鉬粉微觀組織對鉬加工制品性能的影響

楊政偉

(金堆城鉬業股份有限公司金屬分公司，陜西 西安 710077)

鉬粉作為鉬絲、鉬板及各種鉬異型件的原料，其微觀組織和物化性能在很大程度上影響著這些鉬加工制品的使用性能和產品質量［1－3］。國內鉬粉普遍的微觀組織表現為粒度大小不均勻、團聚現象嚴重、顆粒分散性差、粒度分布較寬等。這些微觀組織的存在會使得鉬粉經后續壓制燒結后形成的坯料在組織均勻性和晶粒度上表現得不夠理想，甚至會形成孔洞、裂紋等缺陷，進而在后續的軋制、旋鍛、拉伸等壓力加工過程中出現坯錠分層、起皮、開裂等現象，嚴重影響加工制品的產品質量和成品率［4－6］。為了進一步了解鉬粉微觀組織對鉬加工制品性能的影響，本文分別選用特制的鉬粉和普通的鉬粉，經同樣的工藝加工成鉬絲和鉬板產品，然后通過物化性能的檢測，對比分析了鉬制品加工中原料鉬粉微觀組織對其產品性能和質量的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗原料

實驗選用的原料分別為特制鉬粉(文中記為TM)和普通鉬粉(文中記為PM)，這兩種鉬粉的SEM 照片見圖1，粒度分布見圖2。

可以看出，特制TM 鉬粉的顆粒大小均勻且大多以單顆粒形式存在，無明顯的團聚塊出現，顆粒表現出很好的分散性。而相比之下，普通PM 鉬粉的顆粒大小不均勻，大小顆粒交互存在，其中小的鉬粉顆粒基本以團聚體存在，且小顆粒之間出現燒結頸。低倍數的SEM 照片顯示出整體的鉬粉顆粒大多以尺寸較大的團聚塊形式存在。而從兩種鉬粉的粒度分布上來看，TM 鉬粉的粒度分布明顯要窄于PM鉬粉。

這兩種鉬粉的理化指標見表1。

圖1 實驗用兩種鉬粉微觀組織的SEM 照片

圖2 實驗用兩種鉬粉的粒度分布圖

表1 實驗用兩種鉬粉的理化性能指標

1.2 加工過程

將TM 鉬粉和PM 鉬粉采用相同的加工工藝分別加工成鉬絲和鉬板產品。

在鉬絲的制備過程中，先將這兩種鉬粉經壓制、燒結成Φ17 mm 鉬棒坯，經旋鍛開坯后，經拉絲機拉制成Φ0.18 mm 鉬絲。為了便于表述，TM 和PM 粉制成的鉬絲分別標記為TMS 和PMS，鉬板的制備是將兩種不同形貌鉬粉經壓制、燒結成1 kg 鉬板坯，然后將制成的鉬板坯分別單向軋制成0.5 mm 厚鉬板和交叉軋制成0.2 mm 厚鉬片。兩種鉬粉制成的不同板材分別標記為TM5 和PM5、TM2 和PM2。

1.3 分析檢測

鉬粉的形貌、鉬棒坯的燒結組織及鉬絲的斷口形貌通過HITACH S－3400 掃描電鏡觀察，鉬粉的粒度分布利用馬爾文Mastersizer2000 激光粒度分布儀測量，金相組織在光學顯微鏡下觀察，鉬絲和鉬板的室溫力學性能在XJ838 金屬材料試驗機上測試，鉬板的高溫力學性能測試通過Gleeble 熱模擬試驗機進行。

2 實驗結果

2.1 鉬絲實驗結果

圖3 是兩種鉬粉經壓制燒結后制備的鉬棒坯的SEM 照片。

圖3 兩種鉬粉燒結成的鉬棒坯的SEM 照片

從圖3 可以看出，TM 粉燒結棒坯組織致密，晶粒大小均勻，晶界結合緊密;相比之下，PM 粉燒結的棒坯則晶粒大小相對不均，晶界上有微裂紋存在，而且存在相對較多的燒結孔。

