钼丝抗拉强度影响因素分析

时间：2024-07-28

李晶,安耿,刘仁智,付静波,卜春阳

（金堆城钼业股份有限公司技术中心,陕西西安 710077）

0 前言

钼是一种难熔金属,具有很多优良的物理化学机械性能。钼的熔点为2 620℃。由于原子间结合力极强,所以在常温和高温下强度均非常高[1]。钼丝有良好的导电和高温性能,特别是与玻璃的热膨胀系数相近,广泛用于制造灯泡中的芯线、引出线、挂钩、支架、边杆及其他部件；钼丝是理想的电火花线切割机床用电极丝,可切割各种钢材和硬质合金,加工形状极为复杂的零件,放电稳定,表面精度高[2]。

真空电子器件用钼丝（如显像管中电子枪用芯线钼丝）和电火花线切割机床用电极钼丝,因使用条件的精密度及可靠性要求高,故对其质量和性能要求颇为严格,应有较大的延伸率和较高的抗拉强度,且尺寸偏差的允许范围≤1.0％[3]。因此,提高钼丝的抗拉强度及钼丝质量,延长线切割钼丝的使用寿命十分重要。

1 实验过程

选用4个批号的钼粉,理化性能指标见表 1,钼粉形貌见图 1。4个批号的钼粉经过等静压压制、烧结成 φ17 mm钼棒坯。压制压力为 180 M Pa,保压时间 10 m in；压制好的钼杆经 1 880℃中频烧结25 h；随后经过轧制和旋锻 2种开坯方式加工出钼杆,最后拉丝成 φ0.18 mm钼丝。

对加工出的钼丝进行拉伸实验,对比不同粒度、不同开坯方式、不同钼粉形貌加工出的钼丝力学性能,分析钼丝抗拉强度和延伸率的影响因素。

1#、2#钼粉的费氏粒度接近,3#、4#钼粉的费氏粒度接近。4个批号的钼粉采用旋锻、轧制开坯 2种方式加工出钼丝。

图1 钼粉扫描电镜照片

1#钼粉费氏粒度最小,形貌多为球形颗粒,大小不均匀,低倍数（200×）下有些团聚现象。2#钼粉颗粒大小较均匀,多为单颗粒形貌,低倍数（200×）下也比较均匀。3#钼粉颗粒大小不均匀,较小的颗粒为球形形貌,较大的颗粒为单颗粒形貌,低倍数下（200×）有少量团聚。4#钼粉颗粒较大,多为单颗粒形貌,低倍数（200×）下颗粒分布均匀,无团聚现象。

2 实验结果与分析

对加工出的4个批号φ0.18 mm钼丝进行力学性能检测,采用旋锻开坯方式加工出的钼丝力学性能检测结果见表 2。

表2 钼丝抗拉强度和延伸率

根据表 2的实验结果,3#-1的抗拉强度最低, 2#-1的抗拉强度最高。

采用轧制开坯方式加工出的钼丝力学性能检测结果见表3。

表3 钼丝抗拉强度和延伸率

根据表 3的实验结果,3#-2的抗拉强度最低, 2#-2的抗拉强度最高。

2.1 钼粉费氏粒度对钼丝力学性能的影响

在同等实验条件下,钼丝抗拉强度与钼粉费氏粒度的关系如图 2所示。（a）为采用旋锻开坯方式加工出的钼丝与钼粉费氏粒度的关系曲线图,（b）为采用轧制开坯方式加工出的钼丝与钼粉费氏粒度的关系曲线图。

图2 钼粉费氏粒度与钼丝抗拉强度的关系

从图 2中可以看出,无论采用旋锻开坯方式还是轧制开坯方式加工出的钼丝,其抗拉强度与原钼粉的费氏粒度不存在线性关系。但是,从图中可以看出,费氏粒度为 3.0μm的钼粉,具有最大的抗拉强度。对应于钼粉的形貌（图 1）分析,1#、3#钼粉的形貌都存在颗粒团聚现象,2#、4#钼粉的颗粒大小均匀。从这一点来看,2#、4#钼丝的抗拉强度比 1#、3#钼丝的抗拉强度高。因此,对于同样形貌的钼粉来说,随着钼粉费氏粒度的减小,钼丝的抗拉强度增大。

