钽粉物理性能对钽棒烧结效果的影响

2020-07-04马建政解永旭崔新民

中国金属通报 2020年4期

马建政，解永旭，韩鹏，崔新民

（宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏石嘴山 753000）

钽金属具有较高的熔点、热导率以及电阻率，因此钽被大量应用于粉末冶金工业中。可以制备电容器级钽丝、电子元件用靶材、工业加热炉用元器件等的原材料。而电容器级钽丝的原材料-坯料，就是通过钽粉经冷等静压成型、垂熔烧结制得，在这个加工过程中，由于钽粉颗粒的物理性质差异，不但会影响到坯料的除杂过程，而且会影响到坯料烧结后密度、硬度等参数，进而会影响到后续钽丝的物理、化学、电学等各项性能[1]。

钽棒真空垂熔烧结法是将成型压制好的钽棒坯条固定在真空垂熔炉的上下电极之间，使高电流直接流过坯料，由坯料本身电阻产生热量，从而使钽棒获得较高的纯度，并具有一定的物理、机械性能的致密金属的方法。它和粉末成型工序有机结合起来，统称粉末冶金法。而烧结后钽棒的密度、表面光洁度及内部晶粒的生长情况对后续钽棒加工成钽丝的力学性能、电物理性能影响较大，通过对相同类型不同粒径钽粉成型后的钽棒进行烧结效果对比，探寻钽粉性能对烧结效果的影响规律。

1 实验方法

本试验采用同一批次的冶金级钽粉，经过粗、细两种不同筛目的筛分制粉处理，制备成两种试验原料。表1是两种钽粉的化学杂质分析对照表，表2是两种钽粉松装密度、平均粒径、筛分析对比。分别将试验原料装入乳胶包套，经冷等静压，制出粗细均匀、长度一致、具有一定压实密度的钽坯料。将两种钽棒坯料装入垂熔烧结炉进行烧结，烧结后的钽棒利用阿基米德方法测试其密度，并在钽棒横截面出取样，分别取晶相和化学杂质分析的样品；采用德国进口的Leica MM3型金相显微镜进行微观金相组织分析，并用Tecnai G2 20ST型透射电镜（TEM）作微区化学杂质分析。用以研究微区的化学成份、表面形貌和结构特征等。

图1 两种钽粉的形貌照片

2 试验结果及讨论

2.1 钽粉平均粒径对烧结后钽棒密度的影响

对两种钽粉烧结后钽棒的密度进行测试见图2，可以看出：经过细筛孔的钽粉钽棒烧结后的密度明显比过粗筛孔的要高，这是因为颗粒较细的钽粉平均粒径较小，见表2，在烧结过程中，原子与原子之间的接触比大粒径的钽粉更容易，在同样烧结条件下，原子与原子之间更容易结合。另外，钽粉颗粒越大，原子之间的空隙越大，这种空隙一方面容易造成气体杂质的保留，另一方面不利于原子之间的结合。一旦这种空隙在烧结结束后没有密闭，烧结坯料的内部结构会出现原子不规则排列，从而表现出密度偏低的情况。此外如果钽粉颗粒小，再加之成型挤压的原因使粉末之间产生的应力也较大，因此坯条中处于比较高活性状态的原子较多，粉末贮存的表面能就越高，就越易于烧结。但钽粉过细也会带来夹心、断料等问题[2]。

表1 两种钽粉的化学杂质分析（单位：ppm）

表2 两种钽粉松装密度、平均粒径、筛分析对比

图2 两种钽粉烧结后钽棒的密度

2.2 钽粉平均粒径对烧结后钽棒化学杂质的影响

钽粉过细筛孔比过粗筛孔粒径更小，见图1，这两种钽粉制得的钽棒烧后表面差别很大，过细筛孔比过粗筛孔的钽粉烧结后钽棒表面更光洁，分析其中的化学杂质含量，见表3。

表3 两种钽棒化杂成分对比（单位：ppm）

由于过细筛孔的钽粉比过粗筛孔钽粉颗粒细，钽粉颗粒具有更大的比表面，因此其表面活性更强，所以在降氧、酸水洗等精细处理中更易吸氧，从表1可见细粒径的钽粉含氧量较粗粒径钽粉高，而其它杂质含量区别不大。钽棒经过高温真空垂熔烧结后对比两种钽棒的化学杂质，由表3可见钽棒含氧量含量已无太大差别，这是由于真空垂熔烧结温度很高，接近钽的熔点，钽粉制粉过程中吸附的氧能以CO2及低价氧化物的形式挥发，只要烧结温度、真空度及烧结时间等条件满足，脱氧可连续进行，就可使钽棒中的氧含量降到很低的程度[2]。

2.3 钽粉平均粒径对烧结后钽棒微观性能的影响

对上述方法烧结的钽棒进行晶相检测分析（图3），众所周知，粉末冶金法制得的金属坯料，其微观组织表现在其晶粒大小上[3]，钽棒烧结质量的充分与否，其晶相结构表现的非常直观，经过细筛孔的钽粉所制的钽棒烧结后晶粒生长得更充分，晶界更明显，晶粒也较大。这是因为，钽粉颗粒越小，其表面活性越强[4]。在同样条件下，原子之间的结合力越强，消除原子间的抗变形能力就越强，因此晶核形成更早，在同样的保温时间下，晶粒的长大越快，而颗粒较大的钽粉，在烧结时，一方面要排除颗粒间较大空隙造成的变形应力，一方面除去空隙间杂质形成的抑制晶粒长大的应力，所以其晶粒长大缓慢，这也从微观角度印证了细粒径钽粉压制的钽棒表面能更高，因此烧结效果更好。