不同燒結方式的鉬板坯性能比較分析

張常樂

（金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077）

0 前言

燒結就是將粉末壓坯加熱到一定溫度（燒結溫度）并保持一定的時間（保溫時間），然后冷卻下來，從而得到所需性能的材料，這種熱處理工藝叫做燒結。

對于現在的粉末冶金產品的燒結主要分為中頻燒結、真空燒結和目前的新技術微波燒結。

中頻感應燒結是一種將工頻50 Hz交流電轉變為中頻（300～10 000 Hz）的電源裝置，配上感應圈及補償電容器，應用電磁感應原理的加熱設備，廣泛用于金屬行業的熔煉、加熱。爐溫高達2 200℃，可完全滿足各種材料的燒結。

真空燒結爐是在真空氣氛中對被加熱物品進行保護性燒結的爐子，其加熱方式比較多，如電阻加熱、感應加熱等。真空感應爐是利用感應加熱對被加熱物品進行保護性燒結的爐子，真空感應鎢燒結爐是在抽真空后充氫氣保護狀態下，利用中頻感應加熱的原理，使處于線圈內的鎢坩堝產生高溫，通過熱輻射傳導到工件上，適用于科研、軍工單位對難熔合金如鎢、鉬及其合金的粉末成型燒結。電阻式的真空加熱爐，對被加熱物體抽真空后，采用石墨、陶瓷或鎢鉬材料作為發熱體進行加熱，通過熱輻射傳導到需要燒結的工件上，加熱溫度可達到2 200℃左右。

微波是波長為1.0～0.001 m，頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波。微波是能量傳輸的載體，處于微波場中的材料與微波耦合，吸收微波能量轉化為熱能，其自身加熱的現象稱為微波加熱。微波高溫技術是指微波加熱溫度大于400℃，由材料本身的微波特性和熱動力性能決定的加熱過程，排除了水和其他溶劑的影響。微波高溫技術的處理對象主要是材料本身，要求具有精確的控制要求、復雜的保溫結構設計及高穩定的微波功率輸出。微波加熱升溫速度塊，加熱周期大幅度縮短，可大量節約電能40％～80％。微波能的應用主要是快速加熱、顯著節能；可使材料致密化及細化晶粒；具有降低反應溫度及選擇性加熱；誘導或強化催化及安全潔凈舒適的作用；應用前景非常良好。

按照實驗設計的方案，我方采用金鉬股份金屬分公司模壓純鉬精板坯，在長沙隆態微波熱工有限公司和湖南頂立科技有限公司分別進行了微波燒結、石墨坩堝真空中頻燒結、鎢坩堝通氫中頻燒結等3種燒結試驗，并對燒結試樣進行了物理、化學、力學性能和內部組織等全面檢測，比較分析了3種燒結方式的鉬精板的質量指標。

2 所制定的燒結工藝

根據實驗要求及時間的關系，我們主要進行了試樣在高溫時的燒結，最終的燒結溫度決定制品的性能，低溫時的曲線工藝暫時未考慮。根據平時的實際操作經驗來看，選定石墨坩堝真空中頻燒結和鎢坩堝通氫中頻燒結，爐的最高溫度定為1 950℃；微波燒結由于保溫材料及微波的特點，最高溫度定為1 600℃。根據這個工藝進行了如下的實驗。

