一种高强韧钨丝的制备工艺

本发明属于粉末冶金，具体涉及一种高强韧钨丝的制备工艺。

背景技术：

1、金刚线切割是一种应用广泛的金属加工技术，是利用高速旋转的金刚线作为切割工具，通过电热加热的方式对金属材料进行切割，被广泛应用于机械加工、冶金、石化等行业领域，随着光伏行业的快速发展，金刚线的行业规模也在不断的扩大，同时也对材料的切割效率、精度提出了更高的要求；目前金刚线大多使用高碳钢丝作为母线，高碳钢丝具有高强度、大硬度、良好切削性能、高的弹性极限和疲劳极限的优点，但是高碳钢丝夹杂的氧化铝，会降低成品的切割能力与效率，且高碳钢丝镀层很容易发生破损情况，会降低钻石线的质量；此外，高碳钢丝作为金钢线母线的的直径较大，最小尺寸为40微米左右，破断力相对不足，无法满足硅料超大化和超薄化的发展需求。

2、为了弥补现有碳钢母线的不足，逐渐开始用钨丝金刚线切割代替高碳钢丝金刚线切割，这种切割方法具有切割精度高、切削面平整、切割宽度细、操作简便等特点。后续开发的钨丝金刚线，对高碳钢丝母线进行了一部分替代，现有常用钨丝金刚线线径达到37μm，抗拉强度达到5000mpa，虽然远超高碳钢丝母线切割精度，但是依旧无法完全满足材料超细高强的切割要求；尽管部分企业已经开发出线径为25微米的超细钨丝，但其抗拉强度不到6500mpa，在使用过程中容易断丝，韧性差。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出一种高强韧钨丝的制备工艺，目的在于通过添加碳化物达到二次相强化，使制得的钨铼合金中纳米级的碳化物弥散分布于晶粒内部；通过高温轧制有效弱化织构，提升钨铼合金的韧性，制备出兼具高抗拉强度和高切割精度的钨丝。

2、本发明一种高强韧钨丝的制备工艺所制得的高强韧钨丝包括：90wt％-99.8wt％的钨、0.1wt％-5wt％的铼、0.1wt％-5wt％的碳化物；

3、本发明一种高强韧钨丝的制备工艺，具体包括以下步骤：

4、(1)将碳化物分散到甲醇溶液中作为溶液1，将溶液1置于震荡功率为80w的细胞粉碎机中，震荡10-20min，震荡时水温＜10℃；分别配置可溶性钨盐水溶液和可溶性铼盐水溶液，并将可溶性钨盐水溶液和可溶性铼盐水溶液依次加入到溶液1中，制得混合溶液；混合溶液通过喷雾冷冻干燥法进行快速冷冻、真空干燥后，得到钨铼前驱体；

5、(2)将得到的钨铼前驱体在空气中进行两个阶段的煅烧，第一阶段煅烧的升温速率为3-8℃/min，温度升至210-320℃，保温1-6h；第二阶段煅烧的升温速率为8-15℃/min，温度升至420-600℃，保温3-8h，煅烧完成后得到碳化物增强钨铼氧化物粉体；

6、(3)将得到的碳化物增强钨铼氧化物粉体在氢气气氛下进行两个阶段的还原，第一阶段还原的温度为350-550℃，保温3-5h；第二阶段还原的温度为750-950℃，保温4-10h；还原后得到粒度为0.1-0.5μm的碳化物增强钨铼粉体；

7、(4)将得到的碳化物增强钨铼粉体在180-230mpa下压制成坯，保压时间为20-40min；再在氢气气氛下烧结后得到致密度＞98％的碳化物增强钨铼合金；

8、(5)将得到的碳化物增强钨铼合金依次经多道次轧制开坯、旋锻开坯和拉丝工艺，得到线径为25-35μm的高强韧钨丝，高强韧钨丝清洗后通过复绕机进行复绕包装，以备高效切割使用。

9、具体的，所述步骤(1)中碳化物为碳化钛铝、碳化锆中的一种或两种，碳化物呈粉体状，且粉体粒度为100-600nm；

10、具体的，所述步骤(1)中可溶性钨盐水溶液的浓度为0.05-2.0mol/l，可溶性钨盐为钨酸钾、钨酸钠、钨酸铵中的一种或多种；

11、具体的，所述步骤(1)中可溶性铼盐水溶液的浓度为0.005-0.4mol/l，可溶性铼盐为高铼酸钠、高铼酸钾、高铼酸铵中的一种；

12、具体的，所述步骤(1)中喷雾冷冻干燥的压力为0.1-1mpa，流速为10-20ml/min，喷枪喷嘴离液氮距离为6-10cm，气液比为1：(1-200)；

13、具体的，步骤(4)中的烧结温度为1800-2500℃，保温时间为7-11h，烧结过程中氢气流量为5～15m3/h；

14、具体的，所述步骤(5)中轧制开坯的温度为1550-1800℃，轧制单次变形量为15-30％，轧制次数为2-3次，一火一道次；

15、具体的，所述步骤(5)中旋锻开坯的温度为1550-1700℃，旋锻单次变形量为15-25％，旋锻次数为6-8次，一火一道次；

16、具体的，所述步骤(5)中拉丝工艺是将旋锻开坯后的钨条通过转盘式拉丝机或七模拉丝机或八模拉丝机或六模拉丝机进行拉丝，所述拉丝温度为500-800℃，速度为50-100m/min。

