真空度對95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金性能影響研究

王帥

摘 要：真空度是真空燒結(jié)高比重鎢合金重要工藝參數(shù)之一，理想真空度是真空燒結(jié)時在保證產(chǎn)品不發(fā)生氧化時合理控制粘結(jié)相的蒸發(fā)，使其不會對合金性能產(chǎn)生顯著影響。試驗設(shè)置10-4、10-2和10-0三個等級的真空度，并采用同一溫度對95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co進行真空燒結(jié)。結(jié)果表明采用10-4級真空度燒結(jié)的產(chǎn)品粘結(jié)相嚴重蒸發(fā)且密度超差較多;采用10-2級真空度燒結(jié)的產(chǎn)品粘結(jié)相蒸發(fā)較少，密度、化學(xué)成分等指標均正常;采用10-0級真空度燒結(jié)的產(chǎn)品表面明顯氧化。

關(guān)鍵詞：高比重鎢合金;真空燒結(jié);真空度;粘結(jié)相蒸發(fā);密度

Abstract： Vacuum degree is one of the important process parameters of vacuum sintering high-specific gravity tungsten alloy. The ideal vacuum degree is to control the evaporation of bonding phase reasonably during vacuum sintering to ensure that the products do not oxidize， so that it will not have significant influence on the properties of the alloy. The test set the vacuum degree of 10-4， 10-2 and 10-0， and used the same temperature for 95W-3.4Ni-1.4 FE-0.2 Co vacuum sintering. The results show that the bonding phase of the product with grade 10-4 vacuum sintering is seriously evaporated and the density is much out of tolerance. The product sintered with grade 10-2 vacuum has less evaporation of bonding phase and normal density， chemical composition and other indexes. The surface of the product is oxidized obviously by sintering the vacuum degree of 10-0.

Key words： high-specific gravity tungsten alloy; Vacuum sintering; The vacuum degree; Bonding phase evaporation; The density

高比重鎢合金是一種以鎢為基體，添加鎳、鐵、銅、鈷、錳等元素組成的合金。通常鎢含量在85%-98%范圍內(nèi)，燒結(jié)后合金密度高達14.0-19.0g/cm3[1]。高比重鎢合金具有密度大、強度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，其在國防和民用工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通常采用粉末冶金方法生產(chǎn)，一般經(jīng)過混粉、壓制成型、燒結(jié)及機加工等后處理制得。高比重鎢合金的燒結(jié)過程是合金制備過程中十分重要的環(huán)節(jié)，燒結(jié)工藝對合金的致密度、組織形貌、成分偏析和燒結(jié)坯形狀等起決定性作用。燒結(jié)方法通常為氫氣燒結(jié)、真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)等。其中用于工業(yè)批量生產(chǎn)的工藝通常為氫氣燒結(jié)和真空燒結(jié)，由于安全和環(huán)保等因素，國家出臺一系列法規(guī)和政策引導(dǎo)企業(yè)淘汰傳統(tǒng)落后的氫氣燒結(jié)工藝，并鼓勵企業(yè)向真空燒結(jié)工藝轉(zhuǎn)換。但由于真空燒結(jié)高比重鎢合金時，粘結(jié)相鎳、鐵、鈷等在高溫時呈現(xiàn)液相，在真空狀態(tài)下金屬粘結(jié)相蒸發(fā)尤為明顯，導(dǎo)致最終產(chǎn)品密度偏高且性能較差。本文以95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co合金為例，采用真空燒結(jié)制備工藝，并重點考察真空度對合金性能的影響。

1實驗

1.1原材料

原材料分別采用FWG-1鎢粉、FNiTG-2鎳粉、FFeTG-1鐵粉和FCoTG-1鈷粉。按照質(zhì)量比95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co進行配料，并加入總粉質(zhì)量2%的硬脂酸1801作為成型劑，在ZX-0.4M3雙錐高效混合機上進行混合，混合時間為8小時，每隔60分鐘變換一次方向，混料完成后制得混合粉。

1.2制備工藝

粉體成型采用YND79Z-200A粉末液壓機設(shè)備，利用剛性模具單向壓制，壓制壓力為49噸，保壓時間為2秒，壓坯形狀為φ120mm×φ105mm×6.5mm的圓環(huán)體。將壓坯放入罩式氣氛脫粘爐內(nèi)熱脫脂，升溫速率為5℃/min，最高溫度升至800℃，去除壓坯體內(nèi)的成型劑硬脂酸，并進行了預(yù)燒結(jié)，使環(huán)體具有了一定的強度，使其在后序周轉(zhuǎn)過程中不易產(chǎn)生掉碴和缺肉等情況。

1.3試驗過程

使用VHSF-7712真空燒結(jié)爐進行液相燒結(jié)。本試驗共進行了三次真空燒結(jié)并采用相同升溫曲線：室溫160分鐘升至800℃，保溫60分鐘，60分鐘升至1200℃，90分鐘升至1500℃，保溫60分鐘，降溫過程采用隨爐冷卻。每組試驗通過開啟不同的真空系統(tǒng)來控制爐內(nèi)的真空度。第一組真空燒結(jié)過程將滑閥機械泵、羅茨泵和油擴散泵全部開啟;第二組真空燒結(jié)過程開啟滑閥機械泵和羅茨泵;第三組真空燒結(jié)過程只開啟滑閥機械泵。

1.4化學(xué)成分及性能測試

利用JA5003電子密度儀對三組試驗產(chǎn)品進行密度測量。將真空燒結(jié)后的三組試驗產(chǎn)品分別車成碎屑后使用等離子體發(fā)射光譜儀進行鎳、鐵、鈷元素化學(xué)成分含量檢測。利用WMJ-9370倒置金相顯微鏡觀察分別觀察產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)。利用HR-150A洛氏硬度計檢測三組試驗產(chǎn)品硬度值。