在通常温度下,晶粒越细,标志着晶界面积越大、强度越高,因而变形多集中在晶内且分散在很多的小晶粒内进行,使变形比较均匀。这样变形时所造成的应力集中就小些,集中的应力也比较容易得到松弛,从而使在断裂前能进行较大的变形,故表现出较高的塑性。因此,钼粉的颗粒越小,则晶界越多,常温强度和硬度就越高,表现出的塑性也越好。所以,钼粉费氏粒度越小,加工出的钼丝力学性能越好。

2.2 开坯方式对钼丝力学性能的影响

从表 2、表 3可以看出,1#-2比 1#-1的抗拉强度高,2#-2比 2#-1的抗拉强度高,3#-2比 3#-1的抗拉强度高,4#-2比 4#-1的抗拉强度高。也就是说,对于同一个批号的钼丝来说,采用轧制开坯方式加工出的钼丝抗拉强度比用旋锻开坯方式加工出的钼丝抗拉强度高。

有些文献[3～5]已经在开坯方式对钼丝性能的影响方面做了一些研究,认为采用轧制开坯其变形量大,可以提高材料的力学性能和内部质量。同时,钼丝的抗拉强度和延伸率较高,综合力学性能良好。

轧制加工时,材料的变形程度大,再结晶开始与终了温度有所降低,晶粒变细；同时在一定的工具速度下,变形程度的提高也引起变形速度的提高。变形程度与变形速度的变化,又同时影响变形温度的变化,从而影响到硬化与软化的效果,它又影响变形形式的变化,这些都使金属组织发生变化,从而影响金属性能。

旋锻加工时,一般材料断面上的硬度和抗拉强度是由中心层向表面层逐渐增大,特别在道次压缩率较小、道次数增多时更加明显。因此,在材料的表面层易形成具有很发达的纤维组织的硬外壳。这个硬外壳不仅硬,而且质脆,使材料的加工性能变坏。在旋锻加工时,金属的变形和组织的不均匀,必然会引起材料横断面上的性能分布也是不均匀的。

因此,在相同的拉丝工艺条件下,轧制加工出的钼丝力学性能比旋锻加工出的钼丝力学性能好。

2.3 钼粉形貌对钼丝力学性能的影响

对比图 1的扫描电镜照片可以看出,2#和 4#的钼粉为单颗粒形貌,团聚体非常少；而 1#和 3#的钼粉有多种团聚体出现。对应于加工出的钼丝,无论采用哪种开坯方式,2#、4#的钼丝比 1#、3#的钼丝抗拉强度高。说明颗粒大小均匀、且无团聚的钼粉,加工出的钼丝具有较高的抗拉强度。

在金属压力加工中,由于钼粉颗粒大小的不均匀性,造成晶粒的不均匀。晶粒的不均匀性、晶粒的取向和晶界对硬化的影响也是比较大的,尤其是晶界阻碍位错的滑移造成的影响更甚。晶体在塑性变形中产生应力与变形的不均匀分布,也可以由各晶粒所受的应力图示不同和晶粒的大小不同所造成。当晶体中各个晶粒的大小不同时,其各个晶粒的变形抗力便有所不同,这样也会加强应力与变形的分布不均。晶粒大小的差别越大,应力与变形分布的不均匀程度就越大。

颗粒大小不均匀的钼粉,表现出晶体变形的不均匀性,这种不均匀性不仅表现在各个晶粒之间,而且在同一晶粒的各个部分也表现出差异；显然这种变形发展的不均匀性,是由于不同晶粒在空间取向不同所致。这种晶粒间受到的不均匀应力,必然造成晶体的变形不均匀。此外,当晶体各晶粒的机械性能,如屈服强度不同时,在外力作用下将产生不同的变形程度,造成晶体的变形不均匀。

因此,具有颗粒大小均匀、无团聚的钼粉,加工出的钼丝力学性能优良。