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        變形量對大規(guī)格鉬棒組織和性能的影響

        2022-01-20 02:09:48王承陽駱學廣
        中國鉬業(yè) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:變形

        熊 寧,王承陽,董 帝,常 洋,駱學廣

        (1.安泰科技股份有限公司,北京100081)(2.安泰天龍鎢鉬科技有限公司, 天津 301800)

        0 前 言

        鉬及鉬合金由于熔點高、高溫強度高、線膨脹系數(shù)低,在航空航天、高端醫(yī)療、半導體等領(lǐng)域得到了廣泛應用。近年來隨著高端醫(yī)療、航空航天、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展,對鉬及鉬合金棒的需求逐漸向大規(guī)格、高性能方向發(fā)展[1-6]。在醫(yī)療診斷裝備領(lǐng)域,隨著CT整機對成像質(zhì)量的要求提高,需要更高的時間分辨率,更快的CT機架轉(zhuǎn)速,對軸承的負載能力和可靠性提出了更嚴苛的要求,傳統(tǒng)的滾珠軸承已無法滿足使用要求,液態(tài)金屬軸承具有高散熱率,近零磨損、零震動,可大幅提高成像質(zhì)量,延長CT球管的壽命。液態(tài)金屬軸承套件通常采用大直徑鉬棒(直徑一般大于85 mm)加工而成,由于軸承的螺旋槽設計,尺寸加工精度要求高,加工難度大,因此對鉬棒性能要求較高。國外廠家一般采用徑向鍛造機生產(chǎn)大規(guī)格鉬棒材,徑向鍛造由于在多個方向上鍛打坯料,金屬變形處于三向壓應力狀態(tài),有利于提高金屬塑性,并且錘頭脈沖加載的頻率很高,可以有效的限制金屬的橫向流動,提高軸向延伸速率,所制備的大規(guī)格鉬棒性能優(yōu)異,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,但徑向鍛造機投資較高。國內(nèi)通常采用空氣錘進行鍛造鉬棒,但空氣錘打擊力小,鍛造變形量小,大規(guī)格鉬棒材心部不能得到充分變形,性能均勻性差。本試驗采用1 000 t快速液壓鍛造設備,開展了大規(guī)格鉬棒的試制,研究了變形量對大規(guī)格鉬棒組織、力學性能以及徑向不同位置性能均勻性的影響。

        1 試樣制備及檢測

        大規(guī)格鉬棒采用粉末冶金法制備,鉬粉通過冷等靜壓壓制成形,壓力為200 MPa,將壓坯置于中頻氫氣感應爐燒結(jié),最高燒結(jié)溫度為1 950 ℃,燒坯直徑為200 mm,燒坯密度為9.86 g/cm3,其化學成分如表1所示,燒結(jié)后的鉬棒顯微組織如圖1所示,晶粒呈細小的等軸晶,平均晶粒尺寸為35 μm,但燒結(jié)坯晶粒內(nèi)部存在大量的孔隙,晶間結(jié)合力弱,晶界處較脆弱,很容易沿晶界發(fā)生脆性斷裂。

        表1 鉬棒燒坯化學成分 %(質(zhì)量分數(shù))

        圖1 鉬棒燒坯顯微組織

        快鍛設備為1 000 t快速液壓鍛造機,采用氫氣鉬絲爐加熱,鍛造開坯溫度為1 350 ℃,鍛造總變形量分別為40%、65%、80%,鍛坯在氫氣爐中900 ℃下退火2 h。對不同鍛造變形量的鉬棒取樣分析,由于大規(guī)格鉬棒徑向不同位置性能不均勻且心部性能偏低,因此在鉬棒心部取樣比較變形量對顯微組織、硬度和室溫力學性能的影響;在鉬棒邊緣、1/2半徑和心部分別取樣,比較變形量對鉬棒徑向不同位置性能均勻性的的影響。材料的室溫拉伸性能在SANS CMT5205電子拉力試驗機上進行,檢測標準為GB/T 228.1;材料的硬度測試在維氏硬度HVS-50試驗機上進行,檢測標準為GB/T 4340.1;材料的顯微組織觀察在OLYMPUS GX51金相顯微鏡下進行,腐蝕劑為NaOH和K3Fe(CN)6的水溶液;材料的密度采用阿基米德排水法測試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 變形量對鉬棒密度的影響

        鉬棒密度與鍛造變形量的關(guān)系如表2所示。由表2可見:隨著鍛造變形量的增大,鉬棒的密度逐漸升高,當變形量為40%時,棒材相對密度由96.4%增大到97.5%;變形量為65%時,棒材相對密度增大到99.4%,變形量為80%時,棒材相對密度增加到99.9%,接近鉬的理論密度10.22 g/cm3[7]。這是由于隨著變形量的增加,晶粒發(fā)生破碎、變形,孔洞壓實并逐漸閉合,逐漸致密化。

