掺钍钨丝裂纹影响因素及改进措施

江银根

摘 要：根据掺钍钨丝生产情况，对掺钍钨丝从开坯到拉丝过程中坯条直径均匀性、开坯模具及热处理工艺等影响裂纹产生的因素进行分析，并提出相应的改进措施。

关键词：掺钍钨丝；裂纹；影响因素；改进措施

中图分类号：C33 文献标识码：A

0.前言

钨是我国在世界上具有优势地位的稀缺资源，由于它的特有的性能，在国民经济的发展中起着非常重要的作用。随着我国与世界经济的增长，对钨的需求在逐年增长，同时钨资源的消耗也在以惊人的速度加快。我国钨储量在世界上的地位目前仍占首位，据美国地质调查局2002年公布的世界钨储量情况，中国的储量基础（钨含量）为110万吨，占世界的35.5%。近几年中国钨工业发生了很大的变化，技术进步、设备更新、规模扩大、产品多样化、产品质量提高、经济效益上升。但和国外钨工业相比，仍然有着非常大的差距。

钍钨丝是钨合金丝材的一种，1910年钍钨丝以直丝形状用于真空灯泡；1918年制成充氩螺旋灯泡。与掺杂钨丝相比，再结晶钍钨丝的晶粒长宽比值、晶粒大小和下垂值均随变形程度增加而减小；再结晶温度也随变形程度增加而降低。这些性能说明钍钨丝的耐高温性能不如掺杂钨丝，而钍钨丝具有良好的电子发射能力，因此主要应用于惰性气体电弧焊电极和需要高电子发射的电子管中。

在钍钨的应用中，以焊接领域使用的惰性气体电弧焊电极占了绝大部分，电子管使用量很少，由于钍钨丝加工过程中加工硬化速率快，变形困难，裂纹率高，成材率很低。

钍钨丝裂纹率高主要表现在开坯及后续压力加工过程中产生劈裂、横裂、毛刺等缺陷。本文从坯条直径均匀性、旋锤开坯模具及热处理工艺等方面进行着手，通过改善坯条直径均匀性，优化旋锤模具孔型，改进热处理工艺，可以有效改善加工过程中裂纹的产生，提高产品的成材率。

1.裂纹影响因素及改进措施

1.1 坯条直径均匀性

由于钨的熔点高，所以钨条必须在很高的温度下进行烧结。我司采用的垂熔烧结是将钨条垂直悬挂于上下电极之间，然后在氢气保护气氛中通电，电流通过钨坯条本身使钨条发热而达到烧结所需的高温。由于钨条的发热是靠其本身的电阻来产生热量的，钨条的电阻跟钨条的长度、直径有直接关系。因此，钨条各处直径的差异将对烧结过程中温度的均匀性产生影响，这将直接造成烧结后钨条的密度分布不均，从而导致开坯裂纹问题。

为了改善钨坯的直径均匀性，主要在装粉环节对震动频率、提升速度及环境的湿度进行控制。通过实验对比，环境湿度<50%，震动频率为35Hz～40Hz，提升速度为100s～120s压制后得到的钨条直径均匀性较好，直径差异可以控制在1mm以内，密度差异可以控制在0.5g/cm3以内，改善后过程加工裂纹明显好转。

1.2 旋锤开坯模具

由于钨坯致密性差，强度低，钨坯开坯阶段容易产生裂纹。裂纹产生的原因有很多，除了开坯工艺及坯条的密度、强度等特性外，开坯模具的影响也是非常明显的。

除了旋锤模具的材质对开坯裂纹有影响外，旋锤模的孔型对开坯裂纹也会有明显影响。图1为旋锤模的结构示意图。

圆锥进料角α的大小，对钨棒的应力分布有明显的影响，α角的大小在6°～50°之间变化。

若α角过大时，旋锤模作用于钨棒表面上的水平反推力就大，使钨棒咬入比较困难，需要大的送料力才能使钨棒咬入。并且在过渡区容易产生应力集中，引起钨棒分层和劈裂。

若α角过小时，特别是大压缩率旋锤时，钨棒与旋锤模接触的压缩区长度增长，相应地增大摩擦力和旋锤力，导致钨棒受锤击的次数增多，产生急剧压缩变形，在过渡区也产生应力集中，使钨棒在旋锤过程中产生裂纹。

为了改善开坯裂纹，我们通过对开坯模具孔型进行改进，通过适当減小进料模角α，并适当增加过渡区，从而减少水平推力及应力集中，达到改善裂纹目的。图2、图3为改善前后模具孔型对比。

通过孔型调整后，开坯裂纹得到明显改善，端部几乎没有裂纹产生。

1.3 热处理工艺

钍钨材料在加工过程中由于加工硬化速率快，变形量达到一定程度后，如果不采取热处理措施，应力集中过大将导致裂纹迅速爆发。另外，前期热处理工艺的选取对后续可加工的程度也将产生显著影响。图4为5.5mm钨杆采用不同退火工艺对后续丝材裂纹的影响。

由图4可知，当5.5mm钨杆采用2200℃退火工艺时，丝才能继续加工的规格为1.5mm左右，若继续往下加工，裂纹将迅速扩展。当5.5mm钨杆采用2500℃退火工艺时，可深加工的规格为0.93mm左右。若深加工的规格小于0.9mm，需继续对丝材进行回复处理，方可继续加工。

结论

钍钨坯条密度的均匀性与坯条直径均匀性有直接关系。通过粉末湿度及装粉工艺的控制，可以有效改善坯条的直径均匀性，从而可以改善坯条密度均匀性及后续加工裂纹情况；

旋锤开坯模具的孔型对开坯裂纹也有显著影响，将模具进料模角控制在30°左右，并进行12°模角缓冲，可以缓解变形过程中应力集中情况，裂纹产生得到明显改善；

前期热处理工艺的选择跟丝材成品规格尺寸有直接关系，5.5mm钨杆在2200℃退火后最细可加工至1.5mm左右钨丝，2500℃退火后最细可加工至0.93mm左右钨丝。若丝材直径小于0.9mm，需进行回复处理，方可继续往下加工。

参考文献

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