钨材的深度加工问题

 

我们知道钨有许多宝贵的性能，极高的熔点、低的蒸汽压、高温下的低膨胀性和尺寸稳定性，优异的高温力学性能以及特殊的电性能，正是钨的这些宝贵性能，使钨成为当今高技术当中的基础材料，国防建设中不可缺少的材料和与人民生活质量息息相关的材料，因此钨在国民经济当中有着重要的地位和作用，我们国家是世界上钨资源大国，也是当今世界上钨制品的生产大国，2003年根据钨协统计，钨制品实际产量达到2570吨左右，占我国钨消耗量的15%-16%，这表明我国钨的加工制品有了长足的发展。目前，钨制品所占的比例偏小，只占全国钨消耗的15%-16%，占钨总出口量的13.9%左右，还包括硬质合金在里面。因此，高技术、高附加值和钨的应用产品比重就更小了，这说明，我们国家的钨的深度加工环节还比较薄弱，还要很大的发展余地，因此，发展钨制品特别是钨材的深度加工制品及其技术，对促进我国钨业的发展具有特殊的意义。

下面先谈一下钨的加工流程及深度加工的内容，大家看到这个图表示钨的加工流程，这个流程呈三个环节，从左面来看本身是制品或钨的制品烧制环节，当中这个环节是钨的加工环节，在第三个环节是钨加工材的制品环节，我们从第一个环节来看，APT经过还原到粉末，第一次到成型，经过烧结得到不同的钨坯，以及通过烧结得到不同的钨制品，这是一个非常重要的环节，也就是说，钨制品其中一个很大的环节就在这地方，通过烧结得到了所需要的制品，当中的环节就是加工的环节，通过把不同烧结的坯料，条坯、板坯和管坯通过不同的加工手段得到了所需要的加工材，这里面条坯经过拉伸得到各种棒材，棒材再经过拉伸得到丝材，这就是棒丝的环节，第二个波纹，大家看到板坯经过箔轧制，热轧、冷轧和箔材轧制得到板坯、板材，第三个就是管材经过轧制或者旋压等手段得到管材，这是管材环节，因此这部分就是措加工材这个环节，各种加工材经过最后一道工序，深度加工变成制品，这个也是钨的第二个制品的环节，因此，钨制品从烧结制品、深度加工这两个环节，一个制品我今天所讲的就是最后一个环节，就是怎么样把钨的加工材变成一个制品的问题？从上面我们可以看到，钨有两大制品，一个烧结制品，一个加工材制品，这个图表示钨的各种各样烧结品的情况，这张图表示钨的加工材的制品，这个报告的重点主要是钨材深加工技术，也就是说把变型加工所得到的加工材、板材、带材、箔材、棒材、丝材、管材等转变的零件或部件的技术，从上面可以看到，钨材的深加工有哪些技术，有哪些内容呢？这张图我们能够看到，它主要包括以下几个方面，第一，成形加工，把不同钨材经过弯曲等变成各种形状，这就是成形加工方面，有冷成形、热成形、高温成形等等。第二，机械加工，还有接合，包括焊接和其它方面，还有表面处理。通过上面这几个技术的综合，就能把钨加工材变成所需要的元件或者组件进行使用。我们举个例子来说，钨板的发热体，实际上是上面技术的综合，比如说，我们要让钨板成形，要围个形状，需要成形技术，钨和钨要焊在一起，这里面是一个焊接的技术，钨要成这形状要通过电火花切割的技术，所以它是各种技术综合在一起的产品，这个图纸也反映了钨对发热体的技术，它除了电化切割技术和片材成形技术以外，另外加上一个钨丝网的编制技术，钨丝网编制技术要和电源连在一起，需要通过用焊的技术把钨丝网和电接爪焊在一起，构成整个钨丝网的发热体，这个发热体目前对金属来说，是温度达到最高的一上组件，因此这些东西都是不同技术的组合成面的。