        表2 變形量對鉬棒密度的影響

        2.2 變形量對鉬棒心部顯微組織的影響

        圖2為不同鍛造變形量對鉬棒心部顯微組織的影響。從圖2可以看出:鉬棒經(jīng)快鍛變形后,鉬燒坯的等軸晶粒逐漸沿鍛造方向拉長呈纖維狀組織。當鍛造變形量為40%時,晶粒在外力作用下變形,孔洞得到壓實閉合,但由于變形量較小,晶粒內(nèi)部仍然存在一定孔洞,當鍛造變形量增大到65%時,材料孔洞基本得到消除,當鍛造變形量增大到80%時,纖維狀組織被進一步拉長且相互搭接交錯,晶間結(jié)合力較強,對裂紋的敏感性逐漸降低。

        圖2 變形量對鉬棒心部顯微組織的影響

        2.3 變形量對鉬棒心部硬度的影響

        圖3為不同鍛造變形量對鉬棒心部硬度的影響。從圖3可以看出:經(jīng)過鍛造變形后,心部硬度得到提高。當鍛造變形量為40%時,硬度為176 HV10,當鍛造變形量為65%時,硬度為199 HV10,當鍛造變形量為80%時,硬度為220 HV10。這是由于隨著鍛造變形量的增大,晶粒內(nèi)部孔隙被壓實焊合,密度不斷提高;同時鉬棒的平均晶粒尺寸不斷變小,晶粒間的結(jié)合強度得到顯著提高,由于形變強化、細晶強化等共同作用,硬度顯著得到提高。

        圖3 鍛造變形量對鉬棒心部硬度的影響

        2.4 變形量對鉬棒心部室溫力學性能的影響

        圖4為不同鍛造變形量對鉬棒心部室溫抗拉強度、斷后伸長率的影響。從圖4可以看出:當鍛造變形量為40%時,抗拉強度為490 MPa,斷后伸長率為3%;鍛造變形量增大到65%時,抗拉強度為550 MPa,斷后伸長率為11%,鍛造變形量增大到80%時,抗拉強度為595 MPa,斷后伸長率為20%。隨著變形量的增大,鉬棒的抗拉強度不斷增大,這是由于鍛造變形后晶粒尺寸不斷得到細化,晶界面積增加, 而晶界上雜質(zhì)和缺陷的存在以及原子的不規(guī)則排列是位錯運動的障礙,可有效阻止位錯通過,從而使材料的強度得到提高[8-10]。根據(jù)Hall-Petch公式 σs=σ0+k.d-1/2可知,晶粒的平均直徑越小,材料的強度越高;隨著變形量的增大,鉬棒的斷后伸長率也在不斷增大,這是由于在晶界上富集的間隙雜質(zhì)隨著變形量的增大,被分散到更大表面積的晶界上,有效地降低了單位界面上的間隙雜質(zhì)濃度,材料內(nèi)部晶界雜質(zhì)偏析明顯降低,塑性得到提高[11]。

        圖4 鍛造變形量對鉬棒心部室溫力學性能的影響

        2.5 變形量對鉬棒性能均勻性的影響

        圖5(a)為不同鍛造變形量鉬棒邊緣、1/2半徑和心部位置的硬度,圖5(b)為不同鍛造變形量鉬棒邊緣、1/2半徑和心部位置的室溫抗拉強度。從圖5可以看出:當鍛造變形量為40%時,鉬棒心部硬度為176 HV10,抗拉強度為490 MPa,1/2半徑硬度為185 HV10,抗拉強度為505 MPa,邊緣硬度為190 HV10,抗拉強度為525 MPa,邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強度值差異較大,鉬棒性能低、均勻性差。當鍛造變形量為65%時,鉬棒心部硬度為199 HV10,抗拉強度為550 MPa,1/2半徑硬度為203 HV10,抗拉強度為567 MPa,邊緣硬度為210 HV10,抗拉強度為575 MPa,邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強度值差異得到明顯改善,鉬棒性能得到提高,均勻性較高;當鍛造變形量為80%時,鉬棒心部硬度為220 HV10,抗拉強度為595 MPa,1/2半徑硬度為222 HV10,抗拉強度為608 MPa,邊緣硬度為225 HV10,抗拉強度為615 MPa,邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強度差異較小,性能均勻性好;這是由于當變形量較小時,變形主要集中在邊緣,心部未得到充分變形,隨著變形量的增大,邊緣和心部均得到了充分變形,鉬棒性能均勻性得到顯著提升。

        圖5 變形量對鉬棒心部、1/2半徑、邊緣性能的影響

        3 結(jié) 論

        (1)采用快鍛工藝制備了大規(guī)格鉬棒,隨著鍛造變形量的增大,鉬棒內(nèi)部孔隙得到了壓實,相對密度不斷增大,當變形量達到80%時,鉬棒相對密度可達到99.9%。

        (2)快鍛變形對大規(guī)格鉬棒有顯著的強化作用。鉬棒的顯微組織隨著變形量的增大被拉長成纖維狀組織,心部硬度、抗拉強度和斷后伸長率均得到了大幅提升。鍛造變形量為80%時,鉬棒心部硬度為220 HV10,抗拉強度為595 MPa,斷后伸長率為22%。

        (3)采用1 000 t快速液壓鍛造設備,當鍛造變形量達到80%以上時可獲得邊緣、1/2半徑、心部等不同部位性能均勻的大規(guī)格鉬棒,滿足高端CT球管液態(tài)金屬軸承使用需求。

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