高密度鎢合金在工業(yè)化批量生產(chǎn)中常見問題研究

王帥

摘 要：高密度鎢合金在航空航天、武器裝備和民用工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，其在工業(yè)化批量生產(chǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)各種各樣質(zhì)量問題，本文對高密度鎢合金的常見問題進(jìn)行匯總并詳細(xì)分析了產(chǎn)生原因和機(jī)理，為今后其他人員分析類似問題提供參考。

關(guān)鍵詞：高密度鎢合金;工業(yè)化;批量生產(chǎn);質(zhì)量問題;

Abstract：High-density tungsten alloys in aerospace， military equipment and is widely used in civilian industry， its in the process of industrialized mass production， will appear all sorts of quality problems， in this paper， the common problems of high-density tungsten alloy summary and detailed analysis of the causes and mechanism， as to provide reference for other researchers analyzed.

Key words：High density tungsten alloy; Industrialization; Mass production; Quality issues;

高密度鎢合金是一種以鎢為基體，加入鎳、鐵、銅、鈷、錳等合金元素組成的合金，形成鎢顆粒和粘結(jié)相復(fù)合結(jié)構(gòu)。高密度鎢合金的燒結(jié)過程采用的是液相燒結(jié)，正是由于采用粉末冶金這一特有的工藝，使其具有熔點(diǎn)高、密度大、熱膨脹系數(shù)低、射線吸收能力好等一系列優(yōu)異的性能，因此，被廣泛應(yīng)用于航空航天、常規(guī)武器彈藥和民用工業(yè)等尖端領(lǐng)域[1]。

工業(yè)化大批量生產(chǎn)高密度鎢合金工藝流程通常為：制備或采購原材料粉末并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的配比進(jìn)行稱料，稱好的各種粉料裝入混料機(jī)內(nèi)按照設(shè)定好的混合方式和時(shí)間進(jìn)行混合，為便于后續(xù)成型工序精準(zhǔn)成型和脫模，通常在混料時(shí)加入一定比例的成型劑。在成型工序后再設(shè)置一脫脂工序，將混料時(shí)加入成型劑脫去，通常采用溶劑脫脂或熱脫脂工藝。將脫脂完成的毛坯產(chǎn)品放入氫氣燒結(jié)爐或真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行液相燒結(jié)，使其接近完全致密。將燒結(jié)完成的產(chǎn)品進(jìn)行精整處理或直接按照成品圖機(jī)加工處理，最終獲得成品。

高密度鎢合金生產(chǎn)過程由于具有材料利用率高、加工流程短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，近十年來企業(yè)數(shù)量迅速攀升，許多之前只生產(chǎn)硬質(zhì)合金的企業(yè)紛紛加入高密度鎢合金的制造行列之中。在伴隨著高密度鎢合金行業(yè)產(chǎn)量猛增的同時(shí)，生產(chǎn)加工過程中的問題也逐漸暴露出來，本文以結(jié)果為導(dǎo)向，對高密度鎢合金在工業(yè)化大批量生產(chǎn)過程中的常見問題進(jìn)行分析和研究，為同行業(yè)制造者在分析相同或類似問題時(shí)提供參考，以便問題及時(shí)解決。

1.高密度鎢合金成品密度超差

密度值是高密度鎢合金的主要物理性能指標(biāo)，其特性主要是在燒結(jié)過程中形成。在工業(yè)化批量生產(chǎn)過程中，密度超差出現(xiàn)偏高或偏低現(xiàn)象均較為常見。密度超差可能原因有以下幾點(diǎn)：一是配料人員直接將配方計(jì)算錯(cuò)誤;二是稱料人員秤錯(cuò)原料粉，將某種元素金屬粉多稱或少稱。三是混料人員在往混料機(jī)內(nèi)倒灌原料粉時(shí)不小心將某種元素金屬粉撒漏，造成該元素金屬粉缺失。四是當(dāng)高密度鎢合金采用真空燒結(jié)工藝時(shí)，由于爐體內(nèi)真空度過高，造成粘結(jié)相金屬在液相時(shí)蒸發(fā)過量，導(dǎo)致成品密度偏高。五是高密度鎢合金環(huán)體在燒結(jié)過程中，為避免環(huán)體與裝載物鉬舟發(fā)生粘連，會(huì)在鉬舟底層撒上一層白剛玉砂作為隔絕物，當(dāng)環(huán)體中間部位白鋼玉砂數(shù)量過多時(shí)，環(huán)體在高溫液相時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮，此時(shí)由于砂子堆積阻力過大，造成環(huán)體不收縮，最終高密度鎢合金環(huán)密度偏低。六是當(dāng)燒結(jié)爐溫度過低時(shí)，粘結(jié)相鎳、鐵、鈷等金屬在高溫時(shí)液相不充分，導(dǎo)致高密度鎢合金處于欠燒狀態(tài)，未能完全收縮，致使最終產(chǎn)品密度偏低。

在工業(yè)化量產(chǎn)過程中，如想避免以上問題，可以從以下幾方面采取控制措施：一是在配方計(jì)算時(shí)有其他人員符合校核確認(rèn);二操作人員在稱料和灌裝粉料時(shí)全程有檢驗(yàn)人員監(jiān)督，以防出現(xiàn)差錯(cuò)。三是當(dāng)采用真空燒結(jié)時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置爐內(nèi)真空度和燒結(jié)溫度，在保證爐內(nèi)產(chǎn)品不發(fā)生氧化時(shí)盡可能降低真空度。四是擺舟過程中嚴(yán)格控制白剛玉砂數(shù)量，并應(yīng)盡量采用較平整的鉬舟，防止產(chǎn)品在液相時(shí)發(fā)生塌陷變形。

