鉬金屬?zèng)_壓技術(shù)研究及常見缺陷分析

韓 強(qiáng)

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

難熔金屬鉬具有良好的高溫強(qiáng)度、硬度，優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐熱疲勞性能和極低的膨脹系數(shù)，所以鉬金屬制造的舟皿、坩堝、管件等沖壓制品大量應(yīng)用于高溫爐、電真空、航天航空等工業(yè)領(lǐng)域[1]。這些領(lǐng)域苛刻的工作環(huán)境要求鉬金屬?zèng)_壓件尺寸精度高、外形及表面質(zhì)量好，無裂紋、毛刺、褶皺等缺陷。本實(shí)驗(yàn)通過介紹大量鉬舟、鉬坩堝、鉬管等鉬金屬?zèng)_壓件的制作過程，分析了鉬金屬?zèng)_壓變形的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與力學(xué)性能，總結(jié)了沖壓件的常見缺陷及有效處理方法。

1 鉬金屬?zèng)_壓技術(shù)研究

沖壓按工藝分類，可分為分離工序和成形工序兩大類。分離工序也稱沖裁，其目的是使沖壓件沿一定輪廓線從板料上分離，同時(shí)保證分離斷面的質(zhì)量要求。成形工序的目的是使板料在不破壞的條件下發(fā)生塑性變形，制成所需形狀和尺寸的工件。在實(shí)際生產(chǎn)中，常常是多種工序綜合應(yīng)用于一個(gè)工件，沖裁、彎曲、剪切、拉深、脹形、旋壓、矯正是幾種主要的沖壓工藝。

沖壓技術(shù)有以下6個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：(1)大批量生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)品成本低；(2)材料使用的成材率較高；(3)終端產(chǎn)品精度較高、內(nèi)外部尺寸穩(wěn)定、互換性好；(4)相對(duì)機(jī)加工過程，可以獲得形狀較為復(fù)雜的產(chǎn)品；(5)加工生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化；(6)操作工序簡單，便于組織生產(chǎn)。當(dāng)然它也有些不足，例如：沖壓模具要求高強(qiáng)度高硬度的合金材質(zhì)，制造復(fù)雜、周期長、費(fèi)用高，顯然在小批量小規(guī)模生產(chǎn)上不經(jīng)濟(jì)。此外要注意的是：在每分鐘生產(chǎn)數(shù)十、數(shù)百件沖壓件的情況下，在短暫時(shí)間內(nèi)完成送料、沖壓、出件、排廢料等工序，容易發(fā)生人身、設(shè)備和質(zhì)量事故。因此，安全生產(chǎn)是沖壓過程中的一個(gè)非常重要的問題。

沖壓用板料的表面質(zhì)量和內(nèi)在性能對(duì)沖壓成品的成品率影響很大，經(jīng)驗(yàn)證明：用與沖壓過程近似的工藝性試驗(yàn)，如拉深性能試驗(yàn)、脹形性能試驗(yàn)、杯突值測(cè)試等手段檢驗(yàn)材料的沖壓性能，可以探索優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，提高成品質(zhì)量或合格率[2]。

對(duì)沖壓材料的要求是厚度精確、均勻；表面光潔，無斑、無疤、無擦傷、無表面裂紋等；屈服強(qiáng)度均勻，無明顯方向性；各向延伸率高且均勻；屈強(qiáng)比低；加工硬化性低。

成品模具的精度和結(jié)構(gòu)也直接影響沖壓件的精度和成形，模具制造成本和壽命則是影響沖壓件成本和質(zhì)量的重要因素。模具需要設(shè)計(jì)、熔煉、鍛壓、熱處理等諸多過程，這就延長了新沖壓件的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間?，F(xiàn)在的模具發(fā)展方向是：對(duì)模座、模架、導(dǎo)向件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作，小批量生產(chǎn)要發(fā)展簡易模具、大批量生產(chǎn)用復(fù)合模、多工位級(jí)進(jìn)模，另研制使用快速換模裝置，可減少?zèng)_壓準(zhǔn)備工作量和時(shí)間，同時(shí)考慮大批量生產(chǎn)的先進(jìn)沖壓技術(shù)合理地應(yīng)用于小批量多品種生產(chǎn)。

