抗震鎢絲的摻雜機理

在原料中摻入K和Al,不能獲得抗震鎢絲,但是其產品能獲得極好的加工性能;摻入K和Si,能獲得只有極少量的中等抗震鎢絲;摻入K、Si和Al,其產品能獲得極佳的抗震性能,這是為什麼呢?

早在上個世紀70年代初,國外專家提出了抗震鎢絲鉀泡彌散強化學說,但是這種學說還是一種唯象的理論。比如,鉀泡的本質是什麼?鉀泡如何分裂,又以什麼機制形成?分裂的鉀泡個數受什麼因素控制?鉀泡在材料高溫蠕變中的作用是什麼?粗、細摻雜鎢絲再結晶行為有無本質的不同?等等。這些基本問題缺乏可靠的實驗依據和深入的理論分析。

近年來,國內外有關專家對摻雜鎢絲的燒結過程中鉀泡的產生、熱加工過程中鉀泡的特徵以及鉀泡在抗震鎢絲中的作用進行了深入的研究。

1、摻雜元素K、Si、Al的作用

(1)在原料中摻入Si,大部分Si以矽酸鹽或鎢酸鹽的形式保留在氧化鎢的表面上,它有利地保持了氧化層的疏鬆性和還原期間水分的滲透性,這樣有利於摻雜均勻,同時也有利於獲得所必需的鉀。這些鹽極容易被HF酸洗去;

(2)摻入Al,鋁在還原過程中大幅度地提高鎢粉中鉀的含量,能獲得優質的抗震鎢絲;

(3)摻入K,是為了最終產品———抗震鎢絲能獲得鉀泡,鉀泡的彌散化可以明顯地降低鎢絲的低溫脆性,減少鎢絲劈裂,使其鎢絲獲得極佳的抗震性能。

2、摻雜壓坯在燒結過程中的變化

摻雜鎢粉經過壓制成型後進行燒結,在燒結過程中主要發生以下3個階段的變化:

第一階段是使壓坯緻密化,以達到適於機械熱加工的密度和晶粒結構。

第二階段是調整壓坯的化學性質,包括K、Si、Al以及填隙濃度等,使壓坯更加適於機械加工。

第三階段是由於壓坯中含有鋁矽酸鉀(或矽酸鋁鉀),它能在燒結過程中產生鉀泡。

鉀泡的產生同燒結過程一樣,也主要分為3個階段:

第一階段是壓坯中的鋁矽酸鉀(或矽酸鋁鉀)遷移到燒結第一階段形成的孔隙頸部。

第二階段是鋁矽酸鉀(或矽酸鋁鉀)分解成低價氧化物,低價氧化物通過與表面連通的孔隙而揮發掉,在此階段大多數鋁和矽在進入固熔體之前就從與表面連通的孔隙中蒸發掉了。在第一和第二燒結階段期間,鉀僅位於亞微米球形孔隙中。

第三階段是氧從小的球形孔隙中而鉀從亞微米孔隙中擴散到不規則大孔隙中,鉀保留在鎢基體的小球形孔隙和不規則大孔隙中,當鉀擴散到大孔隙中時,其蒸氣壓力會阻礙這些孔隙的進一步收縮,使其緻密化受到限制。

3、燒結後壓坯在熱加工過程中鉀的變化

摻雜鎢壓坯燒結後,經過一系列熱加工時,含鉀的孔隙會變長成橢圓形,橢圓直徑隨熱加工的延續而變小,當含這些橢圓孔隙的摻雜鎢製品退火時,這些橢圓孔隙將會破裂成一排排球形小氣泡,或者它們收縮成單個氣泡,這就形成了鉀泡。當鉀泡形成後,它們就會增大至平衡尺寸為止。鉀泡中的鉀在高溫下呈蒸氣態充滿整個鉀泡,而在低溫下則以結晶態的薄層沉積在鉀泡的內壁上。

總之,摻雜鎢壓坯燒結的主要特徵是因含摻雜劑的還原鎢粉中亞微米空隙,它使摻雜鎢壓坯產生鉀泡。與鉀泡的產生有關聯的化學性質對摻雜鎢壓坯的性能、鉀濃度、鉀泡分佈、晶粒結構與密度,以及形成最終產品的性能都產生十分重要的影響。除了鉀泡的影響外,摻雜燒結鎢坯壓坯的密度和顯微結構也是很重要的。因此,這些問題還有待進一步深入地探討和研究。

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