董建英,鐘 銘,孫 偉,繆陽(yáng)谷,吳朝圣,呂思鍵

(河北星耀新材料科技有限公司,河北 廊坊 065400)

0 引 言

鉬是一種銀色具有高熔點(diǎn)及高沸點(diǎn)的難熔稀有金屬。鉬的膨脹系數(shù)較低,硬度和強(qiáng)度極限比鎢低,加工性能穩(wěn)定,具有很好的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱導(dǎo)電性,廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工工業(yè)、航天工業(yè)和核能技術(shù)等領(lǐng)域。但是,純鉬在高溫下易氧化,再結(jié)晶溫度低,再結(jié)晶后容易發(fā)生脆斷,用于高溫抗磨領(lǐng)域時(shí)耐磨性較差,這些缺陷限制了鉬及其合金的加工性能與應(yīng)用范圍[1-3]。鉬合金通過(guò)添加少量錸元素形成固溶強(qiáng)化會(huì)大大降低鉬合金的塑脆轉(zhuǎn)變溫度,最低可達(dá)-254 ℃,這使得鉬在常溫下表現(xiàn)出良好的加工性能[2]。在鉬、鎢中加入少量的錸即可使再結(jié)晶溫度明顯提升、塑脆轉(zhuǎn)變溫度降低,這也被稱為“錸效應(yīng)”[4-9]。錸在鉬中存在溶解度極限,大于該極限值會(huì)產(chǎn)生σ相,當(dāng)σ相過(guò)多時(shí)性能會(huì)下降,較為合適的成分為Mo-47.5%Re[10-11]。本文針對(duì)不同退火溫度對(duì)Mo-47.5%Re合金棒的性能影響進(jìn)行了研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 坯料的制備與變形加工

采用粉末冶金、氫氣燒結(jié)方法制備 Mo-47.5%Re(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)合金,原料為費(fèi)氏粒度3.8 μm純鉬粉和5 μm純錸粉。加工工藝流程為:鉬粉+錸粉(過(guò)300目篩)→雙運(yùn)動(dòng)混料機(jī)合批24 h→摻入成型劑(酒精+甘油)[12]→壓型(壓力250～700 MPa)→脫去成型劑并預(yù)燒結(jié)(緩慢升溫至1 150 ℃保溫1 h)[13]→中頻爐高溫?zé)Y(jié)(2 050～2 330 ℃)[14]→旋鍛。燒結(jié)坯的密度≥95%。燒結(jié)坯的直徑為12 mm。將坯料經(jīng)過(guò)旋鍛鍛打至φ3.6 mm,總變形量為91%,鍛打溫度為1 400～1 100 ℃。

1.2 退火及測(cè)試

將6個(gè)Mo-47.5%Re合金樣品分別置于氫氣退火爐中在1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 ℃下進(jìn)行 1 h 退火后,再置于中頻爐中2 050 ℃退火5 h,并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。采用Archimedes 排水法測(cè)定樣品的密度。采用WYJ-4XBD型金相顯微鏡對(duì)樣品磨光表面進(jìn)行金相分析,根據(jù)GB/T 6394-2017得出平均晶粒尺寸。采用華銀HVS-50數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試材料的硬度,載荷為30 kg,保持時(shí)間為10 s。采用濟(jì)南聯(lián)工的CMT-100萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸測(cè)試,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T228.1-2021。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相、密度及硬度分析

圖1為Mo-47.5%Re合金燒結(jié)坯料的金相組織圖,燒結(jié)態(tài)密度為12.9 g/cm3,相對(duì)密度95.2%,硬度為258 HV30。燒結(jié)態(tài)組織均勻、晶粒細(xì)小,平均晶粒尺寸為21.3 μm。金相中可以看見(jiàn)一些燒結(jié)孔洞,這與密度未達(dá)到100%的理論值相對(duì)應(yīng)。

圖1 燒結(jié)態(tài)金相圖

圖2為Mo-47.5%Re合金在不同退火溫度下的棒材縱截面金相組織。由圖2(a)可看出,鍛打態(tài)金相組織為經(jīng)過(guò)大變形量加工拉長(zhǎng)的晶粒組織;圖2(b)為 1 100 ℃退火試樣的金相組織,其形貌仍為拉長(zhǎng)的晶粒組織,與圖2(a)相比無(wú)明顯變化,說(shuō)明未發(fā)生再結(jié)晶;圖2(c)為1 200 ℃ 退火試樣的金相組織,與圖2(a)、(b)對(duì)比其出現(xiàn)少量細(xì)小等軸晶粒,說(shuō)明開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶;圖 2(d)、(e)為 1 300 ℃和 1 400 ℃退火試樣的金相組織,可發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)溫度點(diǎn)下,晶粒已完全等軸化,且 1 400 ℃ 退火試樣等軸程度更深,說(shuō)明合金在1 300 ℃時(shí)已經(jīng)完全再結(jié)晶,此時(shí)平均晶粒尺寸為8.7 μm;圖2(f)為1 500 ℃ 退火,可以看出晶粒已明顯長(zhǎng)大,極個(gè)別部位夾雜零星細(xì)晶粒,平均晶粒尺寸為21.5 μm;圖2(g)為中頻感應(yīng)加熱至2 050 ℃退火的金相,可以看出晶粒長(zhǎng)大很多,晶粒形貌接近燒結(jié)態(tài)晶粒形貌,晶粒間結(jié)合緊密無(wú)孔洞,平均晶粒尺寸為60.2 μm。[7,15]

