氧對(duì)鉭棒鉭板等鉭合金熱加工有哪些影響?

鉭合金因其優(yōu)異的耐高溫性和耐腐蝕性，在苛刻工況環(huán)境下的應(yīng)用越來(lái)越多，但其偏高的價(jià)格對(duì)于擴(kuò)大應(yīng)用范圍和用量有著很大的阻礙作用。對(duì)于高鎢鉭合金而言，制備成本高的一個(gè)重要原因就是加工時(shí)成材率很低。鉭是高活性金屬，暴露在300℃以上的空氣中時(shí)極易吸氧。鉭合金尤其是高鎢鉭合金的強(qiáng)度較高，變形加工特別是開坯階段往往在1000℃以上進(jìn)行。這會(huì)導(dǎo)致鉭合金急劇氧化。因表面氧化而造成的材料損失大大降低了材料的收得率，并使熱加工工件的表面質(zhì)量降低。還給后道加工工序帶來(lái)很大的困難。本文研究了高鎢鉭合金熱加工中氧對(duì)工件表面的作用及其導(dǎo)致的工件表面的缺陷類型，以期對(duì)鉭合金在熱加工過(guò)程中的氧化現(xiàn)象有個(gè)明確認(rèn)識(shí)。

1、實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際工況環(huán)境下加熱高鎢鉭合金工件，進(jìn)行自由鍛造或型模鍛造，鍛造結(jié)束后自然冷卻至室溫。觀察鍛件表面狀況。將鍛件熱軋成板，一面留有鍛造裂紋；另一面將鍛造裂紋用砂輪打磨干凈。另取熱鍛造產(chǎn)品橫截面進(jìn)行微區(qū)硬度檢測(cè)，了解從表面層到內(nèi)部的硬度變化，以此推測(cè)氧的作用深度。

2、結(jié)果與討論

2.1 高鎢鉭合金的熱加工缺陷

高鎢鉭合金的開坯加工和熱加工溫度一般均在1000℃以上，甚至達(dá)到1300℃以上。在加熱和熱變形過(guò)程中。由于鉭和氧的親和性及氧在鉭合金中較大的擴(kuò)散速度，工件表面層大量吸氧，生成氧化層，最外層為高價(jià)氧化物，因體積比基體增加很多。導(dǎo)致了表面層的粉化和崩潰，如圖1所示。由次表面層到基體，氧含量逐漸降低，形成較厚的固溶體硬化層。

變形時(shí)易產(chǎn)生表面裂紋，后續(xù)的機(jī)加工非常困難，易損傷刀具。降低機(jī)加工效率，增加材料的加工損耗。

由此而造成的材料損耗非常大(僅表面氧化層脫落即可使材料損耗5％以上。吸氧固溶硬化層被機(jī)械去除的比例更大)，致使材料的收得率非常低。當(dāng)損耗過(guò)大時(shí)，由于產(chǎn)品尺寸的限制，有可能造成單個(gè)產(chǎn)品的完全報(bào)廢。加大產(chǎn)品投料尺寸，則增加了加工余量，造成浪費(fèi)，大大降低了產(chǎn)品成材率，尤其對(duì)小尺寸的產(chǎn)品更為嚴(yán)重。

表層晶粒較難變形，晶界處易形成裂紋。鍛造自由表面多為顆粒狀突出。突出顆粒間是白色疏松的高價(jià)氧化物。如圖2所示。由于氧沿晶界擴(kuò)散較快，表面熱裂多沿晶界形成。且與氧化過(guò)程互相促進(jìn)，形成惡性循環(huán)。

熱鍛造過(guò)程中，因形狀不斷變化，鍛件的表面積也會(huì)不斷變化。表面積增加時(shí)，新鮮表面出露，與氧結(jié)合形成新的氧化表面和滲氧層；表面積減小時(shí)，則已氧化的表面易形成折疊。反復(fù)鍛造時(shí)，裂紋深入鍛件內(nèi)部形成折疊性裂紋，見圖3。繼續(xù)變形，這種折疊會(huì)造成表面大裂紋，且越來(lái)越深。在本研究的加工過(guò)程中，鍛造平面上這種裂紋的深度可達(dá)4mm以上，見圖4。

熱軋板的表面裂紋根據(jù)軋前表面狀況的不同而有所不同。若軋前表面有裂紋殘留，則軋制時(shí)基本在原有裂紋位置上擴(kuò)展，新生裂紋較少，如圖5(a)；若軋前表面裂紋處理較干凈。則軋制中表面多產(chǎn)生與軋制方向相垂直的密集小裂紋，如圖5(b)。在熱軋板的側(cè)邊，則產(chǎn)生與軋制方向約成450角的交叉裂紋，見圖6。

鉭合金表面增氧硬化不僅對(duì)熱加工有很大影響，當(dāng)熱加工產(chǎn)品表面硬化層未去除干凈時(shí)，還會(huì)對(duì)后續(xù)的冷加工造成很大影響。尤其是繼續(xù)進(jìn)行板材冷軋時(shí)。表層氧含量高時(shí)，變形抗力增大，增大了軋制力。減小了道次變形量，也使最小軋制厚度變厚，同時(shí)產(chǎn)生邊部側(cè)裂紋和表面微裂紋的可能性也大大增加。

