鉬絲抗拉強度影響因素分析

李 晶,安 耿,劉仁智,付靜波,卜春陽

（金堆城鉬業股份有限公司技術中心,陜西 西安 710077）

0 前言

鉬是一種難熔金屬,具有很多優良的物理化學機械性能。鉬的熔點為2 620℃。由于原子間結合力極強,所以在常溫和高溫下強度均非常高[1]。鉬絲有良好的導電和高溫性能,特別是與玻璃的熱膨脹系數相近,廣泛用于制造燈泡中的芯線、引出線、掛鉤、支架、邊桿及其他部件；鉬絲是理想的電火花線切割機床用電極絲,可切割各種鋼材和硬質合金,加工形狀極為復雜的零件,放電穩定,表面精度高[2]。

真空電子器件用鉬絲 （如顯像管中電子槍用芯線鉬絲）和電火花線切割機床用電極鉬絲,因使用條件的精密度及可靠性要求高,故對其質量和性能要求頗為嚴格,應有較大的延伸率和較高的抗拉強度,且尺寸偏差的允許范圍≤1.0％[3]。因此,提高鉬絲的抗拉強度及鉬絲質量,延長線切割鉬絲的使用壽命十分重要。

1 實驗過程

選用4個批號的鉬粉,理化性能指標見表 1,鉬粉形貌見圖 1。4個批號的鉬粉經過等靜壓壓制、燒結成 φ17 mm鉬棒坯。壓制壓力為 180 M Pa,保壓時間 10 m in；壓制好的鉬桿經 1 880℃中頻燒結25 h；隨后經過軋制和旋鍛 2種開坯方式加工出鉬桿,最后拉絲成 φ0.18 mm鉬絲。

對加工出的鉬絲進行拉伸實驗,對比不同粒度、不同開坯方式、不同鉬粉形貌加工出的鉬絲力學性能,分析鉬絲抗拉強度和延伸率的影響因素。

1#、2#鉬粉的費氏粒度接近,3#、4#鉬粉的費氏粒度接近。4個批號的鉬粉采用旋鍛、軋制開坯 2種方式加工出鉬絲。

圖1 鉬粉掃描電鏡照片

1#鉬粉費氏粒度最小,形貌多為球形顆粒,大小不均勻,低倍數 （200×）下有些團聚現象。2#鉬粉顆粒大小較均勻,多為單顆粒形貌,低倍數 （200×）下也比較均勻。3#鉬粉顆粒大小不均勻,較小的顆粒為球形形貌,較大的顆粒為單顆粒形貌,低倍數下（200×）有少量團聚。4#鉬粉顆粒較大,多為單顆粒形貌,低倍數（200×）下顆粒分布均勻,無團聚現象。

2 實驗結果與分析

對加工出的4個批號φ0.18 mm鉬絲進行力學性能檢測,采用旋鍛開坯方式加工出的鉬絲力學性能檢測結果見表 2。

表2 鉬絲抗拉強度和延伸率

根據表 2的實驗結果,3#-1的抗拉強度最低, 2#-1的抗拉強度最高。

采用軋制開坯方式加工出的鉬絲力學性能檢測結果見表3。

表3 鉬絲抗拉強度和延伸率

根據表 3的實驗結果,3#-2的抗拉強度最低, 2#-2的抗拉強度最高。

2.1 鉬粉費氏粒度對鉬絲力學性能的影響

在同等實驗條件下,鉬絲抗拉強度與鉬粉費氏粒度的關系如圖 2所示。（a）為采用旋鍛開坯方式加工出的鉬絲與鉬粉費氏粒度的關系曲線圖,（b）為采用軋制開坯方式加工出的鉬絲與鉬粉費氏粒度的關系曲線圖。

圖2 鉬粉費氏粒度與鉬絲抗拉強度的關系

從圖 2中可以看出,無論采用旋鍛開坯方式還是軋制開坯方式加工出的鉬絲,其抗拉強度與原鉬粉的費氏粒度不存在線性關系。但是,從圖中可以看出,費氏粒度為 3.0μm的鉬粉,具有最大的抗拉強度。對應于鉬粉的形貌（圖 1）分析,1#、3#鉬粉的形貌都存在顆粒團聚現象,2#、4#鉬粉的顆粒大小均勻。從這一點來看,2#、4#鉬絲的抗拉強度比 1#、3#鉬絲的抗拉強度高。因此,對于同樣形貌的鉬粉來說,隨著鉬粉費氏粒度的減小,鉬絲的抗拉強度增大。

在通常溫度下,晶粒越細,標志著晶界面積越大、強度越高,因而變形多集中在晶內且分散在很多的小晶粒內進行,使變形比較均勻。這樣變形時所造成的應力集中就小些,集中的應力也比較容易得到松弛,從而使在斷裂前能進行較大的變形,故表現出較高的塑性。因此,鉬粉的顆粒越小,則晶界越多,常溫強度和硬度就越高,表現出的塑性也越好。所以,鉬粉費氏粒度越小,加工出的鉬絲力學性能越好。

