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鎢合金百科
以鎢為基加入其他元素組成的合金。在金屬中，鎢的熔點(diǎn)最高，高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能以及導(dǎo)熱、導(dǎo)電和電子發(fā)射性能都好，比重大，除大量用于制造硬質(zhì)合金和作合金添加劑外，鎢及其合金廣泛用于電子、電光源工業(yè)，也在航天、鑄造、武器等部門中用于制作火箭噴管、壓鑄模具、穿甲彈芯、觸點(diǎn)、發(fā)熱體和隔熱屏等。
鎢最早用于制作白熾燈絲。1909年美國(guó)庫(kù)利吉(W.D.Coolidge)采用鎢粉壓制、重熔、旋鍛、拉絲工藝制成鎢絲,從此鎢絲生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。1913年蘭米爾(I.Langmuir)和羅杰斯 (W.Rogers)發(fā)現(xiàn)鎢釷絲(又稱釷鎢絲)發(fā)射電子性能優(yōu)于純鎢絲后,開始使用鎢釷絲,至今仍然廣泛使用。1922年研制出具有優(yōu)良的抗下垂性能的鎢絲(稱為摻雜鎢絲或不下垂鎢絲)，這是鎢絲研究中的重大進(jìn)展。不下垂鎢絲是廣泛使用的優(yōu)異燈絲和陰極材料。
50～60年代，對(duì)鎢基合金進(jìn)行了廣泛的探索研究，希望發(fā)展能在1930～2760℃工作的鎢合金，以供制作航天工業(yè)使用的耐高溫部件。
其中以鎢錸系合金的研究較多。對(duì)鎢的熔煉和加工成形技術(shù)也開展了研究，采用自耗電弧和電子束熔煉獲得鎢錠，并經(jīng)擠壓和塑性加工制成某些制品;
但熔煉鑄錠的晶粒粗大，塑性差，加工困難，成材率低，因而熔煉-塑性加工工藝未能成為主要生產(chǎn)手段。除化學(xué)氣相沉積 (CVD法)和等離子噴涂能生產(chǎn)極少的產(chǎn)品外，粉末冶金仍是制造鎢制品的主要手段。
中國(guó)在20世紀(jì)50年代已能生產(chǎn)鎢絲材。60年代對(duì)鎢的熔煉、粉末冶金和加工工藝開展了研究，現(xiàn)已能生產(chǎn)板材、片材、箔材、棒材、管材、絲材和其他異型件。
鎢材使用溫度高，單純采用固溶強(qiáng)化方法對(duì)提高鎢的高溫強(qiáng)度效果不大。但在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上再進(jìn)行彌散(或沉淀)強(qiáng)化,可大大提高高溫強(qiáng)度,以ThO2和沉淀的HfC彌散質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化效果最好。
在 1900℃左右W-Hf-C系和W-ThO2系合金都有著高的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。在再結(jié)晶溫度以下使用的鎢合金,采取溫加工硬化的方法,使其產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化,是有效的強(qiáng)化途徑。
如細(xì)鎢絲具有很高的抗拉強(qiáng)度,總加工變形率為99.999%、直徑為0.015毫米的細(xì)鎢絲，室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)438公斤力/毫米2(圖1)。
鎢合金
鎢合金 在難熔金屬中，鎢和鎢合金的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度最高。燒結(jié)和熔煉的多晶鎢材的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度約在150～450℃之間，造成加工和使用中的困難，而單晶鎢則低于室溫。
鎢材中的間隙雜質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和合金元素，以及塑性加工和表面狀態(tài),對(duì)鎢材塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度都有很大影響。除錸可明顯地降低鎢材的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度外，其他合金元素對(duì)降低塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度都收效甚微(見金屬的強(qiáng)化)。