2.1 微波燒結工藝

燒結氣氛：氬90％+氫10％

燒結工藝：1 600℃×1 h（試樣記為a－1）

1 600℃×2 h（試樣記為a－2）

2.2 石墨坩堝真空中頻燒結

燒結工藝：1 950℃×2 h（試樣記為b），加熱體是石墨，爐子的真空度可達到1×10－2Pa，在真空狀態下燒結。

2.3 鎢坩堝通氫中頻燒結爐

燒結工藝：1 950℃×2 h（試樣記為c），通入的氣氛為氫氣，在氫氣氣氛下進行中頻感應燒結。

3 鉬精板的物理、化學性能分析

3.1 化學成分

表1 燒結板坯的化學成分 mg/kg

分析表1，可以看出以下幾點：

（1）微波燒結的除雜效果不夠理想，一是非金屬雜質（C、O）含量遠大于真空燒結和鎢坩堝氣氛燒結，且超過企標要求，這是燒結氣氛無法達到完全的還原氣氛所致；二是部分金屬雜質（Fe、Ca、半金屬Si）含量甚至超過鉬粉的雜質含量，說明燒結過程鉬壓坯受到坩堝的污染。

（2）石墨坩堝真空燒結的大部分化學成分均符合企標要求。Fe含量超標是由于石墨坩堝的材質導致（石墨坩堝本身材質為C，為提高坩堝強度，加入部分鋼砂等金屬元素）。O含量（0.005％）稍大于企標上限（0.003％），與燒結時間較短，O元素揮發不充分有關。

（3）鎢坩堝中頻燒結保證了良好的還原氣氛，燒結件的化學成分優于其他兩種燒結方式。從原理上講，該燒結工藝與金堆城現有燒結方式、設備基本相同，不應出現部分元素不合格的問題。本次試驗中，C、O、Fe元素不合格可能與試驗設備長期燒結W、WC等產品而導致坩堝污染有關。

3.2 物理性能

3.3 顯微組織

分析這3種燒結試樣的硬度、密度和顯微組織，可以看出：

（1）微波燒結板坯密度遠未達到企標要求，從顯微組織照片可以看出，兩種微波燒結工藝的板坯均未形成明顯的晶體狀態，即燒結行為不夠完全，尚處于發生了部分燒結頸的初步燒結階段。這種現象并不能否定微波燒結方法的可行性，可能與燒結溫度較低、燒結時間較短等燒結工藝不當有關，a－2試樣的硬度和密度高于a－1試樣也驗證了這一點。

（2）石墨坩堝真空燒結的試樣密度可達到企標要求。從顯微組織照片看，石墨坩堝真空燒結試樣的晶粒較細，晶粒度可達3級，燒結試樣密度較小主要可能是因燒結時間較短及燒結工藝不完善所致。

圖4 鎢坩堝通氫燒結c試樣組織

（3）鎢坩堝通氫燒結試樣密度也可達到企標要求，鎢坩堝通氫燒結的晶粒度可達4級。試樣密度基本達到要求，與我們現行工藝基本一致。

4 結果與討論

（1）微波燒結試樣的物理、化學、顯微組織均不理想，說明微波燒結的氣氛問題是制約其應用推廣的瓶頸，同時需要對其燒結工藝進行全面的試驗研究，解決爐體的氣氛問題后方可繼續進行試驗。但微波燒結的確可以大量節約能源、降低燒結溫度來實現燒結。

（2）石墨坩堝真空燒結可達到預期的燒結效果，晶粒細小，密度適當，硬度較小，這種燒結方式可作為粗制坯料的低成本燒結方法。元素超標問題可通過更換為鎢坩堝的方法來解決；燒結氣氛采用真空來實現，不用消耗氫氣，以降低燒結成本，在此基礎上繼續試驗，工藝穩定后也可考慮進行批量化生產。

（3）鎢坩堝通氫中頻燒結與我們現行燒結方式基本一致，制品可達到要求，可進行批量化生產。

［1］ 黃培云.粉末冶金原理［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

［2］ 浩宏奇，喬冠軍.粉末冶金原理及材料［M］.西安：西安交通大學出版社，1993.

［3］ 楊宇鋒.鉬和鉬合金深加工技術進展［J］.中國鉬業，2001，25（4）：34-37.

［4］ 都業志，張相一，孫院軍.TZM合金中第二相組織行為分析與控制［J］.稀有金屬材料與工程，2002，31（增2）：115-118.