不同烧结方式的钼板坯性能比较分析

张常乐

（金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077）

0 前言

烧结就是将粉末压坯加热到一定温度（烧结温度）并保持一定的时间（保温时间），然后冷却下来，从而得到所需性能的材料，这种热处理工艺叫做烧结。

对于现在的粉末冶金产品的烧结主要分为中频烧结、真空烧结和目前的新技术微波烧结。

中频感应烧结是一种将工频50 Hz交流电转变为中频（300～10 000 Hz）的电源装置，配上感应圈及补偿电容器，应用电磁感应原理的加热设备，广泛用于金属行业的熔炼、加热。炉温高达2 200℃，可完全满足各种材料的烧结。

真空烧结炉是在真空气氛中对被加热物品进行保护性烧结的炉子，其加热方式比较多，如电阻加热、感应加热等。真空感应炉是利用感应加热对被加热物品进行保护性烧结的炉子，真空感应钨烧结炉是在抽真空后充氢气保护状态下，利用中频感应加热的原理，使处于线圈内的钨坩埚产生高温，通过热辐射传导到工件上，适用于科研、军工单位对难熔合金如钨、钼及其合金的粉末成型烧结。电阻式的真空加热炉，对被加热物体抽真空后，采用石墨、陶瓷或钨钼材料作为发热体进行加热，通过热辐射传导到需要烧结的工件上，加热温度可达到2 200℃左右。

微波是波长为1.0～0.001 m，频率为300 MHz～300 GHz的电磁波。微波是能量传输的载体，处于微波场中的材料与微波耦合，吸收微波能量转化为热能，其自身加热的现象称为微波加热。微波高温技术是指微波加热温度大于400℃，由材料本身的微波特性和热动力性能决定的加热过程，排除了水和其他溶剂的影响。微波高温技术的处理对象主要是材料本身，要求具有精确的控制要求、复杂的保温结构设计及高稳定的微波功率输出。微波加热升温速度块，加热周期大幅度缩短，可大量节约电能40％～80％。微波能的应用主要是快速加热、显著节能；可使材料致密化及细化晶粒；具有降低反应温度及选择性加热；诱导或强化催化及安全洁净舒适的作用；应用前景非常良好。

按照实验设计的方案，我方采用金钼股份金属分公司模压纯钼精板坯，在长沙隆态微波热工有限公司和湖南顶立科技有限公司分别进行了微波烧结、石墨坩埚真空中频烧结、钨坩埚通氢中频烧结等3种烧结试验，并对烧结试样进行了物理、化学、力学性能和内部组织等全面检测，比较分析了3种烧结方式的钼精板的质量指标。

2 所制定的烧结工艺

根据实验要求及时间的关系，我们主要进行了试样在高温时的烧结，最终的烧结温度决定制品的性能，低温时的曲线工艺暂时未考虑。根据平时的实际操作经验来看，选定石墨坩埚真空中频烧结和钨坩埚通氢中频烧结，炉的最高温度定为1 950℃；微波烧结由于保温材料及微波的特点，最高温度定为1 600℃。根据这个工艺进行了如下的实验。

2.1 微波烧结工艺

烧结气氛：氩90％+氢10％

烧结工艺：1 600℃×1 h（试样记为a－1）

1 600℃×2 h（试样记为a－2）

2.2 石墨坩埚真空中频烧结

烧结工艺：1 950℃×2 h（试样记为b），加热体是石墨，炉子的真空度可达到1×10－2Pa，在真空状态下烧结。

2.3 钨坩埚通氢中频烧结炉

烧结工艺：1 950℃×2 h（试样记为c），通入的气氛为氢气，在氢气气氛下进行中频感应烧结。

3 钼精板的物理、化学性能分析

3.1 化学成分

表1 烧结板坯的化学成分 mg/kg

分析表1，可以看出以下几点：

（1）微波烧结的除杂效果不够理想，一是非金属杂质（C、O）含量远大于真空烧结和钨坩埚气氛烧结，且超过企标要求，这是烧结气氛无法达到完全的还原气氛所致；二是部分金属杂质（Fe、Ca、半金属Si）含量甚至超过钼粉的杂质含量，说明烧结过程钼压坯受到坩埚的污染。

（2）石墨坩埚真空烧结的大部分化学成分均符合企标要求。Fe含量超标是由于石墨坩埚的材质导致（石墨坩埚本身材质为C，为提高坩埚强度，加入部分钢砂等金属元素）。O含量（0.005％）稍大于企标上限（0.003％），与烧结时间较短，O元素挥发不充分有关。

（3）钨坩埚中频烧结保证了良好的还原气氛，烧结件的化学成分优于其他两种烧结方式。从原理上讲，该烧结工艺与金堆城现有烧结方式、设备基本相同，不应出现部分元素不合格的问题。本次试验中，C、O、Fe元素不合格可能与试验设备长期烧结W、WC等产品而导致坩埚污染有关。

3.2 物理性能

3.3 显微组织

分析这3种烧结试样的硬度、密度和显微组织，可以看出：

（1）微波烧结板坯密度远未达到企标要求，从显微组织照片可以看出，两种微波烧结工艺的板坯均未形成明显的晶体状态，即烧结行为不够完全，尚处于发生了部分烧结颈的初步烧结阶段。这种现象并不能否定微波烧结方法的可行性，可能与烧结温度较低、烧结时间较短等烧结工艺不当有关，a－2试样的硬度和密度高于a－1试样也验证了这一点。

（2）石墨坩埚真空烧结的试样密度可达到企标要求。从显微组织照片看，石墨坩埚真空烧结试样的晶粒较细，晶粒度可达3级，烧结试样密度较小主要可能是因烧结时间较短及烧结工艺不完善所致。

图4 钨坩埚通氢烧结c试样组织

（3）钨坩埚通氢烧结试样密度也可达到企标要求，钨坩埚通氢烧结的晶粒度可达4级。试样密度基本达到要求，与我们现行工艺基本一致。

4 结果与讨论

（1）微波烧结试样的物理、化学、显微组织均不理想，说明微波烧结的气氛问题是制约其应用推广的瓶颈，同时需要对其烧结工艺进行全面的试验研究，解决炉体的气氛问题后方可继续进行试验。但微波烧结的确可以大量节约能源、降低烧结温度来实现烧结。

（2）石墨坩埚真空烧结可达到预期的烧结效果，晶粒细小，密度适当，硬度较小，这种烧结方式可作为粗制坯料的低成本烧结方法。元素超标问题可通过更换为钨坩埚的方法来解决；烧结气氛采用真空来实现，不用消耗氢气，以降低烧结成本，在此基础上继续试验，工艺稳定后也可考虑进行批量化生产。

（3）钨坩埚通氢中频烧结与我们现行烧结方式基本一致，制品可达到要求，可进行批量化生产。

［1］ 黄培云.粉末冶金原理［M］.北京：冶金工业出版社，2004.

［2］ 浩宏奇，乔冠军.粉末冶金原理及材料［M］.西安：西安交通大学出版社，1993.

［3］ 杨宇锋.钼和钼合金深加工技术进展［J］.中国钼业，2001，25（4）：34-37.

［4］ 都业志，张相一，孙院军.TZM合金中第二相组织行为分析与控制［J］.稀有金属材料与工程，2002，31（增2）：115-118.