孫紅鐿，呂端劍，李 威，姜艷威

(1.哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040;2.哈爾濱學(xué)院科研處，哈爾濱 150086)

鎢屬稀有金屬，其資源少、價(jià)格高、用量大［1］.鎢合金以其含鎢≥90%，比重≥16.5kg/cm而被稱為高比重合金.高比重鎢合金以其獨(dú)有的力學(xué)性能和加工性能，受到國防和其他科技領(lǐng)域的青睞.國內(nèi)外學(xué)者對鎢合金工藝做了大量的研究，通過工藝的改進(jìn)，改善鎢合金的微觀結(jié)構(gòu)，從而改進(jìn)了合金的性能.

然而鎢合金性能對雜質(zhì)、微觀組織、工藝參數(shù)的控制卻很敏感.在燒結(jié)工藝方面，如燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度和燒結(jié)后處理等相關(guān)參數(shù)直接或間接影響著鎢合金的性能質(zhì)量.而且在不同的真空處理下，室溫拉伸性能指標(biāo)σb、δ、及其斷裂韌性值K1c都有一定的影響.而熱處理工藝上，一些學(xué)者認(rèn)為合金性能的改善主要是由于雜質(zhì)的分布發(fā)生了變化，氫含量降低等原因造成.然而在合金的傳統(tǒng)的熱處理過程中卻受到很多因素的影響，而且因素由于實(shí)驗(yàn)條件的影響很難準(zhǔn)確控制.本文將提出了新型的改善合金組織性能的手段，真空電脈沖處理的方法來改善鎢合金的力學(xué)性能，尤其是在塑性方面有了一定的提高.通過對電流(A)、頻率(Hz)、脈沖寬度(μs)、時(shí)間(min)等方面的控制和調(diào)節(jié)使鎢合金性能達(dá)到預(yù)期的改善，并從微觀機(jī)理出發(fā)探討電脈沖對高比重合金力學(xué)性能的影響.探索高密度電脈沖處理對高比重合金完善和彌補(bǔ)傳統(tǒng)熱效應(yīng)處理一些缺陷的新方法.

1 真空下脈沖處理工藝實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在已有的電脈沖實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，由于材料在為真空環(huán)境下，在合金高溫?zé)崽幚頃r(shí)力學(xué)性能σb、δ、受到影響很大，其低于真空環(huán)境下，故將實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料連接處加設(shè)了真空玻璃管.而脈沖電源是高密度脈沖電源處理工藝中最關(guān)鍵裝置.針對現(xiàn)有的脈沖處理試驗(yàn)設(shè)備來說，其可控脈沖電流為:電流密度(50～6000 A/mm2)、電流脈沖寬度(10～100 μs)和頻率(10～1000 Hz)，可滿足不同種類金屬以及鎢合金的線形(或帶形)材料的脈沖處理工藝要求.

在高密度脈沖電流作用下，可達(dá)到與傳統(tǒng)退火處理同樣的效果［2］，而且在高密度脈沖電流處理時(shí)間里可實(shí)現(xiàn)較好的力學(xué)性能的效果，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖.

圖1 電脈沖處理實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 脈沖處理材料及處理方法

為初步探索電脈沖鎢合金處理機(jī)制，先探討單晶體純銅和鐵碳合金的電脈沖處理后的實(shí)驗(yàn)效果.

1)試樣的制備:將直徑為2 mm的鋼絲、2mm的鎢合金(W93)和純銅擠壓管材制成的形帶，十字形同樣等.其制備長度均為15 mm或20 mm的試樣.并在試樣兩端分別安裝端子，以便于實(shí)驗(yàn)時(shí)將其固定在脈沖電源的銅電極上.

2)最佳工藝參數(shù)設(shè)定:如果電脈沖參數(shù)選擇不合理，可能導(dǎo)致金屬材料的塑性下降，力學(xué)性能降低.因此所選用的材料在電脈沖軟化設(shè)備上進(jìn)行不同工藝條件下的退火軟化實(shí)驗(yàn)，需總結(jié)電脈沖退火軟化最佳工藝參數(shù).

試樣制備好后，通過調(diào)節(jié)脈沖電源參數(shù)進(jìn)行不同的工藝實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用紅外線測溫儀監(jiān)測鋼絲在退火過程中的溫升.然后，對處理前后的試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能測試，并應(yīng)用金相顯微鏡等觀察處理前后顯微組織的變化.

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

對于單晶體銅/鐵碳合金/鎢合金試樣實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)值

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單晶體銅和鐵碳合金的顯微組織變化

1)對脈沖處理后的單晶體銅顯微組織觀察:未經(jīng)過脈沖處理的原始試樣A金相組織如圖2的(A)所示.在電流3000 A，頻率100 Hz，脈沖寬帶200 μs，通電時(shí)間5min的條件下，試樣溫度升高到200～230℃之間時(shí)，其顯微組織如圖2中的(B)所示.對于試樣A和B的顯微觀察可以看出，脈沖處理后的單晶體銅發(fā)生再結(jié)晶時(shí)晶粒出現(xiàn)方向性.而且所需的再結(jié)晶溫度明顯不高.純銅十字樣脈沖處理后，晶粒生長出現(xiàn)方向性與脈沖作用方向一致.高密度脈沖處理影響單滑移取向的疲勞銅單晶中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，細(xì)化駐留滑移帶的結(jié)構(gòu)，甚至使駐留滑移帶局部消失［3］.