表2 給出了兩種鉬粉加工成Φ0.18 mm 鉬絲的成品率和各加工階段鉬絲的力學性能。可以看出，兩種鉬粉加工成Φ0.18 mm 鉬絲后TMS 的的成品率要高于PMS，而且在加工的各階段，TMS 的抗拉強度均高于PMS，延伸率則相對低于PMS。

表2 鉬絲的成品率和力學性能

在拉絲過程中，PMS 斷絲現象比較嚴重，圖4 是PMS 絲的斷口形貌。可以看出，斷口為脆性斷裂，主要斷裂形式為沿晶斷裂和穿晶斷裂。

圖4 PMS 絲的斷口SEM 照片

2.2 鉬板實驗結果

圖5 是燒結鉬板坯的金相照片。同樣可以看出，TM 粉燒結板坯晶粒大小相對均勻，燒結孔數量少。而PM 粉燒結板坯燒結孔較多，且晶粒大小不均勻。

圖5 燒結鉬板坯的金相照片

圖6 是兩種鉬粉經單向軋制的0.5 mm 厚鉬板不同溫度下的的高溫屈服強度和抗拉強度曲線圖。從圖中可以看出，在同樣的溫度下，TM5 鉬板的抗拉強度和屈服強度均高于PM5 鉬板，雖然1 000 ℃后隨著溫度的升高二者的強度差值逐漸縮小，但總體來看，TM5 鉬板相比PM5 鉬板具有更好的高溫強度。

圖6 TM5 和PM5 鉬板的高溫屈服強度和抗拉強度曲線圖

表3 給出了兩種鉬粉經交叉軋制成0.2 mm 厚鉬板后鉬板的室溫力學性能。而0.2 mm 厚鉬板之所以采用交叉軋制的方式，目的是為了盡量減少成品鉬板的各項異性，從而提高后續深拉及沖壓成形的成品率和產品質量。

表3 中IPA 表示各向異性值，其計算公式為:

式中:Imax、Imin及Imid分別表示軋制方向、垂直軋制方向、與軋制方向成45°的方向上的強度值或者斷后伸長率值中的最大值、最小值及中間值。IPA值越大，表示材料的各向異性越明顯。

表3 兩種鉬粉軋制成0.2 mm 鉬板的室溫力學性能

從表3 中可以看出，經過交叉軋制后，PM2 鉬板的表面硬度值小于TM2 鉬板。TM2 鉬板的杯突值高于PM2 鉬板，而且其橫縱向的抗拉強度、屈服強度及斷后延伸率的差值也小于PM2 鉬板，這三種力學性能的各項異性IPA 值也都低于PM2 鉬板。這說明相比PM2 鉬板，TM2 鉬板表現出了更好的各向同性，因此更適用于制備拉伸沖壓鉬元件制品。

3 分析與討論

利用TM 鉬粉和PM 鉬粉分別加工成鉬絲和鉬板制品，從加工過程和性能測試結果來看，相比PM鉬粉，TM 鉬粉制備的鉬絲表現出了較高的成品率和室溫力學性能，鉬板則具有更為良好的力學性能、優異的高溫性能以及較好的各向同性性能。究其原因，就在于鉬粉本身的微觀形貌組織的差異。

