純鉬及鉬合金板材軋制加工工藝概述

楊松濤,李繼文,2,魏世忠,2,徐流杰,2,彭光輝

（1.河南科技大學材料科學與工程學院,河南 洛陽 471003）

（2.河南科技大學河南省耐磨材料工程技術研究中心,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度、高溫硬度高,導熱、導電性能好,熱膨脹系數小等優越的機械性能和物理化學性能,被廣泛用于冶金、機械、能源、化工、國防、航天航空、電子等各個領域[1]。鉬及鉬合金板材作為附加值高的深加工產品（或者深加工產品的原材料）更是應用于高新技術領域。然而,我國鉬及鉬合金板材軋制生產與鋼鐵軋制及鋁合金、銅合金等其他有色金屬軋制生產相比,起步晚、軋制技術滯后、生產規模不大,且鉬深加工產品在整個鉬產品中所占比例較小,再加上鉬及鉬合金本身具有變形溫度高、抗拉強度大、高溫下氧化嚴重、低溫脆性、溫降快、抗拉強度隨溫度的下降而急劇升高、塑 -脆轉變溫度（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,限制了在其應用領域的發展。本文將針對軋制工藝的影響因素,立足工業生產實踐的技術積累,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量及性能的影響。這對軋制工藝的完善,生產實踐的指導有一定的意義。

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。板坯的供應上,粉末冶金燒結坯與真空熔煉坯相比,具有工序少、混合性好、雜質少、板坯質量好等優點,應用最為廣泛[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生塑性變形,產生加工硬化。在后續的熱軋、溫軋中,通常一次加熱伴隨多道次軋制,使得加工產生的硬化和回復再結晶的軟化兩相反過程同時存在,即發生動態回復和動態再結晶；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生的回復與再結晶,則為靜態回復和靜態再結晶[4],這主要體現在冷軋階段。對于軋制成品件或做為后續拉伸、沖壓等工序的原材料件來說,軋制過程中各工藝參數的控制決定了板材本身的質量、性能及應用。

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,高的變形抗力以及粉末冶金板坯多孔的等軸晶粒結構,易導致低溫脆斷,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接近或高于再結晶溫度。

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系。從統計的成材率結果看,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系

低溫軋制時,鉬板的變形抗力大,易造成內部微裂紋的產生,進一步軋制導致鉬板材的開裂；軋制溫度越低,晶胞沿軋制方向拉長程度越大,當大大低于再結晶溫度時,會生成帶狀晶胞組織,造成組織有明顯的各向異性,嚴重影響了軋件的應用及后續加工。

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。但相關工藝實踐表明,也有傾向采用低溫開坯[7～8],其理由是：低溫熱軋開坯時,因合金元素的作用,隨形變的進行沿晶界析出細小的第二相顆粒,且彌散度好,使組織細而均勻,提高了合金的工藝性能。

2.1.1 開坯后軋制

隨軋制的進行,軋件厚度變薄,變形量增大,自身儲存能增加,再結晶驅動力大,從而使軋件的再結晶溫度越低。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織構,使軋件只發生回復而避免再結晶組織的形成,保證產品的質量和性能。

2.2 變形量、道次變形率

燒結板坯組織疏松,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,壓實疏松組織,焊合微觀孔洞,消除內部缺陷,增大板坯的致密度,實現燒結態向加工態轉變；開坯軋制總變形量小,軋制力不能深透板材內部,易引起板坯表層和中部變形不均勻,在后續加工中出現頭部張嘴開裂、分層、邊裂等各種缺陷,且成品表面會出現毛刺、起皮現象,致使板材的成品率低[9]。

軋制變形量的大小對軋件質量和力學性能產生很大影響[10～11]。圖 2是粉末冶金燒結坯在軋制中,鉬板彎曲角在不同變形量下的變化規律。雖然兩者開坯方法、各軋制參數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系曲線

各道次加工率不應過大,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,加工硬化現象嚴重,道次變形率控制在 10％以內,變形量大將誘導板坯內部微裂紋的萌生,后道次軋制使板材斷裂。

2.3 軋制方式

軋制方式影響產品的質量和性能。單向軋制易產生嚴重的各向異性,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度和塑性,而沿垂直軋制方向強度塑性則較差；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力的不均勻而導致缺陷的產生。研究[15]表明,單向軋制裂紋走向平行于軋向；交叉軋制裂紋走向為 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,且擴展路徑有效長度長,對裂紋的進一步擴展起阻滯作用。

織構上分析[16～17]表明,單向軋制得到很強的{100}＜110＞,{111}＜112＞和{112}＜110＞織構,而交叉軋制可以使旋轉立方織構{100}＜110＞得以強化,這種織構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。具體到生產中,換向點的選擇很大程度上也局限于設備上的限制,不完全按照理論來進行。此問題有待于進一步研究。

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,則軋件內部的儲存能越高,給進一步溫軋、冷軋及后續冷成型加工帶來困難。再結晶晶粒形成前,軋件在退火溫度下將發生回復。低溫回復時,點缺陷的運動使密度大大減少；中等溫和高溫回復時,位錯的運動產生多邊形化,伴隨滑移、攀移的進行,位錯密度下降,微觀組織出現亞晶粒；繼續提高溫度則發生再結晶轉變。純鉬板與鉬合金板相比再結晶溫度低,為防止晶粒粗大,其退火溫度也較低。

軋制過程中,退火處理具體表現在隨溫度的升高抗拉強度、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度和延伸率的關系圖。

圖3 退火溫度與抗拉強度和延伸率的關系圖

從圖3中可以看到,純鉬板與鉬合金板的抗拉強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性能影響的關系。一般來說,回復組織的保留可顯著提高產品的抗拉強度、延伸率等力學性能,有利于后續軋制及深加工的進行。軋制生產中應根據不同合金的特點合理制定退火工藝。

3 討論

軋制過程中,主要工藝因素決定了軋件的質量性能。生產實踐中,各工藝參數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、退火溫度關系密切；交叉軋制可明顯改善材料的各向異性,而換向點、換向次數的制定,還有待于研究；而冷軋退火溫度的選擇則要考慮其應用等。各工藝參數間并非孤立控制,在復雜的軋制過程中,應綜合考慮各工藝參數,根據實際情況合理制定工藝。

4 結束語

通過上述主要工藝因素對鉬板軋制的影響關系,結合目前鉬板加工的現狀可以發現,針對中厚鉬板軋制已進行了大量的研究；然而,隨著粉末冶金技術和軋制生產自動化技術的發展及鉬產品的廣泛應用,以鉬板軋制為先導的其他鉬深加工產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,更需要對其加工工藝進行研究。鉬板軋制工藝參數將隨著生產經驗的積累和軋制技術的發展得以優化,工藝參數的過程控制也將逐步實現智能化和自動化。

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