鎢的抗氧化性能差，氧化特點(diǎn)與鉬類似，在1000℃以上便發(fā)生三氧化鎢揮發(fā)，產(chǎn)生“災(zāi)害性”氧化。因此鎢材高溫使用時(shí)必須在真空或惰性氣氛保護(hù)下，若在高溫氧化氣氛下使用，必須加防護(hù)涂層。
合金 按照用途不同，鎢合金分為硬質(zhì)合金、高比重合金、金屬發(fā)汗材料、觸頭材料、電子和電光源材料。
摻雜鎢絲是在鎢粉中添加 1%左右的硅、鋁和鉀的氧化物，在垂熔(自阻燒結(jié))過程中，添加劑氧化鉀揮發(fā),在材料內(nèi)部形成氣孔,氣孔經(jīng)加工后沿軸向拉長(zhǎng);退火后,拉長(zhǎng)氣孔形成彌散的平行于絲軸的氣泡行(圖2)，這種彌散的氣泡俗稱為鉀泡。鉀泡阻礙鎢晶粒的橫向長(zhǎng)大，提高鎢的高溫抗下垂性能，還可改善再結(jié)晶后的室溫塑性，有利于繞絲和運(yùn)輸貯存。中國(guó)摻雜鎢絲依高溫蠕變值有WAl1、WAl2、WAl3三種牌號(hào)。
鎢合金 在W-ThO2系合金中，由于添加適量的熱穩(wěn)定性好的彌散的ThO2質(zhì)點(diǎn)，不僅可以降低電子逸出功，還可抑制鎢晶粒長(zhǎng)大，使材料具有很高的再結(jié)晶溫度、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。
鎢釷合金不僅是廣泛使用的熱電子發(fā)射材料，而且是優(yōu)異的電極材料。
鎢錸合金中，錸的添加,不僅能提高材料強(qiáng)度,提高合金的再結(jié)晶溫度約200～400℃，使二次再結(jié)晶后塑性好、晶粒長(zhǎng)大緩慢，而且可以顯著降低塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度。添加的錸如超過30%，就會(huì)損害合金的加工性能。鎢錸合金還具有較高的熱電勢(shì)，在2200℃下，其熱電勢(shì)與溫度成直線關(guān)系。鎢錸熱電偶測(cè)量溫度可高達(dá)3000℃，是優(yōu)異的高溫?zé)犭娕疾牧稀?/p>
加工 鎢的熔點(diǎn)高、硬而脆，加工困難，但只要有合理的工藝，鎢可經(jīng)粉末冶金制坯、擠壓、鍛造、軋制、旋壓和拉拔等加工成材。隨著鎢的塑性加工程度的提高，其組織、抗拉強(qiáng)度和塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度大為改善(圖3)。
坯料準(zhǔn)備 合格的坯料是鎢材生產(chǎn)的關(guān)鍵之一，制好坯料首先要選用合格的鎢粉末。粉末的特征(平均粒徑、粒度分布、化學(xué)成分)、混料、成形和燒結(jié)工藝對(duì)坯料的成分、密度和微觀結(jié)構(gòu)有直接影響，并強(qiáng)烈地影響著產(chǎn)品加工和使用性能。
不下垂鎢絲中添加的硅、鋁、鉀元素是在三氧化鎢或“藍(lán)鎢”(為多種低價(jià)氧化鎢的混合物)中以氧化物形式添加的，混合料常用含氫氟酸的溶液進(jìn)行洗滌，以去除粉中雜質(zhì)。生產(chǎn)絲和小片材的坯料多在壓力機(jī)上成形，也可采用等靜壓制成形。
粉坯尺寸一般為12×12×400毫米,也有采用較大尺寸的圓棒、方棒或矩形棒。
粉坯首先在氫氣氣氛中經(jīng) 1200℃、1小時(shí)預(yù)燒使之具有一定強(qiáng)度和導(dǎo)電性后，再進(jìn)行通電自阻燒結(jié)。通電自阻燒結(jié)俗稱“垂熔”，是鎢加工中發(fā)展起來的方法。
原理是將電流直接通過燒結(jié)坯,由于坯料本身的電阻而產(chǎn)生焦耳熱,利用這種熱使坯料燒結(jié),燒結(jié)電流通常為熔斷電流的90%。
所得坯料為自阻燒結(jié)條(又稱垂熔條)?？杉庸こ山z材的垂熔條一般標(biāo)準(zhǔn)是控制斷面晶粒數(shù)為每平方毫米約10000～20000個(gè)，密度為17.8～18.6克/厘米3。
對(duì)于管材、片材或其他大規(guī)格產(chǎn)品, 常采用等靜壓制(壓力在2500公斤力/毫米2以上)成形，在2300～2700℃的高溫下于真空或氫氣保護(hù)中燒結(jié)。
