師阿維，葛寬余，王 崗

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西 西安 710177）

0 引 言

由于鉬及鉬合金具有熔點高、高溫強度和剛度大、導熱和導電性能好、抗熱震性能、抗磨損性能和在許多介質(zhì)中抗腐蝕性能強等特性，其在電子、冶金、輕工、機械、金屬加工、化工、農(nóng)業(yè)、石油、航空航天工業(yè)和核工業(yè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。例如在高溫元件方面最新研制出的核燃料燒結(jié)爐采用鉬網(wǎng)加熱，用?0.8 mm鉬絲編織成三相網(wǎng)狀加熱器，工作溫度可達1800～2000℃。在汽車工業(yè)中，鉬是汽車部件生產(chǎn)中主要的熱噴涂材料。汽車部件一般采用鉬絲高速火焰噴涂，噴槍的氣體混合噴射裝置產(chǎn)生高溫燃氣燃燒，特殊設(shè)計的燃燒室和氣體噴射混合室，使鉬絲在完全熔化前，以極高的速度噴涂在工件的表面上，噴射鉬的致密度可達99%以上，結(jié)合強度接近10 kg/mm2。據(jù)資料[4]介紹噴涂鉬絲歐洲市場年銷售量可達1000 t，美國每年消耗量也達600 t左右，日本每年也消耗鉬絲30～40 t，我國噴涂鉬絲市場容量尚小于每年30 t。但隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車齒輪和其他部件的熱噴涂將有較大發(fā)展，噴涂鉬絲的銷售量將大幅度增長。

近年來，鉬棒材越來越多地作為線切割工具鉬絲的原料。原料性能的優(yōu)劣對后續(xù)產(chǎn)品的加工有非常重要的影響[5]。例如，在純鉬棒粗坯不均勻時，在拉絲過程中會出現(xiàn)拉絲劈裂現(xiàn)象、在精鍛時會出現(xiàn)內(nèi)裂紋以及毛刺等現(xiàn)象。所以，鉬棒材的均勻性是其質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一。

1 鉬棒均勻性的檢測方法

1.1 物理方法

物理方法是從宏觀上判斷棒、板材的均勻性，檢測金屬板材、棒材均勻性的物理方法有多種，如硬度檢測、金相分析、超聲波檢測和密度檢測等。

當板材、棒材不同的檢測部位硬度值或密度值出現(xiàn)較大的偏差，即可以判定該棒材或板材是不均勻的；用金相顯微鏡分析法可以直接觀測到金屬內(nèi)部是否有微裂紋或坑洞，從而判定該棒材是否存在缺陷；而超聲波檢測出現(xiàn)異常波時，可以初步判定被檢測的棒材是沒有缺陷的。

棒材均勻性檢測的常規(guī)方法是探傷檢測，也就是超聲波單一檢測，這種檢測方法是縱向檢測，即從棒頭至棒尾選取幾個部位進行探傷檢測，由于檢測樣本小，結(jié)果不能反映檢測對象全貌。

1.2 化學分析法

化學分析法是通過檢測幾個重要的化學元素值的分布來判斷棒材的均勻性。對?90 mm純鉬棒而言，在實際生產(chǎn)中主要考慮C、O、K和Fe元素含量，這4個元素對純鉬棒來說都屬于雜質(zhì)元素，直接影響棒材的質(zhì)量。同時生產(chǎn)實踐證明，其余元素從原料粉到棒材是不會發(fā)生變化的。如果這些元素在整根棒材中的含量分布不均勻，則在后續(xù)加工過程中會降低棒材的加工塑性，易脆斷；另外，如果C、O含量超出標準范圍，作為濺射靶材使用時會使其在玻璃基體上得以釋放，形成氣孔。

C、O、Fe、K含量如果分布不均勻，一方面表示在生產(chǎn)過程中有雜質(zhì)帶入；另一方面可能是燒結(jié)工藝不合理，需要重新調(diào)整工藝。

判定棒材均勻性可靠的方法是對棒材的芯部和邊部均勻取樣，形成橫向、縱向的檢測樣本，再同時使用物理方法和化學元素檢測法，獲得棒材的橫向、縱向檢測數(shù)據(jù)，以判定其各項均勻性，并得出分布規(guī)律。

2 實驗方法及原料

2.1 實驗原料

在常規(guī)壓制及燒結(jié)工藝生產(chǎn)一批長800 mm的?90 mm純棒中隨機選取一根作為試樣。該棒材原料粉的C含量為0.004%、O含量為0.0045%、K含量為0.004%、Fe含量為0.0045%。

將試樣頭尾兩端各去除100 mm，此時試樣全長為600 mm。將剩余試樣從頭部（靠近中頻爐爐底地是底部）依次水平切割成厚20 mm的鉬圓片30片，并由上而下進行編號。為了更加準確的檢測并比較棒的邊部和芯部的參數(shù)，將每片鉬圓片按“井”字形等分成9份，取出中間的1塊為棒芯部試樣，剩余部分則任意取1塊為棒邊部的試樣，這樣共得到棒邊部和棒芯部的待檢測樣品各30塊。

2.2 檢測設(shè)備及方法

采用LEICA MEF4M金相顯微鏡進行金相檢測，具體操作為將做好的小樣在磨樣機磨光，在電解拋光機進行電解拋光，用硝酸和酒精按照1∶1的比例進行腐蝕后，清洗干凈、吹干后進行金相檢測；用采用型號HR-150A的洛式硬度計測試硬度，采用排水法（阿基米德原理）檢測密度，采用化學分析和光譜分析法檢測C、O、K和Fe含量。

