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        鉬及鉬合金的冶煉技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

        2019-08-20 06:52:16
        中國金屬通報(bào) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:鉬粉混料壓制

        李 紅

        (金鉬股份金屬分公司,陜西 西安 710077)

        眾所周知,鉬是十分重要的戰(zhàn)略性稀有金屬物質(zhì)。鉬及其合金制品其自身具備熔點(diǎn)較高、抗溫強(qiáng)度大、蠕變速度慢、膨脹級別小、導(dǎo)熱導(dǎo)電以及抗蝕性較強(qiáng)等特點(diǎn),其被作為高性能材料被廣泛使用。但是因?yàn)殂f低也具有溫脆性大的缺陷影,所以怎樣提高鉬的高溫性能而且進(jìn)一步提高其綜合性能是開拓其使用領(lǐng)域的重點(diǎn)[1,2]。

        1 鉬及鉬合金冶煉技術(shù)研究的基本狀況

        近幾年具相關(guān)研究表明,以氫氟酸代替鈦元素作為鉬合金的填充元素,制成的鉬-氫氟酸-碳系以及鉬-氫氟酸-鋯-碳合金系列,所得的反應(yīng)物HfC要比TiC更容易達(dá)到強(qiáng)化的效果,使得鉬合金的性能得到改善與提高。此外,能使基體固溶體的大量合金化產(chǎn)生的強(qiáng)化效果和少量元素碳化物的彌散強(qiáng)化作用較好融合,有關(guān)科研人員研制出一種具備較好綜合性能的鉬-鎢-氫氟酸-碳系列以及鉬-鎢-氫氟酸-鈦-碳系列合金,它們自身的強(qiáng)度以及硬度更優(yōu)秀,耐高溫性能良好,而且可以抵抗高溫使用只用產(chǎn)生的室溫脆性問題,但是此類新型的鉬合金制品依然不夠不夠成熟。有大量研究結(jié)果證實(shí),依據(jù)鉀泡原理制成的摻和硅元素、鋁元素、鉀元素或是鉀硅高溫鉬合金,它們的再結(jié)晶溫度相比純鉬而言,能夠提升到673.15開氏度,而且再結(jié)晶之后形成的是大晶粒組織,并不是之前的等軸組織,與此同時(shí)它的高溫抗拉強(qiáng)度以及高溫蠕變性能等方面改善較為明顯,也是當(dāng)下高溫性能最優(yōu)秀的鉬合金。

        2 TZM合金頂頭的試驗(yàn)案例分析

        2.1 TZM合金頂頭的試驗(yàn)情況

        (1)摻雜量 :Ti:151g/30kg ;Zr:35g/30kg; C :6g/30kg

        (2)V型混料機(jī):抽真空混料8小時(shí)。

        (3)混料結(jié)束后,篩分325目。

        (4)采樣編號:TZM150V1114

        (5)用¢90鉬棒的膠套經(jīng)壓制燒結(jié)后,經(jīng)鍛造機(jī)加工為¢54*145mm的鉬頂頭,主要添加元素見下表。

        TZM合金粉及燒結(jié)鉬棒化驗(yàn)結(jié)果

        由化驗(yàn)結(jié)果可以看出,C作為添加元素在燒結(jié)過程中流失嚴(yán)重,這也導(dǎo)致了在鉬頂頭在穿管過程中,磨損嚴(yán)重壽命較短;雖然該TZM鉬頂頭是經(jīng)過鍛造的,其密度已達(dá)到10.1g/cm3,但是耐磨度低,在使用過程中與鋼管的磨損大,導(dǎo)致鋼管內(nèi)壁光潔度不高。使用壽命也大大降低,只有正常鉬頂頭使用壽命的1/5。

        2.2 TZC合金頂頭試驗(yàn)過程

        (1) 摻 雜 量 :Ti:367.5g/30kg; Zr:91.8g/30kg; C:153g/30kg

        (2)V型混料機(jī):抽真空混料8小時(shí)。

        (3)采樣編號:TZC1-1204.

        (4)化驗(yàn)結(jié)果見表。

        (5)壓制燒結(jié)后直接進(jìn)行機(jī)加工,未經(jīng)鍛造。

        TZC合金粉及燒結(jié)鉬棒化驗(yàn)結(jié)果

        此次燒結(jié)TZC合金時(shí),除碳元素少量損耗外,其他添加元素在燒結(jié)過程中未出現(xiàn)流失,此次試驗(yàn)的鉬頂頭的穿管壽命為標(biāo)準(zhǔn)要求的70%左右,最終應(yīng)因疲勞斷裂失效。

        2.3 稀土強(qiáng)化TZC合金頂頭試驗(yàn)過程

        (1) 摻 雜 量 :Ti:450g/30kg; Zr:100g/30kg; C :200g/30kg CeO2:500g/30kg

        (2)V型混料機(jī):抽真空混料8小時(shí)。

        (3)采樣編號:TZC-0204.

