钼管靶材的挤压理论与组织性能分析

朱 琦，王 林，杨秦莉，王 娜

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西西安 710077)

0 前言

钼虽具有一系列优异性能，但由于室温脆性与高温灾难性氧化的致命弱点，必须通过生产工艺过程有效地改变钼材的内部组织结构，来提高其加工工艺功能与使用性能。用粉末冶金方法生产的钼棒坯或钼管坯，只有通过塑性加工方法，在不破坏本身完整性的前提下，通过外形、组织及性能的改变，得到所需棒、管等工件后，才能应用到各个工业部门中去。

近年来随着液晶屏幕尺寸的不断增大，与之对应的溅射板形钼靶也随之增大了其自身的面积。采用旋转的钼管作靶材，屏幕的宽度由钼管长度决定，屏幕的长度则不受限制。为了提高溅射层的均匀性，要求溅射靶材具有较高的致密度(在99.7%以上)。然而最常用的成形钼制品工艺(粉末冶金)达不到靶材的致密度要求，所以必须再加一道热加工工艺来提高其制品的致密度。对于大型管靶，提高致密度的方法除了锻造外，最好的方法是采用热挤压工艺。

1 试验方法

热挤压是钼金属塑性加工最好的方式。通过热挤压工艺提高粉末冶金钼靶材成品的密度、细化其晶粒，使之达到高清晰度电视机屏幕的溅射靶材所需的密度。

对挤压后的钼管进行取样分析其密度、硬度和组织，具体分析方法:密度采用排水法，天平精确度要求为mg。硬度测试采用实验室用HRD-150型电动洛氏硬度计。组织性能分析采用S-3400N型扫描电镜。

2 试验结果与讨论

2.1 钼管的挤压理论

文中钼靶材产品的挤压设备主要采用德国SMS引进的全球最大的6 000 t卧式挤压机，该挤压机主要用于生产φ60～φ350不锈钢管，也可挤压变形抗力高的金属，产品尺寸精度高、表面光洁度高，组织均匀致密。

2.1.1 挤压方式

挤压方式主要有正挤压、反挤压、复合挤压等。无论何种挤压方式，基本的挤压结构见图1。正向挤压法是挤压生产中应用最广泛的一种方法，主要特点是挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向一致。

图1 金属挤压示意图

2.1.2 挤压过程金属流动特征

根据研究所采用的6 000 t挤压机，挤压方式是正向挤压，其产品长度几乎没有限制。因此，主要分析正挤压时金属的流动特征。图2是挤压过程挤压力行程曲线。

图2 挤压过程挤压力行程曲线示意图

按钼金属流动特征和挤压力的变化规律，挤压过程可分为3个阶段(图2)。第1阶段(如图2中的0a段)称为开始挤压阶段。在开始挤压阶段中，金属在挤压力的作用下首先充满挤压筒和模孔，与此同时挤压力急剧直线上升。第2阶段称基本挤压阶段，如图中的ab段。挤压锭坯径向上金属的流动很不均匀，即总是中心部分首先流动进入变形区，外层的流动得较慢。靠近挤压垫处和模具与挤压筒的交界处，金属暂时不参与流动，故形成了难变形区，及所谓的死区。图2中a到b曲线的下降，主要是由于锭坯长度的缩短而导致表面摩擦力总量有所下降的缘故。第3阶段称终了挤压阶段或紊流挤压阶段，如图2中的bc段。此时，挤压筒内金属产生剧烈的径向流动，即紊流。外层金属进入内层或中心的同时，两个难变形区内的金属也开始向模孔流动，从而有可能产生“缩尾”缺陷。此时，由于挤压工具对金属存在加剧冷却的作用且强烈的摩擦作用，从而导致挤压力迅速上升。一般应适时中止挤压过程。

2.2 钼管的挤压参数

在整个挤压生产过程中，工艺参数的选取对制品的质量有着重要的影响。为了获得高质量的制品，必须合理选择挤压时的各种工艺参数。挤压的主要工艺参数有挤压比λ、挤压速度v以及挤压温度T。

坯料准备以市场上溅射靶材常用钼管规格φ160/φ130×2 000 mm，并结合挤压机吨位，设计挤压用烧结钼管的尺寸:φ260/φ125×600 mm，挤压后的钼管尺寸为φ170/φ125×2 100 mm。挤压过程加热工艺见表1。

表1 钼挤压坯锭加热实例

2.2.1 挤压比

挤压比λ为坯料的横截面积与制品的横截面积之比。挤压比的选择首先应该考虑挤压制品的质量要求;其次必须考虑该金属的特点及挤压机的能力和挤压筒的规格。

在设备条件允许的前提下，采用大的挤压比可以改善制品的组织和性能，因为大的挤压比可以充分破碎烧结态的粗晶组织。然而，挤压力与挤压比的自然对数成正比，因此，提高挤压比势必会提高挤压力从而受到挤压机能力的制约或对挤压模具材质提出了更高的要求。对与钼及其合金的挤压比要求在3～5以上，因为再小的挤压比不能使晶粒完全破碎，为了充分细化晶粒，钼的挤压比要求在3.5以上。根据挤压前后坯料的尺寸变化，可以得知，此次挤压钼管的挤压比为3.92。挤压力的计算公式(赛茹尔内公式)为:

