摻雜鎢絲的低溫延性

一、原材料的純度

試驗表明,極高純度的鎢具有優異的室溫延性,即金屬鎢的本身並不脆。鎢絲之所以產生低溫脆性,主要是有害雜質元素的影響。因此,原材料的純度是影響鎢絲低溫延性的一個重要因素,這種影響有時甚至不能通過垂熔提純而得到消除。

已經證實,雜質元素鎳和鐵的存在,對鎢絲的低溫延性不利,如鐵的含量過高,甚至可使鎢絲的塑-脆性轉變溫度升高到700℃,實際上已無法進行加工。

間隙雜質氧、氮、碳被公認為是對鎢的低溫延性最有害的元素,隨著這些雜質元素含量的增加,鎢絲的塑-脆性轉變溫度急劇升高,繞制性能顯著變壞。其中,當氧含量達到30×10×-6時便以第二相的形式存在,可見氧在鎢中的溶解度極低;若氧含量增加至80×10×-6,則生成鎢的氧化物並沿晶界分佈,使鎢絲容易發生晶界斷裂。當氮含量達到30×10×-6時,將產生室溫硬化,且氮與鎢所生成氮化物也沿晶界分佈,於鎢絲的加工和繞制性能不利。元素碳極易在鎢坯生產和鎢絲加工中生成硬而脆的碳化物,造成脆性斷裂。

可見,某些金屬元素和間隙雜質的危害是不容忽視的。

目前,可通過多種化學提純方法有效降低原材料中的雜質含量,例如APT的反復結晶法,APT的硝酸處理法,鎢酸鈉溶液的離子交換法等等。但是,為了不致過高地增加鎢絲生產成本,目前在實際生產中,採用氨溶提純鎢酸去除雜質的方法比較適宜。

二、附加劑的作用

為了使鎢絲具有良好的高溫抗下垂性,通常在鎢中摻有一定量的矽、鋁、鉀。、然而對鎢的低溫延性而言,這三種摻雜元素均不直接起有益作用。因此,為了使摻雜鎢絲兼具良好的高溫抗下垂性和較好的低溫延性,除需在摻雜工藝中控制摻雜劑的添加量(如K2O≤0.45%;SiO2≤0.4%,Al2O3≤0.03%)外,常常還加入一些和間隙相雜質親和力較大的替代合金元素作為清潔劑,以達到使鎢基體中的間隙元素生成穩定的化合物,從而降低間隙元素對鎢室溫脆性有害影響的目的。現已發現,將微量的釕或鈷添加到鎢中均可改善鎢絲的低溫延性,這已在許多廠家的生產實踐中得到驗證。

我廠在三氧化鎢中摻雜矽、鋁、鉀時,再添加0.015%的鈦(以三氯化鈦溶液加入),制得一種含鈦的耐高溫鎢絲,其塑性和彎折性都很好。常規檢驗資料表明,含鈦摻雜鎢絲的繞制合格率比不含鈦摻雜鎢絲提高了25%,其室溫延伸率也由原2.70%提高到3.64%。

由此可見,添加微量的適當金屬元素作為附加劑,可使摻雜鎢絲的低溫延性得到有效改善。

三、絲材的表面狀況

加工過程中,鎢絲可能出現的表面缺陷達20餘種,可歸結為表面機械損傷和表面沾汙這兩大類,且都將對鎢絲的低溫延性造成不良影響,機械損傷,如微小的分層、裂紋、劈裂、凸起和凹坑等缺陷,最終可能形成應力集中點,從而使鎢絲的塑性降低。總結多年的生產實際情況,細鎢絲的延性下降,很大程度上就是因其表面品質不良所引起。表面沾汙,主要體現為鎢絲表面沾汙有某些有害金屬,如鎢鎳合金是一種硬脆性物質,當鎢絲表面沾汙有鎳時,在1100℃以上就有可能出現脆性;而當鎳-磷共存時,於800℃以上也會產生脆性。在進行繞制和折疊成形時,應力集中於鎢絲的脆性部分,即使應力很小,也可能產生斷裂。

為了消除加工過程模具(旋鍛模)引起的沾汙和加工過程中產生的表面缺陷,通常採用電解清洗法。一般將旋鍛至d8mm左右的鎢棒放入自製的電解清洗槽中,用濃度為28%的氫氧化鈉溶液進行電解清洗,繼續旋鍛至d4mm左右時,再進行一次電解清洗(兩次電解清洗總的金屬損失量控制在<3%範圍)。這樣可使絲材的表面狀況得到明顯改善,光潔度增加,從而減輕了鎢絲在繞制過程中應力集中的程度,使低溫延性大大提高。

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