鉭粉物理性能對鉭棒燒結效果的影響

馬建政，解永旭，韓 鵬，崔新民

（寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

鉭金屬具有較高的熔點、熱導率以及電阻率，因此鉭被大量應用于粉末冶金工業中。可以制備電容器級鉭絲、電子元件用靶材、工業加熱爐用元器件等的原材料。而電容器級鉭絲的原材料-坯料，就是通過鉭粉經冷等靜壓成型、垂熔燒結制得，在這個加工過程中，由于鉭粉顆粒的物理性質差異，不但會影響到坯料的除雜過程，而且會影響到坯料燒結后密度、硬度等參數，進而會影響到后續鉭絲的物理、化學、電學等各項性能[1]。

鉭棒真空垂熔燒結法是將成型壓制好的鉭棒坯條固定在真空垂熔爐的上下電極之間，使高電流直接流過坯料，由坯料本身電阻產生熱量，從而使鉭棒獲得較高的純度，并具有一定的物理、機械性能的致密金屬的方法。它和粉末成型工序有機結合起來，統稱粉末冶金法。而燒結后鉭棒的密度、表面光潔度及內部晶粒的生長情況對后續鉭棒加工成鉭絲的力學性能、電物理性能影響較大，通過對相同類型不同粒徑鉭粉成型后的鉭棒進行燒結效果對比，探尋鉭粉性能對燒結效果的影響規律。

1 實驗方法

本試驗采用同一批次的冶金級鉭粉，經過粗、細兩種不同篩目的篩分制粉處理，制備成兩種試驗原料。表1是兩種鉭粉的化學雜質分析對照表，表2是兩種鉭粉松裝密度、平均粒徑、篩分析對比。分別將試驗原料裝入乳膠包套，經冷等靜壓，制出粗細均勻、長度一致、具有一定壓實密度的鉭坯料。將兩種鉭棒坯料裝入垂熔燒結爐進行燒結，燒結后的鉭棒利用阿基米德方法測試其密度，并在鉭棒橫截面出取樣，分別取晶相和化學雜質分析的樣品；采用德國進口的Leica MM3型金相顯微鏡進行微觀金相組織分析，并用Tecnai G2 20ST型透射電鏡（TEM）作微區化學雜質分析。用以研究微區的化學成份、表面形貌和結構特征等。

圖1 兩種鉭粉的形貌照片

2 試驗結果及討論

2.1 鉭粉平均粒徑對燒結后鉭棒密度的影響

對兩種鉭粉燒結后鉭棒的密度進行測試見圖2，可以看出：經過細篩孔的鉭粉鉭棒燒結后的密度明顯比過粗篩孔的要高，這是因為顆粒較細的鉭粉平均粒徑較小，見表2，在燒結過程中，原子與原子之間的接觸比大粒徑的鉭粉更容易，在同樣燒結條件下，原子與原子之間更容易結合。另外，鉭粉顆粒越大，原子之間的空隙越大，這種空隙一方面容易造成氣體雜質的保留，另一方面不利于原子之間的結合。一旦這種空隙在燒結結束后沒有密閉，燒結坯料的內部結構會出現原子不規則排列，從而表現出密度偏低的情況。此外如果鉭粉顆粒小，再加之成型擠壓的原因使粉末之間產生的應力也較大，因此坯條中處于比較高活性狀態的原子較多，粉末貯存的表面能就越高，就越易于燒結。但鉭粉過細也會帶來夾心、斷料等問題[2]。

表1 兩種鉭粉的化學雜質分析（單位：ppm）

表2 兩種鉭粉松裝密度、平均粒徑、篩分析對比

圖2 兩種鉭粉燒結后鉭棒的密度

2.2 鉭粉平均粒徑對燒結后鉭棒化學雜質的影響

鉭粉過細篩孔比過粗篩孔粒徑更小，見圖1，這兩種鉭粉制得的鉭棒燒后表面差別很大，過細篩孔比過粗篩孔的鉭粉燒結后鉭棒表面更光潔，分析其中的化學雜質含量，見表3。

表3 兩種鉭棒化雜成分對比（單位：ppm）

由于過細篩孔的鉭粉比過粗篩孔鉭粉顆粒細，鉭粉顆粒具有更大的比表面，因此其表面活性更強，所以在降氧、酸水洗等精細處理中更易吸氧，從表1可見細粒徑的鉭粉含氧量較粗粒徑鉭粉高，而其它雜質含量區別不大。鉭棒經過高溫真空垂熔燒結后對比兩種鉭棒的化學雜質，由表3可見鉭棒含氧量含量已無太大差別，這是由于真空垂熔燒結溫度很高，接近鉭的熔點，鉭粉制粉過程中吸附的氧能以CO2及低價氧化物的形式揮發，只要燒結溫度、真空度及燒結時間等條件滿足，脫氧可連續進行，就可使鉭棒中的氧含量降到很低的程度[2]。

2.3 鉭粉平均粒徑對燒結后鉭棒微觀性能的影響

對上述方法燒結的鉭棒進行晶相檢測分析（圖3），眾所周知，粉末冶金法制得的金屬坯料，其微觀組織表現在其晶粒大小上[3]，鉭棒燒結質量的充分與否，其晶相結構表現的非常直觀，經過細篩孔的鉭粉所制的鉭棒燒結后晶粒生長得更充分，晶界更明顯，晶粒也較大。這是因為，鉭粉顆粒越小，其表面活性越強[4]。在同樣條件下，原子之間的結合力越強，消除原子間的抗變形能力就越強，因此晶核形成更早，在同樣的保溫時間下，晶粒的長大越快，而顆粒較大的鉭粉，在燒結時，一方面要排除顆粒間較大空隙造成的變形應力，一方面除去空隙間雜質形成的抑制晶粒長大的應力，所以其晶粒長大緩慢，這也從微觀角度印證了細粒徑鉭粉壓制的鉭棒表面能更高，因此燒結效果更好。

圖3 燒結鉭棒的晶相分析

3 結論

（1）鉭粉的粒徑越細，顆粒之間的空隙就越小，顆粒結合得更緊密，坯料表面的顆粒具有較小的間距和峰谷，制得的鉭棒表面越光潔。

（2）鉭粉粒徑越細制得的鉭棒燒結密度就較高，因為更細的鉭粉顆粒，分散的比表面積就相對越大，壓坯時粉末之間產生的應力也較大，坯條中處于比較高活性狀態的原子較多，粉末貯存的表面能就越高，因而就越易于燒結。但鉭粉過細也會帶來夾心、斷料等問題。

（3）鉭粉的粒徑越小，更容易吸氧，但這種氧都是以游離態單質氧存在，在后續真空燒結過程中能有效除去。

（4）鉭粉粒徑大小也會影響到燒結時鉭棒內部晶粒的生長，鉭粉粒徑越細、鉭棒晶粒生長得更充分，晶界更明顯，晶粒也較大。