        (4)化驗(yàn)結(jié)果見表。

        (5)壓制燒結(jié)后直接進(jìn)行機(jī)加工,未經(jīng)鍛造。

        稀土強(qiáng)化TZC合金粉及燒結(jié)鉬棒化驗(yàn)結(jié)果

        經(jīng)客戶使用此次燒結(jié)的稀土強(qiáng)化TZC合金鉬頂頭,其穿管壽命為標(biāo)準(zhǔn)要求的120%左右,最終失效形式為磨損失效,產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于市場平均水平。

        2.4 試驗(yàn)小結(jié)

        由試驗(yàn)結(jié)果可看出,隨著碳元素的增加,鉬頂頭壽命是隨之增長的;此外由于稀土元素CeO2的加入,產(chǎn)品壽命是得到明顯提高,其主要原因如下:

        (1)CeO2主要以纖維狀存在與鉬合金中,其塑性變形均勻,減輕了位錯(cuò)塞積,從而延緩裂紋形核過程因而塑性高

        (2)CeO2細(xì)化晶粒的能力較其他稀土元素強(qiáng)(Y203、La2O3)強(qiáng),相同雜質(zhì)濃度下,單位晶界面上雜質(zhì)含量少,彌散強(qiáng)化程度高,對合金的硬度提高較大。

        (3)根據(jù)曾建輝研究結(jié)果表明:稀土元素的添加總量在1.5%左右時(shí),對合金的復(fù)合強(qiáng)化效果達(dá)到最佳,可減少了裂紋和墩粗等早期破壞現(xiàn)象。

        3 鉬及鉬合金冶煉技術(shù)的發(fā)展趨向

        3.1 鉬金屬粉末的冶金技術(shù)發(fā)展

        第一,超精細(xì)鉬粉的冶金技術(shù)。對其技術(shù)的研究,可以制成鉬粉的手段主要有以下幾種:①蒸發(fā)狀態(tài)MoO3的還原法,這種方法主要是把三氧化鉬的粉末承裝在鉬舟之上,使其存在溫度達(dá)到1573.15開氏度至1773.15開氏度的預(yù)熱爐中,讓它蒸發(fā)直至氣態(tài),在H2N2氣體與氫氣的混合氣流的夾雜下,三氧化鉬蒸氣進(jìn)入其反應(yīng)區(qū),發(fā)生還原反應(yīng)使其成為超細(xì)鉬粉。此種方法能夠獲取粒徑為4.0×10-5毫米至7.0×10-5毫米的均勻球狀顆粒鉬粉末,可是其工藝參數(shù)的控制比相對困難,因?yàn)槠渲腥趸f-氮?dú)夂蜌錃?氮?dú)鈿饬鞯幕旌蠝囟群推渲械娜趸f成分,它們對于粉末粒度的影響都很大。②鉬粉活化還原的方法。此法使用七鉬酸銨作為原料,在氯化銨的催化作用下,在還原過程中形成超細(xì)鉬粉,在還原過程中使得氯化銨被充分揮發(fā)。使用此種方法相比傳統(tǒng)方法而言,其還原所需溫度可以降低約573.15開氏度至673.15開氏度,并且僅僅只使用一次還原工藝。該法制成的鉬粉末平均粒度為0.1微米,其具有較好的燒結(jié)性能。③等離子氫的還原方法。使用混合等離子反應(yīng)設(shè)備把高壓的直流電弧噴射于高頻等離子的氣流之上,進(jìn)而產(chǎn)生一種混合等離子氣流,借助等離子蒸氣使其還原,能夠得到初始階段的超細(xì)鉬粉。還能由機(jī)械合金化法、冷氣流粉碎法,超高強(qiáng)度超聲波法、封閉循環(huán)式氫還原法等方法僅僅只是具有一定的實(shí)驗(yàn)研究價(jià)值。

        第二,新型鉬的成型技術(shù)發(fā)展。①動(dòng)磁壓制技術(shù)。對于動(dòng)磁壓制來講其工作原理的是,把鉬粉末放在一個(gè)具有導(dǎo)電性的護(hù)套里,再將其放置在高強(qiáng)磁場線圈的中心部分。其電容器所產(chǎn)出的電可以在數(shù)微秒內(nèi)對線圈釋放高脈沖的電流,可以讓線圈內(nèi)形成一定的磁場,接下來就能使感應(yīng)電流在套內(nèi)產(chǎn)生,而感應(yīng)電流以及施加磁場之間會(huì)產(chǎn)生相互作用,能夠產(chǎn)生自外向到壓縮護(hù)套的磁力,可以讓鉬粉末可以得到二維壓制。而且整個(gè)過程不到1微秒。對于傳統(tǒng)的模壓技術(shù)而言,動(dòng)磁壓制技術(shù)在工件壓制密度方面效果更好,并且其工作條件更具有靈活性,可以不再使用潤滑劑以及粘結(jié)劑,只一點(diǎn)十分有利于環(huán)?!,F(xiàn)階段動(dòng)磁壓制的應(yīng)用逐步走向工業(yè)化階段,而且動(dòng)磁壓制系統(tǒng)已經(jīng)處在試運(yùn)行階段。②WFC技術(shù)。WFC技術(shù)也就是流動(dòng)溫壓技術(shù),這種技術(shù)基本的操作原理是:把常規(guī)粒度的粉末中添入一定含量的微細(xì)粉末以及所需的潤滑劑,從而能夠在很大程度上大提高混合粉末的流動(dòng)程度、填充性能,在溫度處于353.15開氏度至403.15開氏度的情況下,可以在傳統(tǒng)的壓機(jī)上較為精密的成形具備繁瑣幾何外形的零件。③溫壓技術(shù)其工藝過程是在溫度達(dá)到413.15開氏度左右,把原料粉末以及高溫聚合物潤滑劑組合形成的粉末放進(jìn)模具型腔內(nèi),進(jìn)而進(jìn)行壓制可以得到高致密度的壓坯。

        4 結(jié)語

        總的來講,鉬金屬及其合金制品的使用途徑十分廣泛、發(fā)展?jié)摿薮?。在未來的?yīng)用領(lǐng)域也會(huì)不斷的擴(kuò)充,鉬及鉬粉的冶金技術(shù)也會(huì)得到進(jìn)一步的提升。鉬是一種不可再生資源,所以更要珍惜而且要綜合高效的利用,使其在社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

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