變形量對(duì)大規(guī)格鉬棒組織和性能的影響

熊 寧，王承陽(yáng)，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(diǎn)高、高溫強(qiáng)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(lái)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(duì)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(jī)對(duì)成像質(zhì)量的要求提高，需要更高的時(shí)間分辨率，更快的CT機(jī)架轉(zhuǎn)速，對(duì)軸承的負(fù)載能力和可靠性提出了更嚴(yán)苛的要求，傳統(tǒng)的滾珠軸承已無(wú)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(dòng)，可大幅提高成像質(zhì)量，延長(zhǎng)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(jì)，尺寸加工精度要求高，加工難度大，因此對(duì)鉬棒性能要求較高。國(guó)外廠家一般采用徑向鍛造機(jī)生產(chǎn)大規(guī)格鉬棒材，徑向鍛造由于在多個(gè)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(dòng)，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(jī)投資較高。國(guó)內(nèi)通常采用空氣錘進(jìn)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(yàn)采用1 000 t快速液壓鍛造設(shè)備，開(kāi)展了大規(guī)格鉬棒的試制，研究了變形量對(duì)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(cè)

大規(guī)格鉬棒采用粉末冶金法制備，鉬粉通過(guò)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(xì)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?jǐn)?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(jī)，采用氫氣鉬絲爐加熱，鍛造開(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1；材料的硬度測(cè)試在維氏硬度HVS-50試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1；材料的顯微組織觀察在OLYMPUS GX51金相顯微鏡下進(jìn)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(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 變形量對(duì)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(jiàn)：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(shí)，棒材相對(duì)密度由96.4%增大到97.5%；變形量為65%時(shí)，棒材相對(duì)密度增大到99.4%，變形量為80%時(shí)，棒材相對(duì)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(shí)并逐漸閉合，逐漸致密化。

表2 變形量對(duì)鉬棒密度的影響

2.2 變形量對(duì)鉬棒心部顯微組織的影響

圖2為不同鍛造變形量對(duì)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(zhǎng)呈纖維狀組織。當(dāng)鍛造變形量為40%時(shí)，晶粒在外力作用下變形，孔洞得到壓實(shí)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(shí)，材料孔洞基本得到消除，當(dāng)鍛造變形量增大到80%時(shí)，纖維狀組織被進(jìn)一步拉長(zhǎng)且相互搭接交錯(cuò)，晶間結(jié)合力較強(qiáng)，對(duì)裂紋的敏感性逐漸降低。

圖2 變形量對(duì)鉬棒心部顯微組織的影響

2.3 變形量對(duì)鉬棒心部硬度的影響

圖3為不同鍛造變形量對(duì)鉬棒心部硬度的影響。從圖3可以看出：經(jīng)過(guò)鍛造變形后，心部硬度得到提高。當(dāng)鍛造變形量為40%時(shí)，硬度為176 HV10，當(dāng)鍛造變形量為65%時(shí)，硬度為199 HV10，當(dāng)鍛造變形量為80%時(shí)，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(shí)焊合，密度不斷提高；同時(shí)鉬棒的平均晶粒尺寸不斷變小，晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度得到顯著提高，由于形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等共同作用，硬度顯著得到提高。

圖3 鍛造變形量對(duì)鉬棒心部硬度的影響

2.4 變形量對(duì)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(duì)鉬棒心部室溫抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率的影響。從圖4可以看出：當(dāng)鍛造變形量為40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為3%；鍛造變形量增大到65%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為550 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為11%，鍛造變形量增大到80%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為595 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為20%。隨著變形量的增大，鉬棒的抗拉強(qiáng)度不斷增大，這是由于鍛造變形后晶粒尺寸不斷得到細(xì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，可有效阻止位錯(cuò)通過(guò)，從而使材料的強(qiáng)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(qiáng)度越高；隨著變形量的增大，鉬棒的斷后伸長(zhǎng)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(duì)鉬棒心部室溫力學(xué)性能的影響

2.5 變形量對(duì)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(qiáng)度。從圖5可以看出：當(dāng)鍛造變形量為40%時(shí)，鉬棒心部硬度為176 HV10，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，1/2半徑硬度為185 HV10，抗拉強(qiáng)度為505 MPa，邊緣硬度為190 HV10，抗拉強(qiáng)度為525 MPa，邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強(qiáng)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(shí)，鉬棒心部硬度為199 HV10，抗拉強(qiáng)度為550 MPa，1/2半徑硬度為203 HV10，抗拉強(qiáng)度為567 MPa，邊緣硬度為210 HV10，抗拉強(qiáng)度為575 MPa，邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強(qiáng)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(shí)，鉬棒心部硬度為220 HV10，抗拉強(qiáng)度為595 MPa，1/2半徑硬度為222 HV10，抗拉強(qiáng)度為608 MPa，邊緣硬度為225 HV10，抗拉強(qiáng)度為615 MPa，邊緣、1/2半徑和心部不同部位硬度、抗拉強(qiáng)度差異較小，性能均勻性好；這是由于當(dāng)變形量較小時(shí)，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(duì)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(shí)，相對(duì)密度不斷增大，當(dāng)變形量達(dá)到80%時(shí)，鉬棒相對(duì)密度可達(dá)到99.9%。

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