2.2 開坯方式對鉬絲力學性能的影響

從表 2、表 3可以看出,1#-2比 1#-1的抗拉強度高,2#-2比 2#-1的抗拉強度高,3#-2比 3#-1的抗拉強度高,4#-2比 4#-1的抗拉強度高。也就是說,對于同一個批號的鉬絲來說,采用軋制開坯方式加工出的鉬絲抗拉強度比用旋鍛開坯方式加工出的鉬絲抗拉強度高。

有些文獻[3～5]已經在開坯方式對鉬絲性能的影響方面做了一些研究,認為采用軋制開坯其變形量大,可以提高材料的力學性能和內部質量。同時,鉬絲的抗拉強度和延伸率較高,綜合力學性能良好。

軋制加工時,材料的變形程度大,再結晶開始與終了溫度有所降低,晶粒變細；同時在一定的工具速度下,變形程度的提高也引起變形速度的提高。變形程度與變形速度的變化,又同時影響變形溫度的變化,從而影響到硬化與軟化的效果,它又影響變形形式的變化,這些都使金屬組織發生變化,從而影響金屬性能。

旋鍛加工時,一般材料斷面上的硬度和抗拉強度是由中心層向表面層逐漸增大,特別在道次壓縮率較小、道次數增多時更加明顯。因此,在材料的表面層易形成具有很發達的纖維組織的硬外殼。這個硬外殼不僅硬,而且質脆,使材料的加工性能變壞。在旋鍛加工時,金屬的變形和組織的不均勻,必然會引起材料橫斷面上的性能分布也是不均勻的。

因此,在相同的拉絲工藝條件下,軋制加工出的鉬絲力學性能比旋鍛加工出的鉬絲力學性能好。

2.3 鉬粉形貌對鉬絲力學性能的影響

對比圖 1的掃描電鏡照片可以看出,2#和 4#的鉬粉為單顆粒形貌,團聚體非常少；而 1#和 3#的鉬粉有多種團聚體出現。對應于加工出的鉬絲,無論采用哪種開坯方式,2#、4#的鉬絲比 1#、3#的鉬絲抗拉強度高。說明顆粒大小均勻、且無團聚的鉬粉,加工出的鉬絲具有較高的抗拉強度。

在金屬壓力加工中,由于鉬粉顆粒大小的不均勻性,造成晶粒的不均勻。晶粒的不均勻性、晶粒的取向和晶界對硬化的影響也是比較大的,尤其是晶界阻礙位錯的滑移造成的影響更甚。晶體在塑性變形中產生應力與變形的不均勻分布,也可以由各晶粒所受的應力圖示不同和晶粒的大小不同所造成。當晶體中各個晶粒的大小不同時,其各個晶粒的變形抗力便有所不同,這樣也會加強應力與變形的分布不均。晶粒大小的差別越大,應力與變形分布的不均勻程度就越大。

顆粒大小不均勻的鉬粉,表現出晶體變形的不均勻性,這種不均勻性不僅表現在各個晶粒之間,而且在同一晶粒的各個部分也表現出差異；顯然這種變形發展的不均勻性,是由于不同晶粒在空間取向不同所致。這種晶粒間受到的不均勻應力,必然造成晶體的變形不均勻。此外,當晶體各晶粒的機械性能,如屈服強度不同時,在外力作用下將產生不同的變形程度,造成晶體的變形不均勻。

因此,具有顆粒大小均勻、無團聚的鉬粉,加工出的鉬絲力學性能優良。

3 結論

通過對鉬絲力學性能的研究,認為鉬粉的理化性能指標、壓力加工工藝等對鉬絲有一定的影響。在生產鉬絲的過程中,如果要得到抗拉強度高的鉬絲,須嚴格按照生產工藝,控制各個影響因素,就可以得到理想的鉬絲。本文在前人研究的基礎上,選用了幾種有代表性的鉬粉進行加工,找出了提高鉬絲抗拉強度的一些因素,得出以下結論：

（1）具有同樣形貌的鉬粉,鉬粉的費氏粒度越小,加工出的鉬絲抗拉強度越高。

（2）軋制開坯方式有利于鉬絲抗拉強度的增高。

（3）顆粒大小均勻、無團聚的鉬粉,加工出的鉬絲抗拉強度高。

[1]羅振中,楊曉青,廖利波.國內鉬冶煉及加工技術最新進展[J].中國鉬業,2008,32（1）：14-18.

[2]羅振中.鉬的應用及其發展[J].中國鉬業,2003,27（2）：7-10.

[3]詹志洪.鉬絲質量的影響因素分析及工藝改進措施[J].中國鉬業,2006,30（2）：28-31.

[4]李惠萍.開坯方法對鉬棒、絲材組織性能的影響[J].稀有金屬快報,2004,23（10）：28-30.

[5]薛康營.軋制 -拉伸與旋鍛 -拉伸加工工藝的對比分析研究[J].中國鉬業,2000,24（3）：38-43.