圖2 單晶銅試樣顯微組織圖

2)對脈沖處理前后的鐵碳合金顯微組織金相顯微鏡觀察:原始試樣A金相顯微組織如圖3所示，在輸出電流為5000 A，電流頻率為300 Hz，通電時(shí)間為5min的情況下，脈沖寬帶200 μs，試樣溫升為520℃，其顯微組織如圖3所示.

鐵碳合金在520℃時(shí)晶粒已經(jīng)細(xì)化，并且再結(jié)晶溫度降低.在脈沖存在時(shí)再結(jié)晶時(shí)原來變形組織的基體上會(huì)產(chǎn)生新的無畸變的晶核，并迅速長大形成等軸晶粒，直至完全取代金屬的原始的組織，同時(shí)產(chǎn)生纖維組織.并發(fā)現(xiàn)脈沖電流的通入可以使再結(jié)晶形核的驅(qū)動(dòng)力增大，且磁場的存在可以提高位錯(cuò)的滑移能力，有利于再結(jié)晶的形核及長大.

利用脈沖電流退火時(shí)，在330～520℃左右就可以發(fā)生再結(jié)晶，明顯降低了再結(jié)晶的起始溫度，從而加速了其回復(fù)與再結(jié)晶，提高了再結(jié)晶形核率，使金屬的各項(xiàng)性能指標(biāo)尤其是塑性指標(biāo)得到很快的恢復(fù)和提高.

圖3 鐵碳合金顯微組織圖

3.2 W－Ni－Fe高比重合金的力學(xué)性能變化

應(yīng)用WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對處理前后的鎢合金(W93－Ni4.5－Fe2.5)的成分進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能測試，拉伸實(shí)驗(yàn)采用專用拉伸卡具，橫梁速率為5 mm/min.采用計(jì)算機(jī)記錄形變過程中的載荷、位移以及時(shí)間變化.

電脈沖處理后的試樣與原始試樣比較，其力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

表2 W－Ni－Fe室溫拉伸性能

橫坐標(biāo)為拉拔長度L，縱坐標(biāo)為拉拔力F，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，拉拔抗力明顯降低，經(jīng)計(jì)算所得出強(qiáng)度明顯降低，原始試樣A拉拔力遠(yuǎn)小于脈沖處理后的式樣B的拉拔力，說明脈沖電流處理過后，內(nèi)應(yīng)力明顯降低，其塑性明顯提高.

對于試樣C，原始試樣與真空下電脈沖處理后的試樣比較，其力學(xué)拉伸試驗(yàn)中拉拔力和拉伸時(shí)間與B結(jié)果相似，拉拔抗力明顯降低，經(jīng)計(jì)算所得出強(qiáng)度明顯降低，塑性提高明顯.

圖4 拉拔力－拉拔長度曲線對比圖

3.3 脈沖處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論與分析

經(jīng)過研究表明，高密度脈沖電流對金屬材料再結(jié)晶過程中的塑性變形、組織轉(zhuǎn)變、晶粒大小、生長取向和其他性能有明顯的影響作用.

鐵碳合金一般的再結(jié)晶溫度大約在560～650℃［4］，而在真空下，利用高頻脈沖電流處理時(shí)，在330～520℃就可以發(fā)生再結(jié)晶，純銅一般再結(jié)晶溫度在200～280℃之間，而在高頻電脈沖處理下再結(jié)晶溫度大約200～230℃之間，可見其明顯降低了再結(jié)晶的起始溫度，提高了再結(jié)晶形核率.對于鎢合金1200℃時(shí)真空電脈沖處理實(shí)驗(yàn)，分析研究影響高比重鎢合金塑性的因素，與原始式樣比較塑性明顯提高，同時(shí)硬度略有降低幅度不大.

高密度脈沖電流作用下，再結(jié)晶溫度降低的原因是可能由于孿生形核和亞晶吞并長大形核為主要的形核過程導(dǎo)致.另外，脈沖電流在金屬中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)的電子流，可以加快晶內(nèi)位錯(cuò)的消失，推動(dòng)位錯(cuò)的滑移和攀升，加速位錯(cuò)進(jìn)入亞晶界的攀移過程，使晶界角度長大速度加快而縮短再結(jié)晶形核所需要的時(shí)間.

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過電脈沖處理后的鎢合金，拉拔抗力明顯降低，塑性得到提高.

2)通過金相顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)脈沖電流作用純銅時(shí)，可是再結(jié)晶的銅晶體按方向性生長，由電流的流向來決定.

3)對鐵碳合金的金相組織觀察和分析，電脈沖使形核的驅(qū)動(dòng)力增大，導(dǎo)致再結(jié)晶起始溫度下降.

4)真空高頻率脈沖處理鎢合金，可以提高鎢合金的塑性，而其強(qiáng)度略降低.可對穿甲彈心體材料的力學(xué)性能適度改善和調(diào)整.銅和鎢的導(dǎo)電率很高，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，銅和鎢是利用電塑性效應(yīng)最佳材料.

［1］鄧欣和，周國安.鎢基高比重合金燒結(jié)及熱處理工藝對性能的影響［J］.中國鎢業(yè)，2007，6(12):23－24.

［2］姚可夫，王沛玉.脈沖電流對金屬材料塑性變形和組織結(jié)構(gòu)與性能的影響［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2003，25(3):340－342.

［3］崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998:147－166.