陳錦，熊寧，葛啟錄，王鐵軍，劉桂榮，吳天朋

（1.鋼鐵研究總院，北京100816；2.安泰核原新材料科技有限公司，北京100816）

鎢坩堝密度均勻性研究

陳錦1，2，熊寧1，葛啟錄1，王鐵軍1，2，劉桂榮1，吳天朋2

（1.鋼鐵研究總院，北京100816；2.安泰核原新材料科技有限公司，北京100816）

為了研究鎢坩堝密度均勻性，用等靜壓-燒結(jié)法制備直徑301 mm×350 mm鎢坩堝，從鎢坩堝的壁部及底部線切割取樣，檢測分析樣品密度及氧含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：用等靜壓-燒結(jié)法制備出的直徑301 mm×350 mm鎢坩堝燒坯密度18.22 g/cm3，機(jī)械加工之后鎢坩堝密度減小約0.1 g/cm3；鎢坩堝底部密度相對低，圓弧拐角處是密度最低的區(qū)域，此處的密度比端口處密度減小約0.2 g/cm3；鎢坩堝密度大的位置氧含量相對低，底部圓弧拐角處是氧含量最高的區(qū)域。研究認(rèn)為：采用充分還原厚壁區(qū)域坯料以及促進(jìn)鎢坩堝下部燒結(jié)收縮的方法可提高鎢坩堝密度均勻性。關(guān)鍵詞：鎢坩堝；密度；均勻性；等靜壓-燒結(jié)法；氧含量

0 引言

鎢熔點高（3 410℃），密度大，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、高溫性能和射線吸收能力，鎢的加工制品在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮重要作用，如鎢棒、鎢板、鎢絲等產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于電光源、電子、冶金等行業(yè)，鎢深加工產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展趨勢[1-3]。鎢坩堝是一類重要的深加工、高附加值產(chǎn)品，在藍(lán)寶石晶體生長、石英連熔玻璃生產(chǎn)、稀土冶煉、真空蒸鍍等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用[4]。近年來，鎢坩堝的制備工藝及性能研究成為熱點，研究人員把提高鎢坩堝的整體密度作為一項重要的研究內(nèi)容，取得了較多的研究成果[4-6]。國內(nèi)外采用等靜壓-燒結(jié)法制備的鎢坩堝質(zhì)量水平接近（表1），但對該工藝生產(chǎn)的鎢坩堝密度均勻性研究少。在實際使用中，鎢坩堝各部分密度均勻性非常重要，因為密度均勻性影響鎢坩堝力學(xué)性能的均勻性，直接影響實際使用效果。所以，鎢坩堝密度均勻性研究及相關(guān)影響因素分析有利于鎢坩堝的實際使用。

表1 國內(nèi)外等靜壓-燒結(jié)法制備的鎢坩堝特點比較[4]Tab.1CharacteristicsoftungstencruciblesbyHIP-sinteringmethod

1 試驗

1.1 原料

采用FW-1鎢粉（其中W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.95%，費氏粒度0.8～4.0 μm），原料粒度和化學(xué)成分檢測結(jié)果符合《GB 3458—2006鎢粉》標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 制備過程

按照等靜壓-燒結(jié)法工藝流程（圖1）制備鎢坩堝。首先根據(jù)原料性能設(shè)計、組裝模具，模具包括模芯、軟套、膠塞等（圖2）；然后把原料裝入軟套內(nèi)。裝料密封之后，選用ZJ1000冷等靜壓機(jī)進(jìn)行壓制，成形壓強(qiáng)為200 MPa；把壓制后的坯料放置在LT900感應(yīng)燒結(jié)爐的均溫區(qū)內(nèi)燒結(jié)，使坯料逐漸致密化，最高燒結(jié)溫度為2 280℃，保護(hù)氣氛為氫氣。降溫出爐得到鎢坩堝燒坯，最后按照直徑301 mm×350 mm鎢坩堝尺寸加工。