鉭合金中氧含量增高，提高了強(qiáng)度，降低了塑性。熱加工過(guò)程中表面增氧硬化，使工件內(nèi)外的組織性能和力學(xué)性能差別變大。尤其是熱加工中，工件內(nèi)部保持原來(lái)的低氧高塑性狀態(tài)。工件表面層為高氧硬化狀態(tài)．再加上工件表面溫度低于內(nèi)部溫度，使工件外表層塑性降低很大，材料內(nèi)部的大塑性流動(dòng)使不易變形的表面被拉裂。

2.2 熱加工產(chǎn)品的表面硬化分析

在一定范圍內(nèi)。鉭合金硬度隨氧固溶量的增加而增大。測(cè)量合金的硬度可間接反映氧的固溶量。

取熱加工產(chǎn)品橫截面進(jìn)行微區(qū)硬度檢測(cè)，可知從表面層到內(nèi)部的硬度變化。圖7標(biāo)明了熱鍛件端部的顯微硬度測(cè)量部位。表l是由表面向內(nèi)部的測(cè)量結(jié)果。由表可見，顯微硬度的變化趨勢(shì)是越靠邊部越高，表層硬化層的厚度約為2 mm左右，裂紋尖端處的硬化層小于1mm，硬度的最大增加值可達(dá)2700MPa左右．增硬約1.7倍。隨硬度的增加，材料塑性降低，變形中產(chǎn)生裂紋。由此可見，熱鍛造中鉭合金表面的吸氧量非常大。因此需要通過(guò)采取一些措施，來(lái)減少工件的表面增氧。

2.3 鉭合金的熱加工防護(hù)

一般，可以采取以下的方法來(lái)減少氧的侵入：工件外金屬包套、表面涂層嗍、保護(hù)氣氛加熱、快速短時(shí)加熱和少道次大變形加工等。

包套后加工在鉭合金熱鍛造開坯階段很難做到，這是因?yàn)楹辖痖_坯鍛造溫度很高．很難找到可匹配的耐熱材料，一般的材料在1000℃以上都比鉭合金軟礙多，變形時(shí)這些包套材料很容易就會(huì)被打薄破裂或撕裂，不僅失去保護(hù)作用，還會(huì)影響加工過(guò)程的操作。本研究中，在工件表面涂以合適的表面玻璃基防氧化涂層．在變形前的加熱階段和加工變形過(guò) 程中，都可以有效地防止工件的劇烈氧化。加工后只需用砂輪打磨或噴砂方式清除表面殘留涂層即可。

若玻璃基抗氧化涂層成分選取不當(dāng)。則抗氧化效果會(huì)大大降低，有時(shí)甚至?xí)跓峒庸ひ婚_始即大量脫落，失去防護(hù)效果；采用保護(hù)氣氛加熱。可防止工件在加熱過(guò)程中的氧化，但變形過(guò)程中。使用保護(hù)氣體操作難度大，很難起到保護(hù)作用。且氣體消耗大，會(huì)危害操作人員身體健康；采用短時(shí)快速加熱、少道次大變形加工等短工藝流程，可減少工件處于高溫狀態(tài)的時(shí)間，對(duì)于減少工件的表面氧化有積極作用。

實(shí)際加工過(guò)程的操作中．應(yīng)根據(jù)加工工件的要求和現(xiàn)場(chǎng)具體條件，選擇合適的抗氧化措施，以求達(dá)到最佳能效比。

3、結(jié)論

(1)鉭棒、鉭板等鉭合金材料在熱加工過(guò)程中，表面層大量吸氧，粉化嚴(yán)重，使次表面層因氧的固溶而硬化，塑性降低，導(dǎo)致產(chǎn)生表面裂紋。且裂紋尖端處繼續(xù)快速氧化。

(2)熱加工鉭合金工件表面硬化層的厚度可達(dá)到2mm左右，由外及里硬度逐漸降低，顯微硬度的最大差值可以達(dá)到2000MPa左右。

(3)合適的表面保護(hù)涂層，在熱加工變形過(guò)程中，可有效降低工件的氧化速度，減少氧化危害。實(shí)際加工過(guò)程的操作中，應(yīng)根據(jù)加工工件的要求和現(xiàn)場(chǎng)具體條件，選擇合適的防氧化措施，以求達(dá)到最佳能效比。

參考文獻(xiàn)：

【l】 婁燕雄，劉貴材．鉭鈮譯文集【M】．長(zhǎng)沙：中南工大出版社，1987．12-33．

【2】 稀有金屬手冊(cè)編輯委員會(huì)．稀有金屬手冊(cè)(Ⅱ。)嗍．北京：冶金工業(yè)出版社．1995．462．463．

【3】婁燕雄，劉貴材．鉭鈮譯文集【M】．長(zhǎng)沙：中南工大出版社，1987．134-139．

【4】 婁燕雄，劉貴材．鉭鈮譯文集【M】．長(zhǎng)沙：中南工大出版社．1987．5l-64．

【5】 湛峰，李艷．鈦合金在等溫鍛造時(shí)的氧化行為【J】．熱加工工藝，2008，37(7)：96-98．