變形量對大規(guī)格鉬棒組織和性能的影響

熊 寧，王承陽，董 帝，常 洋，駱學(xué)廣

(1.安泰科技股份有限公司，北京100081)(2.安泰天龍鎢鉬科技有限公司, 天津 301800)

0 前 言

鉬及鉬合金由于熔點高、高溫強度高、線膨脹系數(shù)低，在航空航天、高端醫(yī)療、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來隨著高端醫(yī)療、航空航天、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展，對鉬及鉬合金棒的需求逐漸向大規(guī)格、高性能方向發(fā)展[1-6]。在醫(yī)療診斷裝備領(lǐng)域，隨著CT整機對成像質(zhì)量的要求提高，需要更高的時間分辨率，更快的CT機架轉(zhuǎn)速，對軸承的負載能力和可靠性提出了更嚴苛的要求，傳統(tǒng)的滾珠軸承已無法滿足使用要求，液態(tài)金屬軸承具有高散熱率，近零磨損、零震動，可大幅提高成像質(zhì)量，延長CT球管的壽命。液態(tài)金屬軸承套件通常采用大直徑鉬棒(直徑一般大于85 mm)加工而成，由于軸承的螺旋槽設(shè)計，尺寸加工精度要求高，加工難度大，因此對鉬棒性能要求較高。國外廠家一般采用徑向鍛造機生產(chǎn)大規(guī)格鉬棒材，徑向鍛造由于在多個方向上鍛打坯料，金屬變形處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬塑性，并且錘頭脈沖加載的頻率很高，可以有效的限制金屬的橫向流動，提高軸向延伸速率，所制備的大規(guī)格鉬棒性能優(yōu)異，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但徑向鍛造機投資較高。國內(nèi)通常采用空氣錘進行鍛造鉬棒，但空氣錘打擊力小，鍛造變形量小，大規(guī)格鉬棒材心部不能得到充分變形，性能均勻性差。本試驗采用1 000 t快速液壓鍛造設(shè)備，開展了大規(guī)格鉬棒的試制，研究了變形量對大規(guī)格鉬棒組織、力學(xué)性能以及徑向不同位置性能均勻性的影響。

1 試樣制備及檢測

大規(guī)格鉬棒采用粉末冶金法制備，鉬粉通過冷等靜壓壓制成形，壓力為200 MPa，將壓坯置于中頻氫氣感應(yīng)爐燒結(jié)，最高燒結(jié)溫度為1 950 ℃，燒坯直徑為200 mm，燒坯密度為9.86 g/cm3，其化學(xué)成分如表1所示，燒結(jié)后的鉬棒顯微組織如圖1所示，晶粒呈細小的等軸晶，平均晶粒尺寸為35 μm，但燒結(jié)坯晶粒內(nèi)部存在大量的孔隙，晶間結(jié)合力弱，晶界處較脆弱，很容易沿晶界發(fā)生脆性斷裂。

表1 鉬棒燒坯化學(xué)成分 %(質(zhì)量分數(shù))

圖1 鉬棒燒坯顯微組織

快鍛設(shè)備為1 000 t快速液壓鍛造機，采用氫氣鉬絲爐加熱，鍛造開坯溫度為1 350 ℃，鍛造總變形量分別為40%、65%、80%，鍛坯在氫氣爐中900 ℃下退火2 h。對不同鍛造變形量的鉬棒取樣分析，由于大規(guī)格鉬棒徑向不同位置性能不均勻且心部性能偏低，因此在鉬棒心部取樣比較變形量對顯微組織、硬度和室溫力學(xué)性能的影響；在鉬棒邊緣、1/2半徑和心部分別取樣，比較變形量對鉬棒徑向不同位置性能均勻性的的影響。材料的室溫拉伸性能在SANS CMT5205電子拉力試驗機上進行，檢測標準為GB/T 228.1；材料的硬度測試在維氏硬度HVS-50試驗機上進行，檢測標準為GB/T 4340.1；材料的顯微組織觀察在OLYMPUS GX51金相顯微鏡下進行，腐蝕劑為NaOH和K3Fe(CN)6的水溶液；材料的密度采用阿基米德排水法測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 變形量對鉬棒密度的影響

鉬棒密度與鍛造變形量的關(guān)系如表2所示。由表2可見：隨著鍛造變形量的增大，鉬棒的密度逐漸升高，當(dāng)變形量為40%時，棒材相對密度由96.4%增大到97.5%；變形量為65%時，棒材相對密度增大到99.4%，變形量為80%時，棒材相對密度增加到99.9%，接近鉬的理論密度10.22 g/cm3[7]。這是由于隨著變形量的增加，晶粒發(fā)生破碎、變形，孔洞壓實并逐漸閉合，逐漸致密化。

表2 變形量對鉬棒密度的影響

2.2 變形量對鉬棒心部顯微組織的影響

圖2為不同鍛造變形量對鉬棒心部顯微組織的影響。從圖2可以看出：鉬棒經(jīng)快鍛變形后，鉬燒坯的等軸晶粒逐漸沿鍛造方向拉長呈纖維狀組織。當(dāng)鍛造變形量為40%時，晶粒在外力作用下變形，孔洞得到壓實閉合，但由于變形量較小，晶粒內(nèi)部仍然存在一定孔洞，當(dāng)鍛造變形量增大到65%時，材料孔洞基本得到消除，當(dāng)鍛造變形量增大到80%時，纖維狀組織被進一步拉長且相互搭接交錯，晶間結(jié)合力較強，對裂紋的敏感性逐漸降低。

