不同退火溫度對Mo-47.5%Re鍛棒性能影響研究

董建英,鐘 銘,孫 偉,繆陽谷,吳朝圣,呂思鍵

(河北星耀新材料科技有限公司,河北 廊坊 065400)

0 引 言

鉬是一種銀色具有高熔點及高沸點的難熔稀有金屬。鉬的膨脹系數較低,硬度和強度極限比鎢低,加工性能穩定,具有很好的高溫強度和導熱導電性,廣泛應用于化工工業、冶金工業、金屬加工工業、航天工業和核能技術等領域。但是,純鉬在高溫下易氧化,再結晶溫度低,再結晶后容易發生脆斷,用于高溫抗磨領域時耐磨性較差,這些缺陷限制了鉬及其合金的加工性能與應用范圍[1-3]。鉬合金通過添加少量錸元素形成固溶強化會大大降低鉬合金的塑脆轉變溫度,最低可達-254 ℃,這使得鉬在常溫下表現出良好的加工性能[2]。在鉬、鎢中加入少量的錸即可使再結晶溫度明顯提升、塑脆轉變溫度降低,這也被稱為“錸效應”[4-9]。錸在鉬中存在溶解度極限,大于該極限值會產生σ相,當σ相過多時性能會下降,較為合適的成分為Mo-47.5%Re[10-11]。本文針對不同退火溫度對Mo-47.5%Re合金棒的性能影響進行了研究。

1 試 驗

1.1 坯料的制備與變形加工

采用粉末冶金、氫氣燒結方法制備 Mo-47.5%Re(質量分數,下同)合金,原料為費氏粒度3.8 μm純鉬粉和5 μm純錸粉。加工工藝流程為:鉬粉+錸粉(過300目篩)→雙運動混料機合批24 h→摻入成型劑(酒精+甘油)[12]→壓型(壓力250～700 MPa)→脫去成型劑并預燒結(緩慢升溫至1 150 ℃保溫1 h)[13]→中頻爐高溫燒結(2 050～2 330 ℃)[14]→旋鍛。燒結坯的密度≥95%。燒結坯的直徑為12 mm。將坯料經過旋鍛鍛打至φ3.6 mm,總變形量為91%,鍛打溫度為1 400～1 100 ℃。

1.2 退火及測試

將6個Mo-47.5%Re合金樣品分別置于氫氣退火爐中在1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 ℃下進行 1 h 退火后,再置于中頻爐中2 050 ℃退火5 h,并進行相關測試。采用Archimedes 排水法測定樣品的密度。采用WYJ-4XBD型金相顯微鏡對樣品磨光表面進行金相分析,根據GB/T 6394-2017得出平均晶粒尺寸。采用華銀HVS-50數顯維氏硬度計測試材料的硬度,載荷為30 kg,保持時間為10 s。采用濟南聯工的CMT-100萬能拉伸試驗機進行常溫拉伸測試,測試標準為 GB/T228.1-2021。

2 結果與分析

2.1 金相、密度及硬度分析

圖1為Mo-47.5%Re合金燒結坯料的金相組織圖,燒結態密度為12.9 g/cm3,相對密度95.2%,硬度為258 HV30。燒結態組織均勻、晶粒細小,平均晶粒尺寸為21.3 μm。金相中可以看見一些燒結孔洞,這與密度未達到100%的理論值相對應。

圖1 燒結態金相圖

圖2為Mo-47.5%Re合金在不同退火溫度下的棒材縱截面金相組織。由圖2(a)可看出,鍛打態金相組織為經過大變形量加工拉長的晶粒組織;圖2(b)為 1 100 ℃退火試樣的金相組織,其形貌仍為拉長的晶粒組織,與圖2(a)相比無明顯變化,說明未發生再結晶;圖2(c)為1 200 ℃ 退火試樣的金相組織,與圖2(a)、(b)對比其出現少量細小等軸晶粒,說明開始發生再結晶;圖 2(d)、(e)為 1 300 ℃和 1 400 ℃退火試樣的金相組織,可發現在這兩個溫度點下,晶粒已完全等軸化,且 1 400 ℃ 退火試樣等軸程度更深,說明合金在1 300 ℃時已經完全再結晶,此時平均晶粒尺寸為8.7 μm;圖2(f)為1 500 ℃ 退火,可以看出晶粒已明顯長大,極個別部位夾雜零星細晶粒,平均晶粒尺寸為21.5 μm;圖2(g)為中頻感應加熱至2 050 ℃退火的金相,可以看出晶粒長大很多,晶粒形貌接近燒結態晶粒形貌,晶粒間結合緊密無孔洞,平均晶粒尺寸為60.2 μm。[7,15]