基于以上考慮，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用馬弗爐及18管爐將鉬酸銨還原成鉬粉或摻加稀土氧化物成為鉬合金粉，經(jīng)冷等靜壓成型后在中頻爐內(nèi)高溫?zé)Y(jié)成5～30 kg/塊的鉬板坯、鉬合金板坯，然后在四輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行1 400 ℃熱軋和1 200 ℃溫軋的交叉軋制，成品板材厚度1.0～2.8 mm。最后鉬鑭合金板通過設(shè)計(jì)好的模具經(jīng)500 t四柱油壓機(jī)沖壓成型統(tǒng)計(jì)各種加工缺陷，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長期應(yīng)用試驗(yàn)，直至斷裂。

利用JSMT-200型掃描電鏡(SEM)對(duì)沖壓件的組織和斷口進(jìn)行分析，采用SIEMENS-500型X射線衍射儀(CuKa輻射，λ=0.154 1 nm)測(cè)試沖壓后的板材織構(gòu)；蠕變性能測(cè)試在RSW-30K蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 鉬金屬?zèng)_壓件的變形特點(diǎn)

鉬制件的變形特點(diǎn)是：周邊為拉深，內(nèi)部則有脹形成分。表面形狀是靠壓料面外部材料來補(bǔ)充，而內(nèi)部則靠材料延伸來滿足脹形的要求；鉬制件沖壓難度與其深度、形狀復(fù)雜程度、變形部分周邊分布有關(guān)；沖壓件劇烈變形區(qū)既易起皺，又易開裂。因此，控制材料的流向及流速極為重要。

鉬制件不僅要求一定的拉深力，而且要求在其拉深過程中具有足夠穩(wěn)定的壓邊力。在普通帶氣墊的單動(dòng)壓力機(jī)上，壓邊力只有名義噸位的1/6左右，而且壓邊力也不穩(wěn)定，難以滿足輪廓尺寸較大、深度較深的空間曲面制件的工藝要求，因此在大量生產(chǎn)中，此類制件的拉深均在雙動(dòng)壓力機(jī)上進(jìn)行。雙動(dòng)壓力機(jī)具有拉深和壓邊的兩個(gè)滑塊，即內(nèi)滑塊和外滑塊，壓邊力可達(dá)到總拉深力的1/2以上，能滿足制件周邊變形分布不均的要求，且壓邊力穩(wěn)定，易得到剛度較好的拉深件。

有的鉬制品沖壓件作為某種器具的外殼，要求有足夠的剛度，即使用中不能有顫抖、噪音；保持尺寸穩(wěn)定性，保證焊接、裝配質(zhì)量。這就要求在拉深過程中使材料各部位受到穩(wěn)定的拉應(yīng)力，且使拉應(yīng)力超過屈服極限，低于或接近強(qiáng)度極限，使沖壓件的彈性回復(fù)減少到最低限度，使其形狀不致于產(chǎn)生畸變，同時(shí)也不致于有破裂等缺陷產(chǎn)生。

2.2 鉬金屬?zèng)_壓工藝確定

2.2.1 溫度及板材加熱時(shí)間的確定

由于爐內(nèi)傳熱條件變化相當(dāng)大，溫度場(chǎng)、黑度場(chǎng)并不都是均勻的，金屬的加熱是不穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱，所以計(jì)算加熱參數(shù)還要和經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際資料結(jié)合起來。單重10 kg的鉬板放入加熱爐中與模具同時(shí)加熱，加熱的時(shí)間可以根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算得到。