圖2 不同溫度退火金相組織圖

Mo-47.5%Re合金棒根據(jù)退火狀態(tài)可分為去應(yīng)力退火態(tài)、部分再結(jié)晶態(tài)、完全再結(jié)晶態(tài)及晶粒長(zhǎng)大態(tài)。再結(jié)晶起始溫度為1 200 ℃左右,完全再結(jié)晶溫度在 1 300 ℃左右。Mo-47.5%Re合金棒開(kāi)始再結(jié)晶溫度較相同變形量的純鉬棒的開(kāi)始再結(jié)晶溫度(900 ℃)高300 ℃左右。

表1為對(duì)不同溫度退火后的樣品橫截面(垂直于長(zhǎng)度方向面)和縱截面(平行于長(zhǎng)度方向面)邊緣處及中心處的硬度測(cè)試結(jié)果,作比較的硬度均值為橫中、橫邊、縱中、縱邊得出的算數(shù)平均值。由表1可知:樣品中心的硬度要大于樣品邊緣的硬度;未退火時(shí)硬度為486.3 HV30,硬度較大,當(dāng)溫度為2 050 ℃硬度為281.3 HV30;隨著退火溫度的升高硬度呈下降的趨勢(shì)。

表1 對(duì)不同溫度退火后的樣品的橫截面和縱截面的邊緣處和中心處硬度測(cè)試結(jié)果

圖3為硬度隨退火溫度的變化圖。硬度整體呈現(xiàn)出隨溫度的升高逐漸下降的趨勢(shì),按線性擬合曲線得出,硬度與退火溫度的關(guān)系為:y=-0.1045x+492.28。

圖3 硬度隨退火溫度變化圖

2.2 室溫力學(xué)性能分析

圖4為Mo-47.5%Re合金棒在不同退火溫度條件下室溫拉伸力學(xué)性能變化情況。

圖4 抗拉強(qiáng)度、延伸率隨退火溫度變化圖

由圖4可知:合金棒在 1 300 ℃前抗拉強(qiáng)度下降不明顯,塑性緩慢提高,在1 300 ℃后,抗拉強(qiáng)度下降幅度增大,延伸率有提升趨勢(shì),說(shuō)明1 300 ℃時(shí)再結(jié)晶完成;繼續(xù)提高退火溫度至2 050 ℃,抗拉強(qiáng)度下降明顯,延伸率較高。在1 300 ℃退火完全再結(jié)晶后鉬錸合金仍有較高的強(qiáng)度,分析是由于錸元素加入鉬中,提高了晶粒和晶粒之間的結(jié)合力,使得鉬錸合金在拉伸時(shí)有很好的延伸率,這是錸提高塑性的原因之一[16];另一方面,鉬錸合金的變形方式有一定的改變,通常的鉬合金在常溫變形情況下沒(méi)有孿晶變形的發(fā)生,但是鉬錸合金在常溫時(shí)孿晶變形很普遍,這種孿晶變形對(duì)于發(fā)生再結(jié)晶的鉬錸合金尤其突出,錸元素加入鉬中,使得鉬錸合金更容易發(fā)生孿晶變形,這是錸元素提高鉬合金塑性的另一個(gè)重要原因[16]。在圖2(g) 2 050 ℃退火的金相中可以觀察到孿晶界的存在。

3 結(jié) 論

(1)91%變形量的Mo-47.5%Re合金棒去應(yīng)力退火溫度為1 100 ℃左右,再結(jié)晶起始溫度為1 200 ℃左右,完全再結(jié)晶溫度在 1 300 ℃左右。

(2)Mo-47.5%Re合金棒硬度在未退火時(shí)較大,為486.25 HV30,當(dāng)退火溫度為2 050 ℃硬度為281 HV30,硬度整體呈現(xiàn)出隨溫度的升高逐漸下降的趨勢(shì)。

(3)Mo-47.5%Re合金棒的拉伸強(qiáng)度隨著退火溫度的增加逐漸下降,去應(yīng)力退火態(tài)的拉伸強(qiáng)度為1 362 MPa,2 050 ℃退火后雖然晶粒明顯增大,但仍有較高的強(qiáng)度(891 MPa)。

(4)Mo-47.5%Re合金棒在不同退火溫度下的延伸率隨退火溫度的升高呈升高的趨勢(shì),2 050 ℃退火后延伸率仍可達(dá)22.42%。