圖2 不同溫度退火金相組織圖

Mo-47.5%Re合金棒根據退火狀態可分為去應力退火態、部分再結晶態、完全再結晶態及晶粒長大態。再結晶起始溫度為1 200 ℃左右,完全再結晶溫度在 1 300 ℃左右。Mo-47.5%Re合金棒開始再結晶溫度較相同變形量的純鉬棒的開始再結晶溫度(900 ℃)高300 ℃左右。

表1為對不同溫度退火后的樣品橫截面(垂直于長度方向面)和縱截面(平行于長度方向面)邊緣處及中心處的硬度測試結果,作比較的硬度均值為橫中、橫邊、縱中、縱邊得出的算數平均值。由表1可知:樣品中心的硬度要大于樣品邊緣的硬度;未退火時硬度為486.3 HV30,硬度較大,當溫度為2 050 ℃硬度為281.3 HV30;隨著退火溫度的升高硬度呈下降的趨勢。

表1 對不同溫度退火后的樣品的橫截面和縱截面的邊緣處和中心處硬度測試結果

圖3為硬度隨退火溫度的變化圖。硬度整體呈現出隨溫度的升高逐漸下降的趨勢,按線性擬合曲線得出,硬度與退火溫度的關系為:y=-0.1045x+492.28。

圖3 硬度隨退火溫度變化圖

2.2 室溫力學性能分析

圖4為Mo-47.5%Re合金棒在不同退火溫度條件下室溫拉伸力學性能變化情況。

圖4 抗拉強度、延伸率隨退火溫度變化圖

由圖4可知:合金棒在 1 300 ℃前抗拉強度下降不明顯,塑性緩慢提高,在1 300 ℃后,抗拉強度下降幅度增大,延伸率有提升趨勢,說明1 300 ℃時再結晶完成;繼續提高退火溫度至2 050 ℃,抗拉強度下降明顯,延伸率較高。在1 300 ℃退火完全再結晶后鉬錸合金仍有較高的強度,分析是由于錸元素加入鉬中,提高了晶粒和晶粒之間的結合力,使得鉬錸合金在拉伸時有很好的延伸率,這是錸提高塑性的原因之一[16];另一方面,鉬錸合金的變形方式有一定的改變,通常的鉬合金在常溫變形情況下沒有孿晶變形的發生,但是鉬錸合金在常溫時孿晶變形很普遍,這種孿晶變形對于發生再結晶的鉬錸合金尤其突出,錸元素加入鉬中,使得鉬錸合金更容易發生孿晶變形,這是錸元素提高鉬合金塑性的另一個重要原因[16]。在圖2(g) 2 050 ℃退火的金相中可以觀察到孿晶界的存在。

3 結 論

(1)91%變形量的Mo-47.5%Re合金棒去應力退火溫度為1 100 ℃左右,再結晶起始溫度為1 200 ℃左右,完全再結晶溫度在 1 300 ℃左右。

(2)Mo-47.5%Re合金棒硬度在未退火時較大,為486.25 HV30,當退火溫度為2 050 ℃硬度為281 HV30,硬度整體呈現出隨溫度的升高逐漸下降的趨勢。

(3)Mo-47.5%Re合金棒的拉伸強度隨著退火溫度的增加逐漸下降,去應力退火態的拉伸強度為1 362 MPa,2 050 ℃退火后雖然晶粒明顯增大,但仍有較高的強度(891 MPa)。

(4)Mo-47.5%Re合金棒在不同退火溫度下的延伸率隨退火溫度的升高呈升高的趨勢,2 050 ℃退火后延伸率仍可達22.42%。