2.結(jié)果與討論

真空燒結(jié)試驗實際真空度分別為第一組9.9E-4、第二組4.6E-2、第三組8.2E-0。

2.1 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金密度分析

W-Ni-Fe系合金的燒結(jié)過程屬于典型的液相燒結(jié)，在升溫過程中，鎳、鐵粘結(jié)相粉末在較低溫度下就相互擴散溶解，同時粘結(jié)相與鎢顆粒之間發(fā)生固相擴散現(xiàn)象。當溫度達到鎳鐵二元共晶點溫度時開始產(chǎn)生液相，鎢顆粒在液相內(nèi)近似為懸浮狀態(tài)，受液相表面張力的推動發(fā)生位移，顆粒之間液相所形成的毛細管力以及液相本身的粘性流動，使鎢顆粒調(diào)整位置，重新分布以達到最緊密的排布。在鎢顆粒表面原子溶解于液相時，液相中的鎢原子也會析出并沉積于大尺寸的鎢顆粒表面上。經(jīng)歷了固相溶解和析出階段后，便可使球形鎢顆粒均勻分布于粘結(jié)相中，固相溶解和析出過程完成后便進入固相骨架形成階段，此時，鎢顆粒之間相互接觸并產(chǎn)生固相燒結(jié)現(xiàn)象，并在擴散的基礎(chǔ)上發(fā)生晶粒長大，此時密度上升至最大值并接近全致密[2]。

三組試驗密度值分別為18.47g/cm3、18.22g/cm3和18.18g/cm3。由于第一組試驗真空度為9.9E-4，爐內(nèi)真空度較高，在燒結(jié)的過程中，粘結(jié)金屬在液相出現(xiàn)時產(chǎn)生大量的蒸發(fā)損失，進而造成合金中鎢含量的升高，這是導(dǎo)致密度偏高的主要原因。從二三組試驗可以看出，當真空度降至E-2級時，粘結(jié)相蒸發(fā)較少，密度未發(fā)生明顯偏差。

2.2 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金化學(xué)成分分析

三組試驗化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。由于第一組試驗在高溫燒結(jié)階段粘結(jié)相鎳、鐵、鈷大量蒸發(fā)，三種元素質(zhì)量分數(shù)約減少至一半。二、三組試驗由于真空度較低，粘結(jié)相蒸發(fā)較少，故各元素質(zhì)量分數(shù)波動較小。

2.3 95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金組織結(jié)構(gòu)分析

圖1-3分別為三組試驗在金相顯微鏡下放大500倍后的顯微組織。

從圖1中可以看出，第一組試驗鎢顆粒周圍粘結(jié)相蒸發(fā)較為明顯，個別區(qū)域已完全蒸發(fā)，導(dǎo)致鎢顆粒直接接觸呈現(xiàn)片狀。從圖2和圖3二、三組試驗可以看出粘結(jié)相比較充分且均勻分布在鎢顆粒周圍，未出現(xiàn)粘結(jié)相明顯蒸發(fā)情況。

2.4 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金硬度分析

三組試驗產(chǎn)品洛氏硬度HRC值分別為33.5、32.0和38.5，可以看出第三組產(chǎn)品較一二組硬度值明顯偏大，原因為第三組產(chǎn)品在燒結(jié)過程中，由于爐內(nèi)真空度較低，發(fā)生明顯氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致硬度值偏高。

2.5 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金外觀分析

三組真空燒結(jié)后的產(chǎn)品實物見圖4。第一組產(chǎn)品由于鎳、鐵、鈷粘結(jié)相嚴重蒸發(fā)，燒結(jié)后的產(chǎn)品絕大部分相為鎢顆粒，故產(chǎn)品外觀顏色為暗灰色，缺少金屬光澤且表面粗糙。第二組產(chǎn)品則外觀金屬光澤明顯，表面光滑明亮，粘結(jié)相能夠充分且均勻分布在鎢顆粒周圍，并形成良好的包裹性。第三組產(chǎn)品則由于燒結(jié)時真空度較低產(chǎn)品出現(xiàn)輕微氧化現(xiàn)象，外觀呈現(xiàn)藍色、黃色等多種色彩。造成此現(xiàn)象的原因為鎢顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)形成了二氧化鎢和三氧化鎢等多種氧化物。

3.結(jié)論

采用真空燒結(jié)制備95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金，升溫過程采用同一升溫曲線，燒結(jié)最高溫度設(shè)置為1500℃，通過設(shè)置真空泵系統(tǒng)，調(diào)整爐內(nèi)的真空度，得到以下結(jié)果：

1）當真空度為9.9E-4時，鎳、鐵、鈷粘結(jié)相出現(xiàn)嚴重蒸發(fā)，其蒸發(fā)量約達到各元素添加量的二分之一，產(chǎn)品外觀灰暗，密度值較理論值升高0.26g/cm3。

2）當真空度為4.6E-2時，產(chǎn)品粘結(jié)相無明顯蒸發(fā)，且均勻分布在鎢顆粒周圍，產(chǎn)品外觀光滑且金屬光澤明顯，密度基本達到理論值，產(chǎn)品較正常。

3）當真空度為8.2E-0時，產(chǎn)品粘結(jié)相無明顯蒸發(fā)，產(chǎn)品出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，密度值略低于理論值，硬度值偏高。

參考文獻：

[1]李耀強，強立行，晏朝暉.鎢合金燒結(jié)密度差異問題的分析及解決方法[J].科技與創(chuàng)新.2016（17）：17

[2] 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 2 版. 冶金工業(yè)出版社， 2008