PM 鉬粉的顆粒大小不均勻，而且小顆粒團聚較為嚴重，較大的顆粒形貌為單顆粒，較小的顆粒形貌為球形，且有小顆粒聚集的緊密型葡萄體顆粒存在。這種鉬粉壓制燒結成棒坯后，顆粒之間容易形成拱橋效應［7］，因此形成的棒坯和板坯的組織不均勻，晶界容易出現裂紋。此外，由于鉬粉顆粒大小的不均勻性以及團聚顆粒的存在，在后續的燒結過程中，因為大顆粒和小顆粒所需的燒結能量不一樣，因此在同樣的燒結能量下晶粒生長趨勢也不一致，造成燒結板坯晶粒的大小不均勻。而顆粒的團聚導致團聚體的表面能下降，燒結活性降低，導致團聚態粉末相對周圍顆粒燒結滯后，形成“周圍優先燒結”局面，當滯后燒結的團聚態粉體開始啟動燒結時，周邊已經形成相對致密“墻”，致使揮發雜質氣體無法排除，形成較多氣孔［8］。

在棒坯的拉伸階段，隨著金屬向模孔中運動和拉應力增加，中心部分存在的氣孔、微裂紋等會在金屬的中心部分出現裂紋核。裂紋核形成后，在應力集中和拉應力的作用下，斷裂過程便進入了裂紋擴展階段。而裂紋擴展遵循著能量消耗最小的原理，即裂紋的擴展總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進行。由于離開中心處的金屬流速落后，故使兩個斷裂面形成頂部朝向拉伸方向的錐形。由于晶界具有較高的位錯密度，因此，晶界當然是裂紋最容易擴展的路徑之一。隨著拉伸的繼續進行，絲材沿著錐形裂紋發生斷裂。

再就是晶粒大小的不均勻以及較多燒結孔洞的存在也會導致晶體在塑性變形中產生應力與變形的不均勻分布。晶粒大小的差別越大，孔洞越多，應力與變形分布的不均勻程度就越大。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，從而影響其后續拉伸和軋制加工過程的加工性能及最終成品的力學性能。

而相比之下，TM 粉顆粒大小均勻、分散性好，在后續的燒結過程中，由于顆粒大小均勻，基本無團聚體存在，燒結所需能量趨于一致，因此燒結組織的晶粒大小也相對均勻，晶粒組織也結合緊密。在進一步的塑性變形中，晶粒所受的應力均勻分布，變形程度也趨于一致，因此無論在單向軋制還是在交叉軋制過程中，晶粒受力分布及變形程度差異相對很小，體現出較好的“凝聚力”，表現出更好的變形一致性，這也就是其加工制品無論是鉬絲還是鉬板，都相對PM 粉表現出了較好的加工性能和較高的力學性能。

4 結 論

分別選用特制的鉬粉和普通的鉬粉，經同樣的工藝分別加工成鉬絲和鉬板產品，通過加工過程和性能測試的結果對比，表明鉬粉的微觀組織對鉬加工制品性能有著很大的影響。相比顆粒大小不均勻、團聚較為嚴重、粒度分布較寬的鉬粉，顆粒大小均勻、分散性好、無團聚、粒度分布窄的鉬粉可在很大程度上提高燒結板坯的質量，其制備的鉬絲表現出了較高的成品率和室溫力學性能，鉬板則具有更為良好的力學性能、優異的高溫性能以及較好的各向同性性能。

［1］ 王引婷，劉仁智. 鉬粉形貌特征對燒結制品的影響分析［J］.中國鉬業，2008，32(5):7－10.

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［3］ 李 晶，安 耿，劉仁智，等. 鉬絲抗拉強度影響因素分析［J］.中國鉬業.2010，34(2):49－52.

［4］ 繆 兵，羅振中，呂祥明. 小鉬板坯深加工中麻點產生原因［J］.中國鉬業，2006，30(5):39－41.

［5］ 徐志昌，張 萍. 微細鉬粉的團聚及其對鉬絲加工的影響［J］.中國鉬業，2001，25(6):29－33.

［6］ 劉仁智，安 耿，李 晶，等.不同粒度的鉬粉對板材組織的影響［J］.中國鉬業，2010，34(5):47－51.

［7］ 劉仁智，安 耿，付靜波，等. 燒結鉬板坯中裂縫的形成初探［J］.中國鉬業，2009，33(2):38－41.

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