先計(jì)算出給熱系數(shù)：

式中T爐為爐子實(shí)際加熱溫度600～650 ℃；

再計(jì)算出加熱時(shí)間：

式中s為板材厚度，mm；ρ為密度，g/cm3；C為平均熱容量，J/(kg·℃)；K為形狀系數(shù)，平板K=1；t′和t″為金屬加熱開始與終了的溫度，℃。

通過計(jì)算得到：10 kg鉬板在溫度為600～650 ℃加熱爐內(nèi)的加熱時(shí)間為20～30 min較合適。

2.2.2 壓邊力的確定

壓邊圈施加的壓邊力對(duì)拉深工藝有很大的影響，當(dāng)壓邊力過大時(shí)，坯料由于受到過大的壓邊力不容易被拉入凹模，導(dǎo)致底部轉(zhuǎn)角處拉裂；當(dāng)壓邊力過小時(shí)，坯料在拉深過程中容易起皺，不但影響拉深件質(zhì)量，且起皺的坯料容易在凸凹模間隙中卡住，損壞模具。因此，壓邊力必須選擇適中，不能過大過小。一般情況下，應(yīng)選擇在保證工件凸緣部分不起皺的最小壓邊力。

壓邊力可按公式計(jì)算：Q=Fq

經(jīng)過計(jì)算，鉬金屬拉深時(shí)壓邊圈的壓邊力為15～20 MPa比較合適。

2.2.3 潤滑劑的確定

鉬金屬的拉深是在高溫下進(jìn)行的，鉬在高于300 ℃的空氣中會(huì)發(fā)生氧化，因此拉深時(shí)需在鉬板表面涂覆一層抗氧化的潤滑劑，這種潤滑劑既要能在模具和鉬板接觸表面之間形成一定厚度的潤滑層，起到很好的潤滑作用，又要保證在加工時(shí)鉬板不會(huì)發(fā)生氧化。潤滑劑有多種類型，在鎢鉬加工時(shí)大多選用石墨乳作為潤滑劑。因?yàn)槭哂泻芎玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，并具有耐磨、耐壓、耐溫等特性，且石墨為六方晶系層狀結(jié)構(gòu)，層與層的碳原子結(jié)合力較弱，容易滑動(dòng)，所以潤滑效果較好。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析與力學(xué)分析

鉬板沖壓前后形貌檢測(cè)結(jié)果見圖1，從圖中可以看出，沖壓前，鉬板斷口形貌為比較粗大的纖維組織。沖壓后，由于在熱加工過程中的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)原組織中存在的空洞已被焊合，纖維織構(gòu)在徑向上變長，在軸向上變細(xì)。

圖1 鉬板沖壓前后內(nèi)外壁的金相照片

圖2代表了鉬及鉬合金板材沖壓后退火溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度、延伸率的力學(xué)性能影響關(guān)系，沖壓過程中，退火處理具體表現(xiàn)在隨溫度的升高，抗拉強(qiáng)度及硬度降低，延伸率升高。

圖2 退火溫度與抗拉強(qiáng)度、延伸率的關(guān)系圖

純鉬板與鉬合金板的延伸率隨退火溫度的升高具有相同的變化趨勢(shì)，上升斜率非常相似；抗拉強(qiáng)度的變化方向一致，但是純鉬板在1 000 ℃以上下降速率要比鉬合金板快許多。也說明回復(fù)組織的保留可以顯著改善產(chǎn)品的強(qiáng)度及延伸率等力學(xué)性能，有利于后續(xù)沖壓及深度變形加工的進(jìn)行。

沖壓后鉬金屬的彎折處晶粒沿拉伸方向變細(xì)變長，并且隨著變形程度的增加，被拉長的晶粒群進(jìn)一步形成纖維組織，典型拉伸變形微觀組織形貌見圖3。

對(duì)于體心立方的鉬，在拉伸后將形成與拉伸方向平行的〈110〉絲織構(gòu)。隨著軋制鉬板變形程度增加，鉬板內(nèi)部組織變形均勻性加強(qiáng)，微觀形貌顯示絲織構(gòu)與板織構(gòu)排列的有序性加強(qiáng)，從而更有利于提高鉬金屬?zèng)_壓件性能。理論上沿板材二維定向分布的La2O3彌散質(zhì)點(diǎn)在Mo-La合金板交叉軋制時(shí)，形成了縱橫交錯(cuò)的彌散質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)阻礙了晶界沿縱向及橫向的移動(dòng)。從表1看出蠕變時(shí)純鉬金屬隨溫度升高而增大，與初始狀態(tài)相比，在1 400 ℃下蠕變80 h后試樣縱切面上，表層織構(gòu)增大6.7倍，而中間層增大了9.6倍，在同樣條件下，鉬鑭Mo-1.0%La合金織構(gòu)僅為純鉬的一半[4]。顯然，La2O3顆粒阻止了纖維長大，起到了細(xì)化晶粒的作用，因此沖壓生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同鉬合金的特點(diǎn)合理制定退火工藝。

