mm、φ0.18 mm的鉬絲。

工藝流程為：MoO2粉末→還原→壓坯→高溫?zé)Y(jié)→軋制→旋鍛→拉絲。隨后對(duì)所制備的5個(gè)批號(hào)的鉬絲進(jìn)行性能檢測(cè)，并做對(duì)比分析。

表1示出了5個(gè)批號(hào)的鉬粉理化性能指標(biāo)。

表1 鉬粉理化性能

圖1為還原出的鉬粉SEM照片，C、X鉬粉均為單顆粒形貌，顆粒大小均勻，但C鉬粉較X鉬粉有少量團(tuán)聚，Y鉬粉顆粒大小不均勻，有小顆粒團(tuán)聚成的二次大顆粒。

表2 鉬粉顆粒數(shù)百分含量

圖1 鉬粉SEM照片

5個(gè)批號(hào)的鉬粉均呈正態(tài)分布，且顆粒大小分布較均勻。由于組成粉末的無(wú)數(shù)顆粒不屬于同一粒徑，因此用不同粒徑的顆粒占全部粉末的百分含量來(lái)表征粉末顆粒大小的狀況，這樣能夠更加合理地表達(dá)粉末的實(shí)際粒度組成。粉末的粒度及其分布是最基本的形態(tài)特征，它基本上決定了粉末的整體和表面特性。批號(hào)14的鉬粉d(0.5)值為9.752，在5個(gè)批號(hào)中最小，且d(0.1) 和d(0.9)之間的范圍很窄，說(shuō)明粉末顆粒尺寸相差不大，大小較均勻。

從表3中可以看出，鉬粉級(jí)配后的燒結(jié)坯(14、41)密度比沒(méi)有級(jí)配的燒結(jié)坯(C、X)密度大，說(shuō)明進(jìn)行一定配比后的鉬粉，顆粒之間會(huì)較好地結(jié)合，從而減少燒結(jié)孔，增加燒結(jié)密度。

根據(jù)燒結(jié)機(jī)理分析，物質(zhì)如果以細(xì)的顆粒狀態(tài)存在，這個(gè)顆粒系統(tǒng)就處于一個(gè)高能狀態(tài)，因?yàn)樗菊骶哂邪l(fā)達(dá)的顆粒表面，與同質(zhì)量的實(shí)體物質(zhì)相比具有過(guò)剩的表面能。在燒結(jié)前，顆粒系統(tǒng)具有過(guò)剩的表面能越高，這個(gè)過(guò)程越容易，它的燒結(jié)活性就越大。另一方面，燒結(jié)是一個(gè)熱力學(xué)不可逆過(guò)程，體系的自由能降低就是過(guò)程進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力，所以可以把顆粒系統(tǒng)的燒結(jié)性和其本征過(guò)剩表面能的驅(qū)動(dòng)聯(lián)系在一起。粉末體在燒結(jié)初期顆粒之間的黏結(jié)是依靠范德華力，不需要明顯的位移，只涉及顆粒接觸面上部分原子排列的改變或位置的調(diào)整，同時(shí)有大量的連通孔存在，總的孔隙數(shù)量和體積減少；在燒結(jié)后期，由于顆粒和顆粒之間會(huì)存在一定的“間隙”，如果顆粒尺寸較小，且大小均勻的鉬粉，或者團(tuán)聚少、大小顆粒有一定比例的鉬粉，顆粒與顆粒之間形成的孔隙就非常少，相對(duì)于多孔隙來(lái)說(shuō)，燒結(jié)體收縮過(guò)程中需要較少的能量，顆粒黏結(jié)面擴(kuò)大，顆粒表面凹處逐漸被填平[7]。這樣，燒結(jié)坯內(nèi)部就會(huì)有較少的孔洞，燒結(jié)坯密度提高。

圖2 鉬粉的粒度分布

批號(hào)ρ/(g·cm-3)HRAC/%O/%K/%Fe/%Ni/%Si/%Al/%C10.0048.8,49.80.001 30.004 00.000 60.006 90.000 8≤0.002 0≤0.001 5X9.8349.8,50.80.009 80.004 00.000 90.007 50.000 8≤0.002 0≤0.001 5Y9.8750.2,51.20.004 00.004 00.000 9——≤0.002 0≤0.001 51410.0151.2,52.50.007 60.005 00.001 10.010 90.001 0≤0.002 0≤0.001 5419.9949.6,50.60.003 20.003 00.000 90.006 70.000 8≤0.002 0≤0.001 5

表4 鉬絲力學(xué)性能

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

φ0.82 mm(退火前)的力學(xué)性能分析：14的抗拉強(qiáng)度和延伸率都很高，說(shuō)明這個(gè)批號(hào)的絲材有利于后序加工。φ0.18 mm的力學(xué)性能分析：C的抗拉強(qiáng)度最高，適合做線切割鉬絲和電光源鉬絲，其余批號(hào)的鉬絲只能作為電光源鉬絲；14的抗拉強(qiáng)度和延伸率都比另外3個(gè)批號(hào)的高，這個(gè)批號(hào)的鉬絲綜合性能較好。

大量研究表明，雖然經(jīng)過(guò)旋鍛后的金屬組織要均勻一些，而且纖維結(jié)構(gòu)更長(zhǎng)和更細(xì)密一些，但是，用X-射線衍射圖分析絲材的整個(gè)斷面時(shí)，仍能看到絲材的中心層比表面層的變形量小，即絲材表面層晶粒的破碎程度大于中心層的[8]。因此，必須采用較大的變形量，才能使絲材的中心層和表面層都能達(dá)到較大的變形，使得心部組織更加均勻，絲材具有更好的組織和力學(xué)性能。

