用異型模拉制高精度鉬窄帶的研究

劉 輝，張軍良，崔 順，陳小林，巨建輝

(西北有色金屬研究院，陜西西安 710016)

0 引言

目前，我國鉬窄帶產(chǎn)品的品種、規(guī)格及其應(yīng)用領(lǐng)域均較狹窄，其主要原因是尺寸精度、表面質(zhì)量及組織性能等指標(biāo)不高，缺乏競爭能力。

隨著我國國防及電信事業(yè)的發(fā)展，對于高精度鉬窄帶的要求也越來越高。特別是行波管用高精度鉬窄帶的研制愈發(fā)重要。行波管是一種微波放大電子器件，在現(xiàn)代通信、雷達(dá)及電子對抗中起著重要作用，它的核心部件—螺旋管，在行波管中的作用是提供一個軸向傳播速度接近電子運(yùn)動速度，并且有足夠的軸向電場的高頻電磁波。慢波構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸確定了高頻場的分布和傳播速度，從而決定了電子柱與波的作用效果。鉬窄帶的尺寸精度決定了行波管的性能。由于我國鉬窄帶的尺寸達(dá)不到要求，很多進(jìn)口電信設(shè)備所用行波管主要依賴進(jìn)口。

本試驗采用軋制后鉬窄帶進(jìn)行異型模拉拔的方法，生產(chǎn)出能夠滿足表面質(zhì)量、尺寸精度、組織性能要求的高精度鉬窄帶。

1 試驗方法

1.1 試驗原料

試驗所需原材料為市售鉬絲，符合GB4325.1～4325.28～84《鉬化學(xué)分析方法》對化學(xué)成分的規(guī)定。提供的檢驗報告如表1，與國家標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較，化學(xué)成分符合要求。

表1 鉬絲的化學(xué)成分

對鉬絲的尺寸公差及表面質(zhì)量進(jìn)行了復(fù)檢，結(jié)果表明產(chǎn)品的尺寸公差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，橢圓度符合要求，表面光潔度符合要求，無毛刺、壓坑等缺陷，判定為合格。

1.2 試驗工藝路線

結(jié)合高精度鉬窄帶的生產(chǎn)實際，根據(jù)估算選擇一定規(guī)格的鉬絲。目前國內(nèi)鉬窄帶的加工方式主要有板材分條和滾動拉伸。板帶分條由于現(xiàn)在的生產(chǎn)水平難以達(dá)到要求的尺寸公差，而且鉬板塑性較差，難以分條，即使分條，其邊緣容易產(chǎn)生毛刺和微裂紋，影響其后續(xù)加工和使用性能。滾動拉伸易軋入碎屑、壓痕、劃痕等表面特征缺陷［1－2］。利用鉬絲軋制后鉬窄帶進(jìn)行異型模拉制的方法能夠生產(chǎn)成本低、尺寸精確、綜合性能更好的產(chǎn)品，因而有更廣泛的應(yīng)用市場和技術(shù)研究前景。

工藝路線：電解拋光→退火軋制→拉拔矯形→電化學(xué)拋光→性能檢測

1.3 表面處理

試驗在專用的絲材白化機(jī)上進(jìn)行，電解液選用NaOH飽和水溶液，鉬絲做陽極，按一定速度通過電解池、水洗槽、烘干管，纏到繞線輪上，完成電解加工，通過調(diào)節(jié)電流、電壓、放線速度等工藝參數(shù)控制電解加工量，目測表面石墨乳去除干凈，顏色白亮，呈現(xiàn)金屬光澤為宜，不同直徑的絲材選用不同的電流、電壓，絲徑越大選擇電流越大，當(dāng)一次電解達(dá)不到亮度要求時，可進(jìn)行第二次，直到滿意為止。

1.4 退火

退火試驗在真空熱處理爐進(jìn)行，加熱溫度參照鉬絲退火常用工藝，870℃，保溫1 h，爐冷，50℃以下出爐。退火結(jié)果表面光亮，硬度降低，適宜后續(xù)冷加工［3］。

