用异型模拉制高精度钼窄带的研究

刘 辉，张军良，崔 顺，陈小林，巨建辉

(西北有色金属研究院，陕西西安 710016)

0 引言

目前，我国钼窄带产品的品种、规格及其应用领域均较狭窄，其主要原因是尺寸精度、表面质量及组织性能等指标不高，缺乏竞争能力。

随着我国国防及电信事业的发展，对于高精度钼窄带的要求也越来越高。特别是行波管用高精度钼窄带的研制愈发重要。行波管是一种微波放大电子器件，在现代通信、雷达及电子对抗中起着重要作用，它的核心部件—螺旋管，在行波管中的作用是提供一个轴向传播速度接近电子运动速度，并且有足够的轴向电场的高频电磁波。慢波构件的结构形状和尺寸确定了高频场的分布和传播速度，从而决定了电子柱与波的作用效果。钼窄带的尺寸精度决定了行波管的性能。由于我国钼窄带的尺寸达不到要求，很多进口电信设备所用行波管主要依赖进口。

本试验采用轧制后钼窄带进行异型模拉拔的方法，生产出能够满足表面质量、尺寸精度、组织性能要求的高精度钼窄带。

1 试验方法

1.1 试验原料

试验所需原材料为市售钼丝，符合GB4325.1～4325.28～84《钼化学分析方法》对化学成分的规定。提供的检验报告如表1，与国家标准表进行比较，化学成分符合要求。

表1 钼丝的化学成分

对钼丝的尺寸公差及表面质量进行了复检，结果表明产品的尺寸公差符合标准要求，椭圆度符合要求，表面光洁度符合要求，无毛刺、压坑等缺陷，判定为合格。

1.2 试验工艺路线

结合高精度钼窄带的生产实际，根据估算选择一定规格的钼丝。目前国内钼窄带的加工方式主要有板材分条和滚动拉伸。板带分条由于现在的生产水平难以达到要求的尺寸公差，而且钼板塑性较差，难以分条，即使分条，其边缘容易产生毛刺和微裂纹，影响其后续加工和使用性能。滚动拉伸易轧入碎屑、压痕、划痕等表面特征缺陷［1－2］。利用钼丝轧制后钼窄带进行异型模拉制的方法能够生产成本低、尺寸精确、综合性能更好的产品，因而有更广泛的应用市场和技术研究前景。

工艺路线：电解抛光→退火轧制→拉拔矫形→电化学抛光→性能检测

1.3 表面处理

试验在专用的丝材白化机上进行，电解液选用NaOH饱和水溶液，钼丝做阳极，按一定速度通过电解池、水洗槽、烘干管，缠到绕线轮上，完成电解加工，通过调节电流、电压、放线速度等工艺参数控制电解加工量，目测表面石墨乳去除干净，颜色白亮，呈现金属光泽为宜，不同直径的丝材选用不同的电流、电压，丝径越大选择电流越大，当一次电解达不到亮度要求时，可进行第二次，直到满意为止。

1.4 退火

退火试验在真空热处理炉进行，加热温度参照钼丝退火常用工艺，870℃，保温1 h，炉冷，50℃以下出炉。退火结果表面光亮，硬度降低，适宜后续冷加工［3］。

1.5 窄带轧制

试验在六辊和十二辊窄带轧机上进行，首先根据成品窄带尺寸选择坯料丝径，按照初步设计方案提出的窄带尺寸进行试验，共有如下4种规格：

(1)0.1×0.3×L

(2)0.12×0.33×L

(3)0.4×1.25×L

(4)0.45×1.8×L

通过计算选择丝径如下：φ0.23 mm、φ0.25 mm、φ1.0 mm、φ1.25 mm，4种规格。

轧制工艺的设计遵从一般钼板热轧的工艺规范，加热温度选择800～900℃，氩气保护防止表面氧化，道次加工率20%～30%，前后张力以拉直钼带、不出现跑偏为宜。

窄带轧制过程中材料的变形以宽展为主，延伸较少，丝径的选择根据这种规律作出初步判定，以某种丝径一次轧制到合适的厚度和宽度是不易实现的，一般需要通过工艺调整，多次试验才能达到目的，当轧到厚度尺寸而宽度偏小时，可通过减少轧制道次、降低前后张力、提高轧制温度等措施来增加宽展；反之当宽度偏大时，可增加道次、增大张力、降低温度，最终轧到所需尺寸。