17、通过前述工艺制得的高强韧钨丝的线径为25-35μm，其抗拉强度＞7000mpa，延伸率＞5％；与商用钨丝相比，本发明制得高强韧钨丝的抗拉强度提升了20-30％，延伸率提升了200-400％。此外，前述高强韧钨丝的制备工艺也可用于制备碳化物增强钼铼粉体及其合金。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

19、(1)本发明制备得到的碳化物增强钨铼合金中纳米级的碳化物弥散分布于晶粒内部，起到强化作用，从而提高后续制得钨丝的力学性能；在制备碳化物增强钨铼合金的过程中，因为加入了碳化物二次相，使再结晶温度提升了400℃以上，为选用较高的轧制旋锻温度奠定了基础，高温轧制可有效弱化织构，提升钨合金的韧性，轧制后的钨铼合金韧脆转变温度低于0℃，抗拉强度大于1500mpa，延伸率高于25％，远超现有商用钨铼合金性能；将碳化物增强钨铼合金进一步拉拔成丝后，制得高强韧钨丝的抗拉强度高于7000mpa，延伸率大于5％(传统商用钨丝的延伸率为1％-2％)。

20、(2)本发明制得的高强韧钨丝的线径为25-35μm，切割精度高，基于二次相强化理论，通过合理可行的工艺有效加入碳化物，同时采用特殊的超高温大变形轧制旋锻工艺，大幅提高钨合金的韧性，实现了超细钨丝的制备。

21、(3)本发明采用液液混合得到钨铼前驱体，通过钨铼前驱体制备出粒径细小均匀、球形度高、烧结活化度高的碳化物增强钨铼粉体，有效降低了烧结温度，提高了烧结致密度；且本发明采用冷冻干燥法，喷雾冷冻干燥技术把喷雾干燥和真空冷冻干燥二者有机的结合起来，所需的干燥时间极短，极大的缩短了传统的真空冷冻干燥时间，且干燥后的物料为粉状的固体，经喷雾冷冻干燥的物品，原有的生物、化学特性基本不变，易于长期保存，加水后能恢复到冻干前的形态，并且能保持其原有的生化特性；使制得的碳化物增强钨铼粉体的形状规则、硬团聚少、粒径小且均匀、化学纯度高、化学均匀性好、烧结温度低、重复性好等。

技术特征：

1.一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中的碳化钛铝可替换为粒度100nm的碳化锆，钨酸钾可替换为浓度0.96mol/l的钨酸钠，高铼酸钠可替换为浓度0.05mol/l的高铼酸钾，则制得线径为35μm的高强韧钨丝，所述高强韧钨丝包括94.5wt％的钨、5wt％的铼、0.5wt％的碳化锆。

3.如权利要求1所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中的碳化钛铝可替换为粒度500nm的碳化钛铝和粒度100nm的碳化锆两者的混合物，钨酸钾可替换为钨酸钠和钨酸铵两者的混合物，两者混合制得可溶性钨盐水溶液的浓度为0.94mol/l，高铼酸钠可替换为浓度0.05mol/l的高铼酸铵，则制得线径为25μm的高强韧钨丝，所述高强韧钨丝包括92.5wt％的钨、5wt％的铼、2wt％的碳化钛铝和0.5wt％的碳化锆。

4.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)中喷雾冷冻干燥的压力为0.1-1mpa，流速为10-20ml/min，喷枪喷嘴离液氮距离为6-10cm，气液比为1：(1-200)。

5.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中第一阶段煅烧的升温速率为3-8℃/min，温度升至210-320℃，保温1-6h；第二阶段煅烧的升温速率为8-15℃/min，温度升至420-600℃，保温3-8h。

6.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中第一阶段还原的温度为350-550℃，保温3-5h；第二阶段还原的温度为750-950℃，保温4-10h。

7.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中的烧结温度为1800-2500℃，保温时间为7-11h，烧结过程中氢气流量为5～15m3/h。

8.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，所述步骤(5)中轧制开坯的温度为1550-1800℃，轧制单次变形量为15-30％，轧制次数为2-3次，一火一道次。

9.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，所述步骤(5)中旋锻开坯的温度为1550-1700℃，旋锻单次变形量为15-25％，旋锻次数为6-8次，一火一道次。

10.如权利要求1-3任一所述的一种高强韧钨丝的制备工艺，其特征在于，所述步骤(5)中拉丝工艺是将旋锻开坯后的钨条通过转盘式拉丝机或七模拉丝机或八模拉丝机或六模拉丝机进行拉丝，所述拉丝温度为500-800℃，速度为50-100m/min。

技术总结本发明提出了一种高强韧钨丝的制备工艺，其中高强韧钨丝包括：90wt％‑99.8wt％的钨、0.1wt％‑5wt％的铼、0.1wt％‑5wt％的碳化物；主要制备方法包括液液混合配制前驱体、煅烧、还原、压制烧结制合金、加工制高强韧钨丝五个步骤，通过上述步骤制得高强韧钨丝的线径为25‑35μm，其抗拉强度＞7000MPa，延伸率＞5％；与商用钨丝相比，本发明制得高强韧钨丝的抗拉强度提升了20％‑30％，延伸率提升了200％‑400％。本发明通过添加碳化物达到二次相强化，使制得的钨铼合金中纳米级的碳化物弥散分布于晶粒内部；通过高温轧制有效弱化织构，提升钨铼合金的韧性，制备出兼具高抗拉强度和高切割精度的钨丝。技术研发人员：杨璐,魏世忠,王喜然,巩飞龙,杨跃,王铁军,吴玉程,张永辉受保护的技术使用者：河南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5