圖2 變形量對鉬棒心部顯微組織的影響

2.3 變形量對鉬棒心部硬度的影響

圖3為不同鍛造變形量對鉬棒心部硬度的影響。從圖3可以看出：經(jīng)過鍛造變形后，心部硬度得到提高。當(dāng)鍛造變形量為40%時，硬度為176 HV10，當(dāng)鍛造變形量為65%時，硬度為199 HV10，當(dāng)鍛造變形量為80%時，硬度為220 HV10。這是由于隨著鍛造變形量的增大，晶粒內(nèi)部孔隙被壓實焊合，密度不斷提高；同時鉬棒的平均晶粒尺寸不斷變小，晶粒間的結(jié)合強度得到顯著提高，由于形變強化、細晶強化等共同作用，硬度顯著得到提高。

圖3 鍛造變形量對鉬棒心部硬度的影響

2.4 變形量對鉬棒心部室溫力學(xué)性能的影響

圖4為不同鍛造變形量對鉬棒心部室溫抗拉強度、斷后伸長率的影響。從圖4可以看出：當(dāng)鍛造變形量為40%時，抗拉強度為490 MPa，斷后伸長率為3%；鍛造變形量增大到65%時，抗拉強度為550 MPa，斷后伸長率為11%，鍛造變形量增大到80%時，抗拉強度為595 MPa，斷后伸長率為20%。隨著變形量的增大，鉬棒的抗拉強度不斷增大，這是由于鍛造變形后晶粒尺寸不斷得到細化，晶界面積增加, 而晶界上雜質(zhì)和缺陷的存在以及原子的不規(guī)則排列是位錯運動的障礙，可有效阻止位錯通過，從而使材料的強度得到提高[8-10]。根據(jù)Hall-Petch公式 σs=σ0+k.d-1/2可知，晶粒的平均直徑越小，材料的強度越高；隨著變形量的增大，鉬棒的斷后伸長率也在不斷增大，這是由于在晶界上富集的間隙雜質(zhì)隨著變形量的增大，被分散到更大表面積的晶界上，有效地降低了單位界面上的間隙雜質(zhì)濃度，材料內(nèi)部晶界雜質(zhì)偏析明顯降低，塑性得到提高[11]。

圖4 鍛造變形量對鉬棒心部室溫力學(xué)性能的影響

2.5 變形量對鉬棒性能均勻性的影響

圖5(a)為不同鍛造變形量鉬棒邊緣、1/2半徑和心部位置的硬度，圖5(b)為不同鍛造變形量鉬棒邊緣、1/2半徑和心部位置的室溫抗拉強度。從圖5可以看出：當(dāng)鍛造變形量為40%時，鉬棒心部硬度為176 HV10，抗拉強度為490 MPa，1/2半徑硬度為185 HV10，抗拉強度為505 MPa，邊緣硬度為190 HV10，抗拉強度為525 MPa，邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強度值差異較大，鉬棒性能低、均勻性差。當(dāng)鍛造變形量為65%時，鉬棒心部硬度為199 HV10，抗拉強度為550 MPa，1/2半徑硬度為203 HV10，抗拉強度為567 MPa，邊緣硬度為210 HV10，抗拉強度為575 MPa，邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強度值差異得到明顯改善，鉬棒性能得到提高，均勻性較高；當(dāng)鍛造變形量為80%時，鉬棒心部硬度為220 HV10，抗拉強度為595 MPa，1/2半徑硬度為222 HV10，抗拉強度為608 MPa，邊緣硬度為225 HV10，抗拉強度為615 MPa，邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強度差異較小，性能均勻性好；這是由于當(dāng)變形量較小時，變形主要集中在邊緣，心部未得到充分變形，隨著變形量的增大，邊緣和心部均得到了充分變形，鉬棒性能均勻性得到顯著提升。

圖5 變形量對鉬棒心部、1/2半徑、邊緣性能的影響

3 結(jié) 論

(1)采用快鍛工藝制備了大規(guī)格鉬棒，隨著鍛造變形量的增大，鉬棒內(nèi)部孔隙得到了壓實，相對密度不斷增大，當(dāng)變形量達到80%時，鉬棒相對密度可達到99.9%。

(2)快鍛變形對大規(guī)格鉬棒有顯著的強化作用。鉬棒的顯微組織隨著變形量的增大被拉長成纖維狀組織，心部硬度、抗拉強度和斷后伸長率均得到了大幅提升。鍛造變形量為80%時，鉬棒心部硬度為220 HV10，抗拉強度為595 MPa，斷后伸長率為22%。

(3)采用1 000 t快速液壓鍛造設(shè)備，當(dāng)鍛造變形量達到80%以上時可獲得邊緣、1/2半徑、心部等不同部位性能均勻的大規(guī)格鉬棒，滿足高端CT球管液態(tài)金屬軸承使用需求。