1.5 窄帶軋制

試驗在六輥和十二輥窄帶軋機(jī)上進(jìn)行，首先根據(jù)成品窄帶尺寸選擇坯料絲徑，按照初步設(shè)計方案提出的窄帶尺寸進(jìn)行試驗，共有如下4種規(guī)格：

(1)0.1×0.3×L

(2)0.12×0.33×L

(3)0.4×1.25×L

(4)0.45×1.8×L

通過計算選擇絲徑如下：φ0.23 mm、φ0.25 mm、φ1.0 mm、φ1.25 mm，4種規(guī)格。

軋制工藝的設(shè)計遵從一般鉬板熱軋的工藝規(guī)范，加熱溫度選擇800～900℃，氬氣保護(hù)防止表面氧化，道次加工率20%～30%，前后張力以拉直鉬帶、不出現(xiàn)跑偏為宜。

窄帶軋制過程中材料的變形以寬展為主，延伸較少，絲徑的選擇根據(jù)這種規(guī)律作出初步判定，以某種絲徑一次軋制到合適的厚度和寬度是不易實現(xiàn)的，一般需要通過工藝調(diào)整，多次試驗才能達(dá)到目的，當(dāng)軋到厚度尺寸而寬度偏小時，可通過減少軋制道次、降低前后張力、提高軋制溫度等措施來增加寬展；反之當(dāng)寬度偏大時，可增加道次、增大張力、降低溫度，最終軋到所需尺寸。

經(jīng)過試驗調(diào)整最終確定軋制壓下工藝如下：

(1)φ0.23→0.175×0.25→0.135×0.285→ 0.105×0.31

(2)φ0.25→0.20×0.27→0.15×0.305→0.125×0.335

(3)φ1.0→0.79×1.1→0.68×1.18→0.6× 1.24→0.45×1.41

(4)φ1.25→0.82×1.56→0.52×1.98

1.6 拉拔矯形工藝研究

此工藝環(huán)節(jié)是決定材料表面粗糙度和尺寸精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

首先進(jìn)行異型拉絲模的制備，采用聚晶金剛石制作拉絲模，如圖1所示。

圖1 異型拉絲模

模具尺寸等同樣品要求尺寸，公差范圍控制在±0.002 mm以內(nèi)，模具的定徑段長度尺寸選擇至關(guān)重要，尺寸太長時拉絲阻力大，易斷絲，尺寸太小時模具損耗大，使用壽命短。模孔表面光潔度決定著產(chǎn)品的表面粗糙度，制作模具時應(yīng)控制在 Ra≤0.1μm。模孔圓角選擇應(yīng)在滿足產(chǎn)品尺寸要求的情況下盡可能大些，以利材料拉拔變形，防止模具破裂。

軋制窄帶的最終尺寸與拉拔矯形后尺寸之比應(yīng)為1.05～1.1，即：拉拔預(yù)留加工量一般控制在5%～10%，預(yù)留加工量太大時拉拔易斷絲，加工量太小時產(chǎn)品的尺寸精度和表面光潔度達(dá)不到要求。

拉拔試驗在單模拉絲機(jī)上進(jìn)行，分別進(jìn)行了熱拉和冷拉試驗，熱拉采用石墨乳潤滑，溫度控制在800℃左右，氫氣保護(hù)；冷拉試驗采用氯化石蠟潤滑，試驗結(jié)果表明熱拉易產(chǎn)生“縮絲”，即拉拔后窄帶尺寸小于模具尺寸，“縮絲”程度與加工量、溫度等影響因素有關(guān)，不易控制；冷拉效果較好，尺寸公差及表面光潔度較好。

1.7 電化學(xué)拋光

冷拉后的窄帶表面粘有潤滑劑，冷拉過程中因摩擦作用會在表面產(chǎn)生溝槽。采用電化學(xué)拋光可清除表面潤滑劑，提高表面光潔度，拋光工藝與絲材拋光相同即電解液選用NaOH飽和水溶液，鉬窄帶做陽極，按一定速度通過電解池、水洗槽、烘干管，纏到繞線輪上，完成電解加工，通過調(diào)節(jié)電流、電壓、放線速度等工藝參數(shù)控制電解加工量，目測表面光滑，顏色白亮，呈現(xiàn)金屬光澤為宜，不同規(guī)格的絲材選用不同的電流、電壓，橫截面積越大選擇電流越大，當(dāng)一次電解達(dá)不到亮度要求時，可進(jìn)行第二次，直到滿意為止。