圖1 鎢坩堝制備工藝流程Fig.1Productionprocessflowchartof301mm×350mmtungstencrucible

圖2 鎢坩堝裝料示意圖Fig.2Charge diagram of tungsten crucible

1.3 坩堝取樣及檢測

從鎢坩堝燒坯頂部端口開始，在高度方向上每隔50 mm，測量鎢坩堝燒坯的外徑，計算鎢坩堝燒坯的外徑燒結(jié)收縮率。

在加工前，檢測鎢坩堝燒坯整體密度（阿基米德法）；加工鎢坩堝后，檢測鎢坩堝成品整體密度，比較加工前后鎢坩堝密度。

從鎢坩堝頂部每隔50 mm用線切割方式各切取50 mm×50 mm試樣（如圖3），依次標(biāo)記為1#～10#。檢測試樣的密度，用碳氧儀檢測試樣的氧含量。

圖3 鎢坩堝取樣示意圖Fig.3Sampling diagram of tungsten crucible

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢坩堝的整體密度

從表2可以看出，燒結(jié)后，鎢坩堝的整體密度為18.22 g/cm3（相對密度94.4%）；加工后，鎢坩堝的整體密度為18.12 g/cm3（相對密度93.9%），加工后鎢坩堝的整體密度略微降低。因為鎢坩堝加工時是去除表層組織（1～2 mm厚），對比試驗結(jié)果可知，鎢坩堝的表層密度較內(nèi)部密度高，這主要是因為鎢坩堝燒結(jié)時，熱量由表層逐漸向內(nèi)部傳遞，并且外層坯料與氫氣直接接觸，能得到充分還原。

表2 301 mm×350 mm鎢坩堝整體密度Tab.2Overall density of the301 mm×350mm crucible

表2 301 mm×350 mm鎢坩堝整體密度Tab.2Overall density of the301 mm×350mm crucible

坩堝狀態(tài)密度/（g·cm-3）相對密度/%密度要求/（g·cm-3）燒坯態(tài)18.2294.418.1加工態(tài)18.1293.918.0

2.2 鎢坩堝局部密度及氧含量

從鎢坩堝取樣示意圖（圖3）可以看出，1#～6#樣品屬于鎢坩堝壁部，8#～10#樣品屬于鎢坩堝底部，7#樣品屬于鎢坩堝圓弧拐角區(qū)域。檢測結(jié)果表明，從坩堝上端口開始，上部200 mm鎢坩堝壁的密度和氧含量穩(wěn)定，試樣密度為18.25 g/cm3，試樣的氧含量為0.0050%～0.0055%；從鎢坩堝中部到底部，試樣密度逐漸降低，氧含量逐漸升高，7#（坩堝圓弧拐角處）樣品的密度為18.06g/cm3，氧含量為0.009 1%，此處是鎢坩堝密度最低、氧含量最高的部位；從底部圓弧拐角處到底部中心，試樣的密度逐漸升高，氧含量逐漸降低。從表3和圖4可以看出，坩堝上端口密度較底部密度高，底部中心密度較底部邊緣密度高，圓弧拐角處是整個鎢坩堝密度最低的區(qū)域。

從試驗結(jié)果可以看出：鎢坩堝密度大的位置氧含量低，壓坯厚度大的位置氧含量高。一般認(rèn)為，鎢坩堝壓坯的粉末燒結(jié)一般分為4個階段：燒結(jié)頸的形成、燒結(jié)頸長大、孤立孔隙的形成及孔隙的減少并長大。在致密化前期，坯料中仍有許多連接到表面的通孔，內(nèi)部殘余的氣體可以較快的排出；在致密化后期，連通孔隙逐漸消失，孤立孔隙形成，內(nèi)部的氣體很難排出，殘余氣體存在于孤立的孔隙。坯料的還原是由表及里的過程，鎢坩堝厚度越大的位置（剖面）需要的還原時間越長，芯部氧元素等雜質(zhì)越難排除，這使得鎢坩堝表層密度比芯部密度高，也導(dǎo)致了鎢坩堝不同壁厚位置密度差異。

表3 301 mm×350 mm鎢坩堝局部位置試樣密度及氧含量Tab.3Sampleddensityandoxygencontentofthe301mm×350mmcrucible

表3 301 mm×350 mm鎢坩堝局部位置試樣密度及氧含量Tab.3Sampleddensityandoxygencontentofthe301mm×350mmcrucible

試樣編號位置密度/（g·cm-3）氧含量/% 1#坩堝端口18.250.005 2 2#距坩堝端口50 mm18.260.005 0 3#距坩堝端口100 mm18.250.005 3 4#距坩堝端口150 mm18.250.005 5 5#距坩堝端口200 mm18.230.007 3 6#距坩堝端口250 mm18.200.006 8 7#圓弧拐角18.060.009 1 8#距離拐角50 mm18.070.007 0 9#距離拐角100 mm18.140.006 7 10#底部中心18.150.006 6

圖4 不同位置試樣密度及氧含量Fig.4Density and oxygen content of samples collected from different locations