下面我们谈一下钨材深度加工的主要技术及其分析，我们看成形加工技术上面说的，钨制品需要解决两大问题。第一，材料的使用性能问题，比如说应力断裂、蠕变疲劳等这些性能，这是材料研制方面的问题。第二，材料的加工与成形技术，这就是我们今天要讲的题目，在讲到钨成形的时候，首先我们要谈到钨成形的加工曲线，这个曲线反映了钨的延性、脆性转变温度、再结晶温度和冲、弯曲等变形温度和钨板的厚度高性能曲线。大家看到这个图，纵坐标表示温度，横坐标表示钨板的厚度，钨板变得越薄、变形越大，上面都看到有几个温度的问题：第一个线的延脆转变温度，钨有个本性，就是说有一个从延性转变到脆性的过程当中，这个温度一下，如果对它成形的话，它就脆了，所以说很多的钨加工技术成品率很低，没有掌握规律的话，在低温度下一锤子买卖就完了，所以说钨的延脆转变温度对于钨的成形加工来说是一个非常关键的因素。再看上面的再结晶温度，如果说在再结晶温度之前进行变形加工，钨的晶粒长大，加工性变差，只有在这两个温度之间进行变形，冲、弯才能够顺利进行。从这条曲线，我们可以得到如下几点启示：第一，钨的延性、脆性转变温度，大家知道钨的延脆转变温度对钨成形加工具有特殊意义，也就是说，低于这个转变温度的时候，钨是呈脆性的，不能对它进行变形加工，只有在高于延性温度下，才能进行加工，这个转变温度随着变形力的增加下降，所以通常钨的转变温度是在150^。-450^。左右，我们再看到另外一个作用，再结晶温度的时候，如果说变形超过再结晶温度，钨发生再结晶长大，强度、硬度都下降，因此就产生脆性，不宜进行变形，所以说，再结晶温度是加工的上限温度，钨的一般再结晶温度是1150^。-1400^。左右，从上面我们可以看到，成形的适合温度的下限很显然是转变温度，上限是再结晶温度，所以成形所采用的弯曲、冲、打都需要在这两个温度范围内进行，这两个温度比较起来说，延脆转变温度更为重要，因为延脆温度往往我们不太熟悉，但是它对变形加工很重要，累为我们过去不太熟悉它，问题就出在这上面。

下面我着重谈一下延脆转变温度，在钨成形过程中以引起大家注意。这个就是钨的旋压图，通过旋压把钨变成各异形的产品，上面说的钨的延脆温度是一个非常重要的温度，那么影响这个转变温度有哪些因素呢？我只简单说一下，一个因素就是元素氧和碳的含量，大家在实际工作当中都遇到这个问题，氧和碳的含量对这个转变温度有非常明显的影响，上面两条曲线实线表示氧的影响，虚线表示碳的影响，这个表示多晶的钨，下面两上是单晶的钨，从这个曲线可以看到，氧对转变温度影响比碳要大得多，所以说在同样的浓度下，氧对碳的影响就更为危险。从这个曲线里可以到以下几点启示：

第一，钨的延脆转变温度都随着碳氧含量增加面升高。在相同的原子浓度的时候，氧对转变温度是有着更有害的影响，因为氧含量高的时候，容易引起钨的脆性，主要有氧在晶界上面发生偏析，这种偏析就降低了表面的能，促使钨晶离子结构发生破裂，引起脆。碳的脆化作用主要在于位错与碳化物颗粒间的相互作用，导致为消除位错应力和屈服应力提高，因此对转变温度是非常不利的。下面着重介绍一下钨里面一些非金属杂质的含量影响问题，这张图表示Plansee公司的纯钨烧结坯的杂质控制，大家知道，碳氧对烧结坯的控制十分重要，因为它有遗传性，所以说坯料元素的控制应该严格进行。这里面顺便谈一下Plansee的问题，在座的好多人都熟悉，Plansee公司是澳地利的，专门从事难用金属生产的一个制品生产集团，它年产钨制品600吨左右，钼制品1100吨左右，它实际也是从钨粉开始，一直到钨加工，它加工的各种粉末、板材、箔材它不卖，自己用，转变成钨制品、烧结制品或者是变成元件再输出，因此它主要是卖元件或器件，附加值非常高，所以它有这个原因搞高成品，生产成品率对碳或氧的控制非常严格，在这个坯料里面，钨的碳氧最大30个PPM左右，但是实际上都小5个或10个PPM，控制很严格

第二，自备工艺对后备温度，对延脆转变温度的影响。不同的制作工艺对转变温充是不一样的，我们可以看到有粉末冶金工艺，有电弧熔炼工艺，还有其它工艺，从这个工艺我们看到，粉末冶金工艺来说，在再结晶温度下加工出来的加工材是非常有利的，因为在这种情况下，它得到的转变温度是最你的，所以说恰好钨的现在一般制品都是烧结坯时的，就是说粉末冶金工艺这点来说非常好，但是一旦超过再结晶温度时，它的转变温充迅速增加，因此对粉末冶金生产的产品控制这方面逐步认识，从上面可以看到下面几点启示：一方面，各种制品材料的转变温度都随着退火温度升高而升高的，粉末冶金和电弧熔炼的材料转变温度比其它工艺都要低，这是十分有利的。另一方面，就再结晶状态而言，在各种材料当中，粉末冶金法更有利于转变温度，有利于成形。下面看变形量的影响，变形量越大，转变温度就越低，左面a表示变形量达到89%时候的钨板，转变温度280^。左右，一旦变形量达到95%，它的转变温度则下降到240^。。再下面看一下钨钍丝随着变表量的增加，转变温度也是下降的，钨钍丝在变形量达到95%的时候，它的组织状态是一个显微状状态。

第三，晶粒度的影响。不同的晶粒度，转变温度也不一样，之这里可以看出，随着晶粒度尺寸增大，转变温度升高，增到一定程度后再下降。为了很好地控制这个转变温度，必须采取合适的晶粒度来进行生产。从上面这个曲线可以看到，转变温度随着晶粒尺寸的增大先升后降，而中等粒度是不太好的，因为转变温度非常高，实验细晶粒有利于转变温度比较低的，一般来说细晶粒组织比较细，对再加工是非常有利的，因此可以通过细化晶粒的各种途径，如掺杂、添加稀土等可以把材料晶粒度调整到合适的范围内，以便更有利于下一步的成形加工。

