钨基高密度合金烧结力学性能的研究

摘要：钨基高密度合金因具有高密度和优异的力学性能而得到了广泛的应用。本文采用扫描电镜、室温拉伸和室温冲击等手段，系统地研究了烧结方式对钨基高密度合金力学性能的影响。试验结果表明，氢气烧结态合金的抗拉强度随着W含量由90%增加到95%时有所提高，而当W含量进一步提高时，合金的抗拉强度略有降低。伸长率和冲击韧性随着W含量由90%增至97%时逐步减小。真空烧结不仅能避免氢气烧结时所引起的氢脆现象，而且可以改善液相对固相的润湿性，因此真空烧结态合金的力学性能高于氢气烧结态合金。

关键词：高密度合金烧结性能

1 绪论

凭借高密度、高强度的优点，钨基高密度合金在现代工业中得到广泛应用，并且在国防工业中占据着主导性地位。随着工业化进行的不断加快，人们对钨基高密度合金的性能提出更高要求。提高钨基高密度合金的综合性能被东欧各国专家学者的普遍关注，通过对钨基高密度合金的应用背景进行研究分析，在对钨基高密度合金研究现状的基础上，阐述了本文写作的目的、意义和内容。

2 研究现状

对钨基高密度合金进行烧结，传统的烧结工艺为液相烧结。通过采用液相烧结对钨基高密度合金进行烧结时，由于烧结温度比较高，导致晶粒长大，并且在烧结时固/液密度存在很大的差别，在重力的影响喜爱引发黏性流动，导致钨晶粒出现聚集，进一步发生严重的坍塌变形。进行钨基高密度合金烧结时，对性能、组织的均匀性都有较高的要求。

3 实验方法

3.1 合金原料。制备钨基高密度合金的原料，其部分性能指标如下表3-1所示。

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3.2 制作钨基高密度合金。钨基高密度合金的制备工艺如下：

3.2.1 设计合金成分和配料。根据相应的研究内容对合金成分进行设计。

3.2.2 混料。合金混料的化学成分配比根据实验设计进行，参照表3-1的原料进行配比后，在钢质V型混料机中进行混料，混料用球为硬质合金球，球料比为1：1，球磨时间为8小时。

3.2.3 捏合：将混好的料放入捏合机，捏合温度为100-120℃，捏合时间为30分钟。

3.2.4 降温过筛：将捏合完的料置于温度为25℃的空调房内，温度达到室温后，过40目筛。

3.2.5 成形：本实验采用普通模压成形，压制方式为单向阴模浮动压制。

3.2.6 脱脂：脱脂在氮气罩式脱脂炉内进行。

3.2.7 烧结：烧结工艺根据实验内容不同而进行选择。

3.2.8 监测、分析。

4 性能检测

4.1 抗拉强度检测。在LJ-3000A型机械式拉力试验机上测量抗拉强度，拉伸速率为1mm/min，相应的应变速率为1.1×10-3s-1。抗拉强度σb为：σb=■

式中：F为断裂载荷，S为试样截面积。

4.2 伸长率检测。合金延性通过以抗拉试样测试的方式进行。其室温伸长率σ为：σ=■×100%

式中：l为试样断后长度，l■为试样断前长度。

4.3 冲击韧性检测。对冲击性能的测量是在通过摆锤式冲击实验机上进行的。采用10×10×55无缺口试样对冲击性能进行测试。冲击韧性αk为：αk=■

式中：AK为冲击功，SN试样截面积。

4.4 观察扫描电镜。借助JSM-5600LV型和KYKY-2800型扫描显微镜对拉伸试样及冲击试样断口进行分析。

5 烧结方式对W-Ni-Fe系合金力学性能的影响

5.1 实验方案 根据表5-1所示，进行对实验所用原料钨粉、镍粉、铁粉的设计。W-Ni-Fe系高密度合金分别采用氢气烧结和真空烧结的方法进行制备，氢气烧结采用双温区的钼丝推杆炉，一区850℃、二区1500℃，推舟速度45min/舟，真空烧结时升温速率为8℃/min升到1200℃

保温40min，再以5℃/min升到1500℃保温60min，随炉冷却，真空度为0.01Pa。

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5.2 实验结果

5.2.1 合金显微组织及断口形貌。不同气氛中烧结的95W-3.5Ni-1.5Fe合金拉伸断口形貌如图5-2所示。由图可以看出，氢气烧结态合金的断口呈现出典型的沿晶断裂形貌，断裂方式以钨-钨断裂和钨-粘结相断裂为主要形式，另外，钨-粘结相界面处有少量微孔。

5.2.2 检测合金力学性能。在表5-3中分列了氢气烧结、真空烧结态合金力学性能的检测结果，可以看出真空烧结态合金的力学性能优于氢气烧结态合金，其抗拉强度和伸长率都较氢气烧结态合金均有不同程度的提高，但冲击韧性略低于氢气烧结态合金。

6 结论

6.1 真空烧结和氢气烧结都属于液相烧结，进行烧结时遵守“扩散-溶解-析出”的机制。

6.2 通过真空进行烧结，一方面消除氢脆的影响；另一方面有效地改善了液相对固相颗粒的润湿作用。同氢气烧结相比，在一定程度上提高了合金密度和力学性能。

6.3 同氢气烧结态合金相比，真空烧结态合金的抗拉强度得到了有效的提高，但是伸长率变化不明显，冲击韧性略有降低。

参考文献：

[1]梁容海，熊湘君，王伏生.高密度钨合金研究及军工上的应用.1997年中国粉末冶金学术会议论文集.北京：机械工业出版社，1997年第一版：5-10.

[2]赵慕岳，王伏生，梁容海.高密度合金在国防工业和民用工业中的应用[J].粉末冶金技术，1983，1（6）：20-23.

[3]黄振德，王伏生.高密度合金在军工中的应用及展望[J].湖南有色金属，1997，13（3）：44-46.

[4]范景莲，李益民，曲选辉等.W-Ni-Fe高密度合金的烧结[J].矿冶工程，1998，18（4）：40一43.

[5]黄继华，张立春，桂晓峰.高Ni/Fe比W-Ni-Fe系重合金的烧结行为[J].北京科技大学学报，2000，22（2）：149-152.

[6]范景莲，黄伯云，张传福，等.纳米钨合金粉末常压烧结的致密化和晶粒长大[J].中南工业大学学报，2001，32（4）：390-393.

[7]白云林.W-Ni-Fe合金机械性能的影响因素[J].兵器材料科学与工程，1986，9（2）：53-58.