3 結(jié)果與分析

經(jīng)過檢測邊部與芯部C、O、K和Fe含量的對比分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。由圖可見，樣品C、O、K、Fe的含量較原料粉均有所減少。而且從圖1、圖2可以看出C含量和O含量分布均勻，均達到了合格品對C含量和O含量的要求。這是因為C和O在原料粉還原時已經(jīng)通過氧化還原除去了大部分，中頻爐燒結(jié)過程是在通氫的氣氛中進行的，在純鉬棒低溫燒結(jié)階段棒材中的氧會再次通過氧化還原除去一部分，在高溫階段O則沒有大的變化；而C會在高溫階段揮發(fā)一部分，由于?90 mm純鉬棒的燒結(jié)溫度高達1880℃，所以，不管是純鉬棒的邊部還是芯部對C的揮發(fā)而言都是等同的。從圖1～圖4可以看出棒材的底部C、Fe、K均勻性要優(yōu)于頂部。

圖1 棒材C含量檢測結(jié)果

圖2 棒材O含量檢測結(jié)果

圖3 棒材K含量檢測結(jié)果

圖4 棒材Fe含量檢測結(jié)果

數(shù)據(jù)方差可以描述各個數(shù)據(jù)偏離平均值的多少，從而說明數(shù)據(jù)的均勻性。為進行棒材芯部和邊部雜質(zhì)含量均勻性的橫向比較，分別計算了樣品C，O，F(xiàn)e，K含量的方差和平均值，結(jié)果見表1。

表1 樣本雜質(zhì)元素的偏差分析

由表1可見，芯部的雜質(zhì)含量的平均值高于邊部，這可能是中頻爐的渦流加熱的趨膚效應(yīng)使鉬棒中心受熱及冷卻延遲于邊部，冷卻時棒材邊沿溫度低于中心，導致C、O、K和Fe會向中心位置擴散遷移。從方差計算可見，棒材中C、O、K和Fe含量的均勻性邊部優(yōu)于芯部。

C、O、K和Fe在棒材中作為雜質(zhì)難以完全去除，只有在低溫氧化還原階段會去除一部分，這是由于作為生產(chǎn)棒材的原料鉬粉在還原過程中，受氫氣露點、純度、爐管材質(zhì)和料舟材質(zhì)的影響，這些雜質(zhì)會存在于鉬粉中。適量的雜質(zhì)往往有益于純鉬棒的后續(xù)加工，實踐證明：當O含量≤30×10-6mg/kg、燒結(jié)密度達到相對理論密度的90%以上、晶粒數(shù)在1500～3000 個/mm2、硬度 HRA≤52 時，棒坯的綜合加工性能良好。

硬度、密度的對比如圖5、圖6所示。由圖可見，邊部的硬度和密度均高于芯部。主要原因是：（1）在壓制過程中，等靜壓的壓制是從外部延伸到內(nèi)部的，勢必導致邊部的致密性要高于芯部；（2）由于邊部的致密性要高于芯部，在中頻爐加熱時，邊部要比中間容易燒結(jié)，邊部晶粒的生長速度要高于棒芯部。（3）由于中頻加熱固有的特性，棒坯表面集膚效應(yīng)導致棒坯表面層優(yōu)先致密，孔隙逸出被阻隔，減緩了內(nèi)部致密化的進程。也就是說，由于中頻爐的加熱方式?jīng)Q定了棒的邊沿部位受熱時間長，而且燒結(jié)充分。所以，整根純鉬棒的硬度和密度才會出現(xiàn)邊部高于芯部。當密度較低時，棒坯硬度隨密度的增加而增大的幅度較大；當密度較大時，棒坯硬度隨密度的增加而增大的幅度較小，直至趨于某一穩(wěn)定的值[6-7]。晶粒數(shù)的對比如圖7所示。

圖5 棒芯部與邊部的硬度對比圖

圖6 棒芯部與邊部的密度對比圖

圖7 芯部與邊部的晶粒數(shù)

從圖7可以看出，整根純鉬棒邊部與芯部的晶粒數(shù)基本是一致的，都是2000，只有靠近中頻爐底部的純鉬棒邊部的晶粒數(shù)是1500，共有3個點。這是由于?90 mm純鉬棒高度達800 mm，純鉬棒底部邊部受熱時間長于芯部，隨著加熱時間的延長，晶粒會不斷長大，所以邊部的晶粒會大于芯部。

4 結(jié) 語

（1）應(yīng)用該檢測方法可以分析比較?90純鉬棒材橫向、縱向的密度、硬度和雜質(zhì)含量的均勻性。

（2）由于純鉬棒的具有一定的高度，各個部位受熱時間長短不同導致晶粒長大的速度不一致，純鉬棒邊部的硬度和密度稍高于芯部，靠近中頻爐底部的棒邊部的晶粒大于芯部。

（3）數(shù)據(jù)表明，棒材雜質(zhì)含量芯部的平均值高于邊部，由雜質(zhì)含量的方差計算表明，其邊部的均勻性優(yōu)于芯部。

（4）在以后的生產(chǎn)中，通過實驗不斷探索更加適合生產(chǎn)該產(chǎn)品燒結(jié)工藝，減少由于中頻爐自身加熱方式給棒材燒結(jié)均勻性帶來的影響，提高該產(chǎn)品均勻性，給后續(xù)的絲材加工提供穩(wěn)定的原料。

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