而此時(shí)，城中早已看不到鱗次櫛比的樓宇殿閣、整齊有序的房屋建筑和寬闊筆直的街道，只剩下狼藉一片。一堵堵居民房屋的殘墻孤獨(dú)而立，那些散布遍地的磚石瓦當(dāng)、鐵器銅鏃、泥佛遺物無不訴說著當(dāng)年的繁榮與興旺。走在黑城里，有一種強(qiáng)烈的時(shí)光逆流的感覺，夕陽照在殘?jiān)珨啾谏希粗暌郧暗墓沤ㄖ兂山瘘S色，在湛藍(lán)的天幕下，有一種無言的悲壯和蒼涼。

圖3 鉬金屬?zèng)_壓后微觀組織

溫度/℃蠕變應(yīng)力/MPa蠕變時(shí)間/h速率min/10-6m·s-1應(yīng)變?chǔ)? 20014090.20.0342.71 2001800.78.893.71 40050800.0323.21 4001200.8167.8

3 鉬金屬?zèng)_壓件的常見缺陷及原因分析

鉬金屬?zèng)_壓件常見的缺陷有：裂紋和破裂、皺紋和折紋、棱線不清、表面劃痕、表面粗糙和滑移線等。

3.1 裂紋和破裂

裂紋和破裂產(chǎn)生的原因主要是由于被沖壓毛坯局部劇烈變形區(qū)受到的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度極限所致。具體影響的原因有：

(1)制作的鉬金屬板沖壓性能不符合工藝要求， 材料晶粒粗大、內(nèi)部組織疏松，整體塑性差。

(2)板料厚度超差，當(dāng)板料厚度超過間隙上偏差時(shí)，厚料進(jìn)入凹模內(nèi)時(shí)易卡死，沖壓變形困難，材料不易通過狹窄區(qū)而被拉斷。當(dāng)板料厚度超過間隙下偏差時(shí)，材料變薄了，橫剖面上單位面積的壓應(yīng)力增大，或者由于材料變薄，阻力減小，流入凹模內(nèi)的變形料過多先形成皺紋，這時(shí)材料不易流動(dòng)而被拉裂。

(3)彎曲線與板料軋紋方向夾角不符合規(guī)定。排樣時(shí)，單向V形彎曲時(shí)，彎曲線應(yīng)垂直于軋紋方向；雙向彎曲時(shí)，彎曲線與軋紋方向最好成45度。

(4)沖壓工藝設(shè)計(jì)不合理，壓料面的進(jìn)料阻力過大，毛坯外形大、壓料筋槽間隙小、凹模圓角半徑過?。煌饣瑝K設(shè)置的過深、拉深筋過高、壓料面和凹模圓角半徑光潔度差。

(5)在操作中，把毛坯放偏，造成一邊壓料太少，一邊壓料太多。少的一邊進(jìn)料困難，造成開裂；多的一邊進(jìn)料過多，易起皺，皺后引起破裂。

(6)沖模安裝不當(dāng)，與板材的垂直度偏差或壓力機(jī)精度差，引起間隙偏斜，造成進(jìn)料阻力不均。

(7)彎曲半徑過小，局部拉深變形量太大，拉深變形超過了材料延伸率極限。

3.2 皺紋和折紋

皺紋產(chǎn)生的原因主要因?yàn)榫植棵魇軌阂鹗Х€(wěn)或材料流動(dòng)不均引起局部材料堆積。具體分析有以下幾方面：

(1)制件的加工性能差，沖壓角度和壓料面形狀精度不準(zhǔn)確，鉬板的瓢曲度大造成鉬板2個(gè)底面不平，很難控制材料的速度，快慢相間的流動(dòng)產(chǎn)生皺紋。