其中:Dc是挤压筒的内径，mm;F为挤压力，MN;S是充填挤压后的坯料的横截面积，mm2;c为与不均匀变形和摩擦有关的系数，对光壁圆管c=5;σp是金属在挤压条件下的变形抗力，但在实际计算时可取该金属在相应温度的抗拉强度，根据实验数据可知，最高不到300 MPa;f为摩擦系数，用玻璃润滑剂时约0.02;L是充填挤压后的坯料长度，mm;为挤压比的自然对数。挤压比λ=3.92，Dc=260 mm，F=25 MN。

即该规格钼坯料所需挤压力为2 500 t。

2.2.2 挤压速度

挤压速度v是指挤压杆工作时的运动速度。挤压速度主要是考虑被挤压金属的性质。对于稀有金属，通常都采用高速挤压。对于钨、钼、钽和铌等难熔金属一般都采用150～300 mm/s。在高温过程中钼极易发生氧化生成三氧化钼粉粒状烟雾，这样就会带来质量的损失。然而在挤压过程中又不能进行气体保护，因此可用加快挤压速度来减少氧化的发生，并且挤压速度的加快也会对模具的寿命有益处。

钼及其合金的挤压速度宜采用具有最大挤压速度的挤压设备。采用高速挤压可以把被挤压金属和挤压工具接触的时间缩短到最小，在这种条件下，变形时间的缩短可以大大提高受磨损最严重的挤压模的寿命。

2.2.3 挤压温度

挤压温度的确定方法是在所选择的温度范围内金属具有优良的可加工性(即塑性)以及低变形抗力;同时要保证制品获得均匀的组织性能和良好的表面质量。选择挤压温度需要根据“三图定温”的原则，即合金相图、塑性及变形抗力图和再结晶图;还需考虑挤压加工的特点，如冷、温或热挤压、挤压方法及变形热效应等。如图3所示，当温度高于1 200℃时，该材料的抗拉强度急剧降低，塑性大大提高;当在1 500℃以上进行变形加工时，晶粒开始变得粗大(见图4)。故通常把挤压温度范围选择在1 200～1 500℃之间。但降低温度挤压可以增加挤压工模具的寿命。

根据小规格纯钼管的挤压情况，可以得知即使在1 000℃时也可以挤压成功，但是挤压管坯的表面金属流痕较深，切削余量大。但低温挤压有一系列优点，不仅可以提高了挤压工模具的寿命，也可以得到良好的组织结构、较小的晶粒和高的致密度。综合考虑，挤压温度定为1 100℃。

由于所选加热设备是中频感应炉，且没有气氛保护。为了达到预定的挤压温度1 100℃，中频感应炉加热钼管坯的温度在1 300℃以上，加热时间20 min。

图3 粉末冶金钼板坯的高温抗拉强度与温度的关系(1 kg钼板坯)

图4 钼的再结晶图

在用挤压机进行变形之前，加热过的钼管坯必须经过一系列辅助操作，这类辅助操作通常有:从中频感应炉自动出料，钼管坯通过传动轮传送到装有玻璃润滑剂的平台，在玻璃润滑剂中滚动，被润滑了的钼管坯从平台传送到挤压机的机械手，机械手运送到挤压筒位置，通过挤压轴运动把管坯装入挤压筒，最后进行挤压。当这些辅助操作完成时，金属的部分热量散失到周围环境中，这个过程中的热量损失大概有200℃左右，主要和辅助操作的持续时间有关。

2.3 试验结果

通过前边对挤压理论和钼管挤压参数的确定，经过挤压后的钼管质量明显提高。

2.3.1 密 度

从待取样切割长度20 mm，宽度10 mm小样，用于密度测量。挤压前的钼管密度为9.8 g/cm3，挤压后的钼管密度为10.15 g/cm3。挤压后的密度明显提高。可见加工态下，钼金属的致密度明显提高。

2.3.2 硬 度

硬度测试采用实验室用HRD-150型电动洛氏硬度计，进行多点测量取其平均值，并与烧结管的硬度做了对比。硬度检测结果见表2。

从表2中可以看出，挤压后的管坯硬度显著提高，也间接佐证了钼管挤压后致密度的增大，即钼管密度增加。

2.3.3 组 织

对钼管挤压前后进行了形貌检测，检测结果见图5。

图5 钼管挤压前后的金相照片

从图5可以看出，挤压前，钼管断口形貌为近等轴状的烧结晶粒，晶粒尺寸比较粗大，且其组织内部存在着大量的孔洞结构。有些晶界是粉末颗粒边界融合后相互结合而成的，其上可能含有氧化层或杂质，故晶界处更容易发生脆性断裂。

挤压后，由于在热加工过程中的动态回复和动态再结晶，此时原组织中存在的空洞已被焊合，晶粒在径向上变得细长，在轴向上更加细小。

3 结论

(1)钼管挤压参数选用挤压比为3.92，挤压力为2 500 t，挤压开始温度为1 100℃，管坯加热温度为1 300℃。

(2)挤压后管坯密度从烧结坯的9.8 g/cm3增加到10.15 g/cm3，达到了钼管靶材高密度的要求，满足高清晰度电视机屏幕的溅射靶材所需的密度。

(3)挤压后钼管硬度提高明显，硬度HRA从烧结态的49.0增加到60左右。

(4)钼管挤压后组织更加细小均匀且有明显的择优取向织构，对于降低溅射后形成的钼薄膜的表面粗糙度和提高薄膜的晶体质量是非常有益的。

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