经过试验调整最终确定轧制压下工艺如下：

(1)φ0.23→0.175×0.25→0.135×0.285→ 0.105×0.31

(2)φ0.25→0.20×0.27→0.15×0.305→0.125×0.335

(3)φ1.0→0.79×1.1→0.68×1.18→0.6× 1.24→0.45×1.41

(4)φ1.25→0.82×1.56→0.52×1.98

1.6 拉拔矫形工艺研究

此工艺环节是决定材料表面粗糙度和尺寸精度的关键环节。

首先进行异型拉丝模的制备，采用聚晶金刚石制作拉丝模，如图1所示。

图1 异型拉丝模

模具尺寸等同样品要求尺寸，公差范围控制在±0.002 mm以内，模具的定径段长度尺寸选择至关重要，尺寸太长时拉丝阻力大，易断丝，尺寸太小时模具损耗大，使用寿命短。模孔表面光洁度决定着产品的表面粗糙度，制作模具时应控制在 Ra≤0.1μm。模孔圆角选择应在满足产品尺寸要求的情况下尽可能大些，以利材料拉拔变形，防止模具破裂。

轧制窄带的最终尺寸与拉拔矫形后尺寸之比应为1.05～1.1，即：拉拔预留加工量一般控制在5%～10%，预留加工量太大时拉拔易断丝，加工量太小时产品的尺寸精度和表面光洁度达不到要求。

拉拔试验在单模拉丝机上进行，分别进行了热拉和冷拉试验，热拉采用石墨乳润滑，温度控制在800℃左右，氢气保护；冷拉试验采用氯化石蜡润滑，试验结果表明热拉易产生“缩丝”，即拉拔后窄带尺寸小于模具尺寸，“缩丝”程度与加工量、温度等影响因素有关，不易控制；冷拉效果较好，尺寸公差及表面光洁度较好。

1.7 电化学抛光

冷拉后的窄带表面粘有润滑剂，冷拉过程中因摩擦作用会在表面产生沟槽。采用电化学抛光可清除表面润滑剂，提高表面光洁度，抛光工艺与丝材抛光相同即电解液选用NaOH饱和水溶液，钼窄带做阳极，按一定速度通过电解池、水洗槽、烘干管，缠到绕线轮上，完成电解加工，通过调节电流、电压、放线速度等工艺参数控制电解加工量，目测表面光滑，颜色白亮，呈现金属光泽为宜，不同规格的丝材选用不同的电流、电压，横截面积越大选择电流越大，当一次电解达不到亮度要求时，可进行第二次，直到满意为止。

2 结果及分析

按照确定的生产工艺，得到4种规格的钼窄带，根据要求进行全面的性能检测。

2.1 尺寸公差

对成品钼窄带随机取样，采用杠杆千分尺在1 m长范围内取5点测量厚度及宽度，取测量结果平均值与名义尺寸对照，得出公差值，结果如表2。

表2 钼窄带的厚度及宽度 mm

从中可以看出，4种规格的钼窄带尺寸公差均达到性能指标要求，与进口产品相比性能相当。

2.2 表面质量

指标规定钼窄带表面粗糙度Ra≤0.1 μm，目前由于没有找到合适的测量方法，暂时无法确定。

窄带表面目测检查光亮、无氧化色、无水洗痕、10倍放大镜检查无毛刺等缺陷，可以认为表面质量良好。

2.3 力学性能

对4种规格的成品钼窄带进行了拉伸检验，试样状态为加工态及850℃，1 h退火态，拉伸结果如表3。

表3 钼窄带加工态与退火态的力学性能

图2 钼窄带加工态的纵向金相

从中可以看出：加工态强度较高，延伸率较低，退火后强度有所下降，延伸率大幅度提高。对照技术指标可以看出：退火态力学性能完全满足指标要求，由此确定提供用户的样品按退火态交付。

2.4 组织状态

对加工态及退火态样品进行了金相观察和断口扫描，结果如下：

图3 钼窄带退火态的纵向金相

从图2中可以看出加工态组织为纤维状，图3退火后组织状态变化不大；图4断口形貌显示加工态为脆性断裂特征，图5退火态为塑性断裂特征。由此可知成品退火是完全必要的。

图4 钼窄带加工态拉伸断口

图5 钼窄带退火态拉伸断口

3 结论

(1)用钼丝轧制窄带，丝径选择至关重要。目前根据经验数据进行估算，精确度不高，将浪费大量金属材料。

(2)钼窄带轧制以热轧为宜，温度 800～900℃，道次加工率选择20%～30%，预留拉拔加工量5%～10%。窄带宽度可通过道次加工率、前后张力、温度等参数的改变进行调整，达到理想状态时固化工艺，进行批量生产。

(3)异形模冷拉矫形，可大幅度提高尺寸精度，满足公差要求。电化学抛光可去除表面氧化、毛刺等缺陷，提高表面光洁度，使之达到指标要求。

［1］Kazeminezhad M，Karimi Taheri A.The prediction of macroscopic shear bands in flat rolled wire using the finite and slab element method［J］.Materials Letters，2006，60(27)：3265－3268.

［2］Kazeminezhad M，Karimin Taheri A.Deformation inhomogeneity in flattened copper wire［J］.Materials and Design，2007，28(7)：2047－2053.

［3］崔中圻.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，1995：200－207.