本實(shí)驗(yàn)采用的是軋制+旋鍛的開(kāi)坯方式，能夠更好地使絲材中心層達(dá)到較大的變形量。在此基礎(chǔ)上，分別選用不同的原料鉬粉，得到的絲材存在一些差別，說(shuō)明鉬粉的性能也在很大程度上影響著絲材的最終性能。

2.1 鉬粉粒度分布對(duì)鉬絲性能的影響

經(jīng)過(guò)級(jí)配的鉬粉加工出的鉬絲(14、41)與沒(méi)有經(jīng)過(guò)級(jí)配的鉬粉加工出的鉬絲(X、Y)相比，從加工情況分析，14加工正常，沒(méi)有斷絲現(xiàn)象，其他批號(hào)的鉬絲出現(xiàn)不同程度的斷絲。從力學(xué)性能分析，14的抗拉強(qiáng)度和延伸率比其他批號(hào)的抗拉強(qiáng)度和延伸率高。因此，14鉬絲具有很好的綜合性能。

粉末的粒度和粒度組成對(duì)金屬粉末的加工性能有重大影響，在很大程度上，它們決定著最終粉末冶金材料和制品的性能。粒度太細(xì)的鉬粉相對(duì)能夠拉成較細(xì)的鉬絲，但是細(xì)鉬粉表面的附聚物較多，如氧含量較高，這樣在拉絲過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)斷絲的現(xiàn)象。用于生產(chǎn)壓力加工的金屬鉬，盡管在化學(xué)成分上能夠達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，但生產(chǎn)中仍存在很多不確定因素，如粉末粒度分布不均等，這樣會(huì)影響它的后續(xù)加工性能。鉬粉質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)是化學(xué)成分和粉末粒度，在化學(xué)成分滿足之后，鉬粉中的質(zhì)量很大程度上取決于它的粉末粒度。大部分的粉末原料中化學(xué)元素含量都能達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而在物理性能方面，經(jīng)常出現(xiàn)一些尚未能控制的因素，特別是粉末的粒度組成影響了最終產(chǎn)品的性能。在后續(xù)制品中，由于各種不同的用途而對(duì)鉬粉粒度各有不同的要求，因此，在鉬粉生產(chǎn)中控制粉末的粒度是一個(gè)極為重要的問(wèn)題。鉬粉的平均粒度(即費(fèi)氏粒度)不能真實(shí)反映出鉬粉的質(zhì)量好壞，而粒度分布能夠真實(shí)地表達(dá)出鉬粉大小顆粒占有的比例，更大程度上反映出鉬粉的均勻性。

采用粉末分級(jí)和級(jí)配的方法，可以很好地將鉬粉的粒度分布控制在一定的范圍，使得大小顆粒能夠較合理的搭配，在后續(xù)的加工過(guò)程中避免了一些缺陷(如燒結(jié)氣孔等)導(dǎo)致的斷絲現(xiàn)象，同時(shí)更大程度上提高了鉬絲的強(qiáng)度及延伸率，使鉬絲具有更好的性能。

2.2 燒結(jié)坯密度對(duì)鉬絲性能的影響

φ0.18 mm鉬絲的抗拉強(qiáng)度隨著燒結(jié)坯密度的增大而增大，對(duì)于這種規(guī)格的鉬絲，抗拉強(qiáng)度和燒結(jié)坯密度呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

燒結(jié)坯的密度很大程度上對(duì)絲材的性能有一定的影響。因?yàn)槊芏鹊偷呐髁蟽?nèi)部會(huì)存在更多的孔隙，這在微觀上就有了點(diǎn)缺陷，而這種缺陷會(huì)使晶體的物理性能受到影響。由于空位的存在，變形過(guò)程中就有利于其周?chē)脑与x開(kāi)自己的平衡位置(當(dāng)其周?chē)脑佑捎跓嵴駝?dòng)能量的漲落，獲得足夠的能量時(shí))而跳到空位上去，這樣就會(huì)使拉絲過(guò)程中出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會(huì)影響塑性變形的進(jìn)一步進(jìn)行，進(jìn)而降低其力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

鉬絲的生產(chǎn)已經(jīng)具備了較成熟的工藝，但如果制備一些性能優(yōu)異的產(chǎn)品，生產(chǎn)中仍存在很多不確定因素，也有一些質(zhì)量波動(dòng)的情況發(fā)生。本文從原料著手，通過(guò)分析鉬粉各方面性能之間的差異，找出了影響鉬絲質(zhì)量的一些因素，這對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量波動(dòng)情況有一定的指導(dǎo)作用。

(1)經(jīng)過(guò)級(jí)配的鉬粉14加工出的鉬絲具有很好的加工性能和力學(xué)性能。

(2)顆粒大小均勻、較分散的鉬粉(X)加工出的鉬絲，比顆粒大小不均勻、有小顆粒團(tuán)聚成的二次大顆粒鉬粉(Y)加工出的鉬絲，具有較好的加工性能和力學(xué)性能。

(3)鉬粉(C)加工出的鉬絲具有較高的抗拉強(qiáng)度，能夠作為線切割鉬絲。