旋鍛 是生產(chǎn)鎢絲坯料和細(xì)棒的常用塑性加工方法，不同尺寸的棒材于氫氣氣氛中加熱到1400～1600℃，在不同型號(hào)的旋鍛機(jī)上進(jìn)行旋鍛。
開始道次變形量不宜過大,隨后可適當(dāng)增加變形量。旋鍛變形過程中工件和模具間用石墨潤(rùn)滑。
加工后的鎢棒密度可達(dá)18.8～19.2克/厘米3。由于方坯鍛成圓坯,各部位變形不同，使組織不均勻,此時(shí)應(yīng)進(jìn)行再結(jié)晶退火。旋鍛棒材的最終直徑為3毫米左右。
拉絲 拉絲坯料可用旋鍛法生產(chǎn)，也可用軋制法生產(chǎn);軋制法生產(chǎn)的坯料道次變形量大，組織較均勻，有利于以后的加工。鎢絲坯料拉制鎢絲是用“溫拉絲”方法。首先在鏈?zhǔn)嚼鞕C(jī)上拉至直徑1.3毫米,而后分別經(jīng)粗拉、中拉和細(xì)拉使直徑達(dá)到 0.2、0.06和小于0.06毫米。
隨著直徑減小，應(yīng)使加熱溫度下降、拉絲速度提高。道次變形量一般在10～20%之間。
拉絲采用煤氣-空氣混合加熱，溫度為900～400℃。拉粗絲采用硬質(zhì)合金模，拉細(xì)絲則采用金剛石模。
模子材質(zhì)、孔型、研磨技術(shù)對(duì)絲材質(zhì)量有很大的影響，石墨潤(rùn)滑劑的質(zhì)量、粒度、配比、涂敷方法同樣影響絲材質(zhì)量。
絲材直徑的不均勻性是使用時(shí)斷絲的最主要原因之一，有0.2～0.4微米的偏差就會(huì)使真空管中鎢絲的壽命大大降低。細(xì)絲材的直徑可以用重量法或真空標(biāo)準(zhǔn)電流法進(jìn)行測(cè)定。
在拉絲過程中，隨著直徑減小，變形抗力增大(如直徑0.1～0.3毫米鎢絲的斷裂強(qiáng)度可高達(dá)350公斤力/毫米2)，其塑性也相應(yīng)降低。
為了改善再加工性能，一般需要進(jìn)行消除應(yīng)力中間退火。此外，可采用電解腐蝕法將絲材加工成直徑小于0.01毫米的細(xì)絲。
板材軋制 鎢板軋制可分熱軋、溫軋和冷軋。由于鎢的變形抗力大，普通的軋輥不能完全滿足鎢板材軋制的要求，應(yīng)使用特種材質(zhì)的軋輥。軋制時(shí)，軋輥要預(yù)熱，根據(jù)不同的軋制條件，預(yù)熱溫度為100～350℃。
坯料的相對(duì)密度(實(shí)際密度與理論密度之比)大于90%時(shí)才可加工，坯料密度在92～94%時(shí)加工性能良好。
熱軋的開坯溫度在1350～1500℃之間，開坯的變形工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，坯料會(huì)產(chǎn)生分層。
溫軋的開始溫度為1200℃，厚度為8毫米的熱軋板，經(jīng)溫軋可達(dá)到0.5毫米。由于鎢板變形抗力大，軋制時(shí)軋輥輥身彎曲變形，使板材沿寬度方向上厚度不均，換輥或換軋機(jī)時(shí)，板材可能因各部位變形不均勻而開裂。
0.5毫米厚度板材的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度還在室溫或室溫以上,片材呈脆性,應(yīng)在200～500℃將片材軋制成0.2毫米。
軋制后期，鎢片薄而長(zhǎng),為保證板材加熱均勻，常涂石墨或二硫化鉬，不僅有利于板材的加熱，而且加工時(shí)還有潤(rùn)滑作用。
其他加工 鎢的管材可采用燒結(jié)坯料直接擠壓，擠壓管坯或粉漿擠壓燒結(jié)管坯還經(jīng)旋壓加工。旋壓還可生產(chǎn)鎢的異型制品。大直徑的棒材多采用擠壓或軋制工藝生產(chǎn)。
切削加工 鎢質(zhì)硬且對(duì)缺口敏感,切削加工困難,要求使用硬質(zhì)合金刀具。為防止產(chǎn)生切削裂紋，常把工件加熱到塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行切削,并要嚴(yán)格控制切削操作程序。
鎢的研磨需要用特定型號(hào)的砂輪輕磨，且需要冷卻，否則會(huì)產(chǎn)生龜裂。厚度在 0.2毫米以上的鎢片材進(jìn)行沖壓和剪切前要預(yù)先加熱，超過一定厚度的板材，不能剪切，往往需要用砂輪切割。
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