掺杂钨丝的低温延性

一、原材料的纯度

试验表明,极高纯度的钨具有优异的室温延性,即金属钨的本身并不脆。钨丝之所以产生低温脆性,主要是有害杂质元素的影响。因此,原材料的纯度是影响钨丝低温延性的一个重要因素,这种影响有时甚至不能通过垂熔提纯而得到消除。

已经证实,杂质元素镍和铁的存在,对钨丝的低温延性不利,如铁的含量过高,甚至可使钨丝的塑-脆性转变温度升高到700℃,实际上已无法进行加工。

间隙杂质氧、氮、碳被公认为是对钨的低温延性最有害的元素,随着这些杂质元素含量的增加,钨丝的塑-脆性转变温度急剧升高,绕制性能显著变坏。其中,当氧含量达到30×10×-6时便以第二相的形式存在,可见氧在钨中的溶解度极低;若氧含量增加至80×10×-6,则生成钨的氧化物并沿晶界分布,使钨丝容易发生晶界断裂。当氮含量达到30×10×-6时,将产生室温硬化,且氮与钨所生成氮化物也沿晶界分布,于钨丝的加工和绕制性能不利。元素碳极易在钨坯生产和钨丝加工中生成硬而脆的碳化物,造成脆性断裂。

可见,某些金属元素和间隙杂质的危害是不容忽视的。

目前,可通过多种化学提纯方法有效降低原材料中的杂质含量,例如APT的反复结晶法,APT的硝酸处理法,钨酸钠溶液的离子交换法等等。但是,为了不致过高地增加钨丝生产成本,目前在实际生产中,采用氨溶提纯钨酸去除杂质的方法比较适宜。

二、附加剂的作用

为了使钨丝具有良好的高温抗下垂性,通常在钨中掺有一定量的硅、铝、钾。、然而对钨的低温延性而言,这三种掺杂元素均不直接起有益作用。因此,为了使掺杂钨丝兼具良好的高温抗下垂性和较好的低温延性,除需在掺杂工艺中控制掺杂剂的添加量(如K2O≤0.45%;SiO2≤0.4%,Al2O3≤0.03%)外,常常还加入一些和间隙相杂质亲和力较大的替代合金元素作为清洁剂,以达到使钨基体中的间隙元素生成稳定的化合物,从而降低间隙元素对钨室温脆性有害影响的目的。现已发现,将微量的钌或钴添加到钨中均可改善钨丝的低温延性,这已在许多厂家的生产实践中得到验证。

我厂在三氧化钨中掺杂硅、铝、钾时,再添加0.015%的钛(以三氯化钛溶液加入),制得一种含钛的耐高温钨丝,其塑性和弯折性都很好。常规检验数据表明,含钛掺杂钨丝的绕制合格率比不含钛掺杂钨丝提高了25%,其室温延伸率也由原2.70%提高到3.64%。

由此可见,添加微量的适当金属元素作为附加剂,可使掺杂钨丝的低温延性得到有效改善。

三、丝材的表面状况

加工过程中,钨丝可能出现的表面缺陷达20余种,可归结为表面机械损伤和表面沾污这两大类,且都将对钨丝的低温延性造成不良影响,机械损伤,如微小的分层、裂纹、劈裂、凸起和凹坑等缺陷,最终可能形成应力集中点,从而使钨丝的塑性降低。总结多年的生产实际情况,细钨丝的延性下降,很大程度上就是因其表面质量不良所引起。表面沾污,主要体现为钨丝表面沾污有某些有害金属,如钨镍合金是一种硬脆性物质,当钨丝表面沾污有镍时,在1100℃以上就有可能出现脆性;而当镍-磷共存时,于800℃以上也会产生脆性。在进行绕制和折叠成形时,应力集中于钨丝的脆性部分,即使应力很小,也可能产生断裂。

为了消除加工过程模具(旋锻模)引起的沾污和加工过程中产生的表面缺陷,通常采用电解清洗法。一般将旋锻至d8mm左右的钨棒放入自制的电解清洗槽中,用浓度为28%的氢氧化钠溶液进行电解清洗,继续旋锻至d4mm左右时,再进行一次电解清洗(两次电解清洗总的金属损失量控制在<3%范围)。这样可使丝材的表面状况得到明显改善,光洁度增加,从而减轻了钨丝在绕制过程中应力集中的程度,使低温延性大大提高。

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