2 結(jié)果及分析

按照確定的生產(chǎn)工藝，得到4種規(guī)格的鉬窄帶，根據(jù)要求進(jìn)行全面的性能檢測。

2.1 尺寸公差

對成品鉬窄帶隨機(jī)取樣，采用杠桿千分尺在1 m長范圍內(nèi)取5點測量厚度及寬度，取測量結(jié)果平均值與名義尺寸對照，得出公差值，結(jié)果如表2。

表2 鉬窄帶的厚度及寬度 mm

從中可以看出，4種規(guī)格的鉬窄帶尺寸公差均達(dá)到性能指標(biāo)要求，與進(jìn)口產(chǎn)品相比性能相當(dāng)。

2.2 表面質(zhì)量

指標(biāo)規(guī)定鉬窄帶表面粗糙度Ra≤0.1 μm，目前由于沒有找到合適的測量方法，暫時無法確定。

窄帶表面目測檢查光亮、無氧化色、無水洗痕、10倍放大鏡檢查無毛刺等缺陷，可以認(rèn)為表面質(zhì)量良好。

2.3 力學(xué)性能

對4種規(guī)格的成品鉬窄帶進(jìn)行了拉伸檢驗，試樣狀態(tài)為加工態(tài)及850℃，1 h退火態(tài)，拉伸結(jié)果如表3。

表3 鉬窄帶加工態(tài)與退火態(tài)的力學(xué)性能

圖2 鉬窄帶加工態(tài)的縱向金相

從中可以看出：加工態(tài)強(qiáng)度較高，延伸率較低，退火后強(qiáng)度有所下降，延伸率大幅度提高。對照技術(shù)指標(biāo)可以看出：退火態(tài)力學(xué)性能完全滿足指標(biāo)要求，由此確定提供用戶的樣品按退火態(tài)交付。

2.4 組織狀態(tài)

對加工態(tài)及退火態(tài)樣品進(jìn)行了金相觀察和斷口掃描，結(jié)果如下：

圖3 鉬窄帶退火態(tài)的縱向金相

從圖2中可以看出加工態(tài)組織為纖維狀，圖3退火后組織狀態(tài)變化不大；圖4斷口形貌顯示加工態(tài)為脆性斷裂特征，圖5退火態(tài)為塑性斷裂特征。由此可知成品退火是完全必要的。

圖4 鉬窄帶加工態(tài)拉伸斷口

圖5 鉬窄帶退火態(tài)拉伸斷口

3 結(jié)論

(1)用鉬絲軋制窄帶，絲徑選擇至關(guān)重要。目前根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，精確度不高，將浪費(fèi)大量金屬材料。

(2)鉬窄帶軋制以熱軋為宜，溫度 800～900℃，道次加工率選擇20%～30%，預(yù)留拉拔加工量5%～10%。窄帶寬度可通過道次加工率、前后張力、溫度等參數(shù)的改變進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到理想狀態(tài)時固化工藝，進(jìn)行批量生產(chǎn)。

(3)異形模冷拉矯形，可大幅度提高尺寸精度，滿足公差要求。電化學(xué)拋光可去除表面氧化、毛刺等缺陷，提高表面光潔度，使之達(dá)到指標(biāo)要求。

［1］Kazeminezhad M，Karimi Taheri A.The prediction of macroscopic shear bands in flat rolled wire using the finite and slab element method［J］.Materials Letters，2006，60(27)：3265－3268.

［2］Kazeminezhad M，Karimin Taheri A.Deformation inhomogeneity in flattened copper wire［J］.Materials and Design，2007，28(7)：2047－2053.

［3］崔中圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：200－207.