2.高密度鎢合金成品外觀缺陷

高密度鎢合金在燒結(jié)完成后，通常需要進(jìn)行一定的機(jī)械加工才能達(dá)到客戶要求尺寸精度。通常高密度鎢合金環(huán)體需要對兩個(gè)斷面和內(nèi)外圓進(jìn)行車削或磨削，在工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，批量加工后的環(huán)體往往有的存在缺肉、局部加工不到等問題，主要原因有幾個(gè)方面。一是環(huán)體在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留的加工余量較小，產(chǎn)品在燒結(jié)過程中會(huì)由于爐溫均勻性差異造成環(huán)體厚度不一，高度或壁厚尺寸較小的地方加工余量不夠，后續(xù)機(jī)加工不到的地方則存在黑皮等缺陷。二是壓制過程中原料粉在環(huán)體圓周方向落料不均，造成不同部位粉體致密性不一，在燒結(jié)完成時(shí)環(huán)體高度差會(huì)較大，尺寸小的部位則同樣存在缺陷。三是毛坯件在完成壓制后其強(qiáng)度較低，在周轉(zhuǎn)過程中，若操作人員不輕拿輕放，產(chǎn)品則很容易出現(xiàn)掉碴或缺肉現(xiàn)象，在燒結(jié)前如不能被挑選出，環(huán)體在機(jī)加工后則很可能存在缺陷。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中可以采取以下幾個(gè)方面避免以上問題：一是在產(chǎn)品科研試制階段，應(yīng)設(shè)置若干個(gè)余量方案，挑選出成品質(zhì)量合格的方案，并進(jìn)行小批量試制，并計(jì)算產(chǎn)品得材率和合格率等指標(biāo)，最后綜合分析確定產(chǎn)品余量。二是在毛坯件壓制成型過程中，確認(rèn)壓機(jī)料倉落料周向一致性，當(dāng)批產(chǎn)過程出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)及時(shí)調(diào)整。三是在產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)常對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，增強(qiáng)其質(zhì)量意思，嚴(yán)格控制其在產(chǎn)品周轉(zhuǎn)時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書操作。

在大批量生產(chǎn)高密度鎢合金球體過程中，成品中同樣有產(chǎn)品出現(xiàn)“月牙形”缺肉等缺陷，這種現(xiàn)象在鎢合金牌號(hào)相對較低的球體中尤為明顯。產(chǎn)生缺肉現(xiàn)象的主要原因是球體在燒結(jié)過程中變形嚴(yán)重所致。我們可以采取兩步燒結(jié)法或增加壓制毛坯余量來減少缺陷數(shù)量。

3.高密度鎢合金成品力學(xué)性能偏低

在高密度鎢合金成品性能檢測過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)個(gè)別鎢合金產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度或壓潰性能偏低等情況。高密度鎢合金力學(xué)性能特性主要在燒結(jié)工序形成，燒結(jié)過程中的溫度和保溫時(shí)間對合金性能起決定性作用。高密度鎢合金是由軟的粘結(jié)相和硬質(zhì)鎢顆粒組成，燒結(jié)態(tài)的高密度鎢合金中鎢晶粒呈球形狀并均勻分布在粘結(jié)相中[2]。成品力學(xué)性能偏低可能有以下幾個(gè)方面影響。一是燒結(jié)溫度偏高或偏低，保溫時(shí)間過長或過短，都會(huì)造成產(chǎn)品欠燒或過燒，使產(chǎn)品微觀組織結(jié)構(gòu)形成較差，出現(xiàn)鎢顆粒長大或液相不充分等情況。二是在燒結(jié)過程中，產(chǎn)品中含有雜質(zhì)元素含量超標(biāo)，在燒結(jié)過程中雜質(zhì)會(huì)影響粘結(jié)相對鎢顆粒的潤濕性或在冷卻過程中，雜質(zhì)析出于晶界處，在后續(xù)力學(xué)性能測試時(shí)，在缺陷處則容易形成裂紋導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能偏低。給高密度鎢合金中帶入雜質(zhì)的可能性有以下幾點(diǎn)：一是原材料粉體本身雜質(zhì)元素含量超標(biāo);二是操作人員在混料或壓制成型過程中由于環(huán)境衛(wèi)生或遺漏異物致使產(chǎn)品中引入雜質(zhì);三是產(chǎn)品在成型過程中會(huì)加入成型劑，成型劑主要是石蠟、硬脂酸、甘油等有機(jī)物，這些成型劑在后續(xù)脫脂工序如不能被徹底脫出則會(huì)殘留在產(chǎn)品中，在燒結(jié)過程中有機(jī)物會(huì)分解出碳，碳與鎢極易形成碳化鎢，碳化鎢則是硬脆相，嚴(yán)重影響產(chǎn)品力學(xué)性能。

4.結(jié)論

高密度鎢合金產(chǎn)品在工業(yè)化量產(chǎn)過程中，由于具有批量大、時(shí)間緊等特征，會(huì)出現(xiàn)許多在小批量實(shí)驗(yàn)中遇不到的問題，管理者只有從人員、機(jī)器、原料、工藝、環(huán)境、檢測六方面去嚴(yán)格監(jiān)督和控制，才會(huì)盡可能保證各批次產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量一致性。

參考文獻(xiàn)：

[1]武媛潔，徐英鴿，鄭敏杰.高比重鎢合金的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].熱加工工藝.2015，44（20）：11

[2]王廣達(dá)，楊海兵，劉桂榮.高比重合金變形加工研究進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù).2014，32（3）：223