第四，表面状态。钨搞完以后表面不可避免的有裂纹或曲线，通常是通过消除表面裂纹或刮痕，处理方法通过有电解抛光法、氧化法、喷射法和研磨法，不同方法处理的表面，粗糙不一样，对转变温度影响也不一样。我们看到下面这个图，纵坐标表示变形加工的变形量，横坐标表示转变温度，实线的有抛光法、氧化化、机械法和缺口法，温度最有利于表面处理方法，实际上是氧化法和电解抛光法，所得到的转变温度最低，如果说表面不处理也就是带缺口的那个，它的转变温度相当高，搞不好很快就引起裂纹，成形法就讲这些。

下面主要简单谈一下接合技术。我们知道钨做的元件必然或偶然要进行接合，上面已经谈到了它主要有熔焊、钎焊还有机械方法等等。下面着重谈一下熔焊的方法，最常用的方法是钨弧焊接法和电子束焊方法，这两种方法相比，电子束焊可以得到更大的深度与宽度比值，也就是说电子束焊接法比钨弧焊要好，同样的宽度它可以焊得更深一些，它的热影响区也就更小一些，一般来说，电子束焊法是比较好的方法，熔焊对材料的低应力区要进行考虑，因为焊接区设计的方法或选择十分重要。我们举个例子来说，同样焊一个钨筒，要不同的设计方法，a、b方法就不太好，这里在有很大的应力区，焊网往往要发裂，第三个实际是低应力区的方法，刚好质量可以得到保证，焊接方法要考虑低于焊接区来进行。下面这张表表示Plansee公司使用的钨的钎焊用料实例，再下面是Plansee公司使用的钨和石墨焊接的材料。再一个技术就是铆焊方法，钨和钨或钼一般用钨铆钉或钼铆钉进行连接的方法，Plansee公司所用的钨园头铆钉主要标准是一种，埋头尺寸标准也是这样。第三个技术，机械加工法，主要有车削、磨削和电火花加工切割方面。还有一个表面处理技术，因为工件出去以后表面要除油、氧化物，一般要脱脂、碱洗或酸洗的方法进行，因时间关系不再进行。

第三大部分，钨的深度加工产品的广泛应用。这张图可以看出钨在国防、民用工业或生活日用品中都有广泛的应用。下面举一个简单例子来看，在电光源上面，大家都很熟悉，掺杂钨丝、钨特灯或氙弧灯都是由钨来做，这个图表示宽银幕电影上用的特殊光源，用了一个无辐灯电源。在电子工业中，钨有特殊的用途，因为它有特殊的电性，这张图表示高功率微波管用的大表面积钨阴极。在电力工业方面，钨铜高压触头是很重要的方面。在汽车工业中，马达点火器用的钨触点也是很多的。还有高温炉的构建，从发热体到隔热屏，一直到炉的支架都用了高熔点的钨作为材料。在玻璃和陶瓷工业中，钨流口是陶瓷显微生产的一个非常关键的元件。在核工业方面，就废核燃料再生处理钨坩埚来就就用了，在现代的聚核反应过程中，在第一壁里面很多用了钨和钼材料。在医疗器械中，这个表是CT机上准直度所用钨片的情况。大家都很熟悉，钨使用的蒸镀用钨舟、钨弧焊接电极。

最后，我们讲一下，钨的深加工个有以下的特点：技术含量高、产品附加值高、然而往往是多品种少批量。这个特点一方面很吸引人，另一方面又制约着它的发展，结果在我国出现了普通档次的产品不缺，而高档次产品往往要靠进口，这结果反映了我国钨加工环节的薄弱性。昨天我看到赣州有色产业状况，下一步发展在预测里有一个数据值得注意。2004年谈到钨的进出口状况，对钨粉来说，进口单值每吨1.19万美元，出口单值也是1.19万美元，进口与出口基本是一比一的关系。就钨条、杆和形材，进口单价每吨6.8万美元，出口每吨1.26万美元，进口与出口之比是5.10的关系，进口要比出口贵得多，根据这数据是很现实的。对钨丝来说，进口钨丝每吨25.08万美元，出口13.76万美元，进口与出口相比是6.67的关系，进口比出口还要贵得多，这说明我们国家深度加工方面比较薄弱，现在APT生产很多，而且钨粉生产很多，但后面的产品显得很薄弱，一方面我们是钨丝生产大国，2004年达到181米，已经很多了，我们进口的特等耐振丝特别多，这说明我们不是有很多的发展余地，因此加大对钨材产品的结构调整和优化的力度，加快深加工和精加工技术的发展步伐，增强产品的竞争力是当前急待解决的问题，我国是世界钨资源大国，发展钨材的深度加工技术对变资源优势为产业优势具有特殊的意义。