(2)壓料面接觸不緊密，嚴(yán)重時(shí)形成里松外緊。材料通過外緊區(qū)域后壓料圈就失去壓料作用，造成進(jìn)料過多，產(chǎn)生皺紋，這時(shí)要重新研磨壓料面，保證全面接觸。

(3)外滑塊裝配不當(dāng)，存在傾斜、間隙的情況，這會(huì)使部分壓料面壓力不均，松的地方易起皺。

3.3 棱線不清

制件從外表觀察，要求棱線清晰。如果壓力機(jī)的壓力不夠，則在拉深成形中，在材料變形過程終止時(shí)，得不到足夠墩死的壓力，則棱線不清。另外，沖模的導(dǎo)向不好，工作部分間隙不均勻，或凹、凸模安裝傾斜，壓機(jī)的平行度不好也能引起棱線不清。

3.4 表面粗糙和滑移線

表面粗糙的缺陷是材料本身金屬晶粒過大引起的。外因是由以下兩點(diǎn)造成的：

(1)材料表面質(zhì)量差，有劃痕這種先天裂紋源引起的應(yīng)力集中，也有酸洗質(zhì)量差，存在較深銹蝕斑塊，導(dǎo)致板料與模具后阻力的增大。

(2)毛坯剪切和沖裁斷面質(zhì)量差，不按工藝規(guī)定涂潤滑劑，后阻力增大，以及板材本身毛刺、裂紋較多是沖壓件殘留滑移線的原因。

3.5 表面劃痕(拉傷)

表面劃痕通常有如下原因造成：(1)凹模圓角部分光潔度不夠，這樣在拉深過程中材料被劃傷，并有可能使材料粘附在凹模上，而形成劃痕。(2)由于臟物落入凹模中或拉深油不干凈，也會(huì)劃傷沖壓件表面。(3)如果壓料面是由鑲塊組成的，則由于鑲塊結(jié)合不好，也會(huì)造成劃痕。

3.6 模具影響

(1)模具制造誤差—沖模零件加工不符合圖紙或使用要求。

(2)模具裝配誤差—導(dǎo)向部分間隙大、凸凹模裝配不同心等。

(3)壓力機(jī)精度差—壓力機(jī)導(dǎo)軌間隙過大，滑塊底面與工作臺(tái)表面的平行度不好，或是滑塊行程與壓力機(jī)臺(tái)面的垂直度不好，工作臺(tái)剛性差，在沖裁時(shí)產(chǎn)生撓度，均能引起間隙的變化。

(4)安裝誤差—大型沖模上模的緊固方法不當(dāng)，沖模上下模安裝不同心(尤其是無導(dǎo)柱模)而引起工作部分傾斜。

(5)沖模設(shè)計(jì)不合理—沖模及工作部分剛度不夠，沖裁力不平衡等。

4 結(jié) 論

(1)沖壓鉬板前對(duì)鉬及鉬合金板及沖壓模具進(jìn)行加熱至關(guān)重要，在600～650 ℃加熱爐內(nèi)加熱20～30 min是10 kg鉬板產(chǎn)生沖壓最大變形率的較佳加熱條件。

(2)沿板材定向二維分布的稀土氧化物彌散質(zhì)點(diǎn)在鉬合金板交叉軋制時(shí)，形成了縱橫交錯(cuò)的彌散質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)阻礙了晶界沿縱向及橫向的移動(dòng)，從而減少了縱、橫向力學(xué)性能的差異，有利于提高鉬合金板沖壓性能。

(3)鉬拉深件常見的缺陷有：裂紋和破裂、皺紋和折紋、棱線不清、表面劃痕、表面粗糙和滑移線等，要從裝備、原料、工藝三方面優(yōu)化沖壓過程，提高沖壓成品率和產(chǎn)品質(zhì)量。