2.3 鎢坩堝的外徑燒結(jié)收縮率

外徑燒結(jié)收縮率是鎢坩堝致密化過程中的一個重要技術(shù)參數(shù)，其計算公式為S=（[壓-燒）/壓]× 100%。從圖5可以看出，直徑301 mm×350 mm鎢坩堝上部200 mm外徑燒結(jié)收縮率為14.1%，從鎢坩堝中部到底部（距離上端口350 mm），外徑收縮率逐漸降低，坩堝底部的外徑燒結(jié)收縮率較端口的外徑燒結(jié)收縮率小0.2%。

直徑301 mm×350 mm鎢坩堝側(cè)壁中部向下外徑收縮率逐漸降低，這是因為在燒結(jié)過程中，鎢坩堝以端口朝上（圖6）的方式放置在爐中燒結(jié)，鎢坩堝的底部與爐盤產(chǎn)生摩擦阻力，使得燒結(jié)后鎢坩堝下部外徑大于上部外徑。在其他條件相同的情況下，隨鎢坩堝高度尺寸變大，其下部與爐盤的摩擦阻力增大，鎢坩堝下部與上部的燒結(jié)收縮率差值就變大，造成鎢坩堝下部密度比上部密度低。

圖5 鎢坩堝不同高度位置外徑燒結(jié)收縮率Fig.5Sinteringshrinkageratesoftungstencrucibleatdistinctiveheights

圖6 鎢坩堝剖面圖Fig.6Profile of tungsten crucible

影響鎢坩堝燒結(jié)密度的主要因素有原料、工藝、設(shè)備等三個方面，具體到單件坩堝，生產(chǎn)工藝是影響鎢坩堝密度均勻性的主要因素。在坩堝燒結(jié)過程中，各個位置的厚度和承重在很大程度上會影響產(chǎn)品燒結(jié)后的密度分布，厚度越厚越難還原、越難燒結(jié)致密；承重越大，摩擦阻力越大，也會導(dǎo)致坩堝下部密度降低。

3 結(jié)論

（1）采用等靜壓-燒結(jié)的工藝，制備了直徑301 mm×350 mm鎢坩堝，產(chǎn)品燒坯密度18.22 g/cm3，加工后鎢坩堝密度比鎢坩堝燒坯密度低0.1 g/cm3。

（2）直徑301 mm×350 mm鎢坩堝側(cè)壁中部向下密度逐漸降低，底部從中心到邊緣密度逐漸降低，底部圓弧拐角處是整個鎢坩堝密度最低的區(qū)域，此處的密度比端口處密度低約0.2 g/cm3。

（3）鎢坩堝密度高的位置氧含量相對低，壓坯厚度大的位置氧含量相對高。

隨著鎢坩堝性能及應(yīng)用研究的發(fā)展，鎢坩堝的密度均勻性將成為一項重要的產(chǎn)品要求，逐步形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在實際生產(chǎn)中，改進(jìn)還原工藝，盡量減小鎢坩堝底部與爐盤的摩擦阻力將是提高鎢坩堝密度均勻性的研究方向。

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Density Uniformity of the Tungsten Crucible

CHEN Jin1,2,XIONG Ning1,GE Qilu1,WANG Tiejun1,LIU Guirong1,WU Tianpeng2
（1.Central Iron and Steel Research Institute(CISRI),Beijing 100816;2.Antai-heyuan Nuclear Energy Technology&Materials Co.,Ltd.,Beijing 100816)

The301 mm×350 mm tungsten crucible was manufactured by the cold isostatic pressing-sintering method to study the density uniformity of the tungsten crucible.The density and oxygen content of the samples collected from the wall and bottom of the tungsten crucible were analyzed.The density of the tungsten crucible with the size of301 mm×350 mm prepared by Isostatic pressing-sintering method is 18.22 g/cm3.The density of the crucible decreased about 0.1 g/cm3after machining.The density of the tungsten crucible bottom is relatively lower. The lowest density exists in the arc corner,with 0.2 g/cm3lower than that of the preface.The oxygen content of the place in which it has higher density is relatively lower,with the highest in the bottom arc corner.It is suggested that the uniformity of the density of tungsten crucible can be improved by fully reducing the thick-walled area billet and promoting the sintering shrinkage of the lower tungsten crucible.

tungsten crucible;density;uniformity;Isostatic pressing-sintering method;oxygen content

TF125.2+41

A

（編輯：劉新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.04.007

2016-09-22

工業(yè)和信息化部重點產(chǎn)業(yè)振興及技術(shù)改造項目（112110108084000159）

陳錦（1978-），男，湖南華容人，高級工程師，主要從事鎢鉬產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)。