CN102091859B - 一种高密度钨合金复杂零件的成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度钨合金复杂零件成型工艺，将高密度钨合金复杂零件按照形状划分成母体件和焊接件，并分别按照母体件和焊接件进行配料，其中焊接件配料密度等于或小于母体件配料密度；然后分别放入马弗炉或中频感应烧结炉烧结成型，成型的母体件和焊接件的焊接端面经机械加工并分别进行表面处理后放入马弗炉或中频感应烧结炉中扩散焊接；焊接后用机械加工的方式进行修整。经本发明的新工艺生产的钨合金产品废品率极度降低，扩散焊接表面强度符合相应的材料标准要求，焊扩散接端面经探伤无任何缺陷，符合烧结材料的要求。采用该工艺可以降低材料的成本，并减少加工过程的失误、以及对已产生的废品/次品进行补修和挽救。

Description

一种高密度钨合金复杂零件的成型工艺

技术领域

本发明涉及焊接技术，具体涉及一种高密度钨合金复杂零件的成型工艺。

背景技术

传统的高密度钨合金是将各元素粉末机械混合，经模压成形和液相烧结而成。由于元素粉末的机械混合难以将各元素粉末混合均匀，易造成成分的不均匀性，对合金的性能影响较大；另外传统的模压只能满足简单形状零部件的生产要求，对于小截面、大长径比的棒材、管材及形状复杂的异形件就体现出其局限性；再者，由于液相烧结温度高，易于造成烧结坯的坍塌和变形，难以满足零件的尺寸精度的要求。

近些年来，国内外学者在超细粉末制备、成形工艺、烧结方式和烧结后处理等方面开展了大量的工作。相继对粉末制备工艺、成形工艺和烧结工艺做了大量的研究，具体归纳起来主要包括：

1、粉末制备工艺

要制备高密度钨合金首先要获得性能优越的粉末。制备钨基高密度合金粉末的方法有多种，包括：喷雾干燥法、机械合金化、冷凝一干燥法、溶胶一凝胶法、气相沉积法、反应喷射法、真空等离子体喷射沉积法和机械一热化学合成法等，目前研究较多的是前四种。

喷雾干燥法亦即热化学合成法，包括原始溶液制备与混合、喷雾干燥和流化床转换三个阶段。它是将原始混合溶液经气体压力雾化，生成细液滴并伴随溶剂快速蒸发和溶质快速沉积，从而可从成分复杂的原始溶液中结晶出化学成分均匀即无相分离的前驱体粉末。采用该方法制备W-Ni-Fe纳米复合粉末，一般以钨酸盐和金属氯化物、硝酸盐等金属盐为原料。与传统制备钨粉或钻粉的方法相比，采用该方法可以不经过中间一系列的还原阶段，反应的时间较短，特别适用于制备纳米复合材料。同时，用这种方法可以在很宽的范围内控制所得到的粉末粒度，通过控制反应过程参数，对粉末的粒度可以在纳米尺寸到微米尺寸之间进行调控。

机械合金化法是将W与Ni、Fe、Cu等元素粉末在高能球磨机中进行球磨。在此过程中采用氢气保护，以防止粉末氧化。在机械合金化过程中，利用金属球对粉末体的碰撞而使粉末晶块细化，并且反复混合，局部温度升高，产生冷焊和撕裂，各元素粉末混合达到非常均匀的程度，形成纳米晶的超饱和固溶体和非晶相。此方法工艺设备简单，易于大批量生产，具有广阔前景。

冷凝一干燥法是以金属盐为原料，在生成含多种金属盐的混合溶液的基础上，用沉淀法制备出氢氧化物的溶液。含水物料在结冰时可使固相颗粒保持在水中的均匀状态，冰升华时，固相颗粒不会过分靠近而避免团聚的发生。

溶胶一凝胶法是将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某种溶剂中与水或其他物质发生反应，经水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥、锻烧和还原等处理得到所需的材料。用这种方法制备纳米粉末微观结构单一，化学成分控制精确，操作较为简单，成本也较低廉，但难以批量生产。

2、成形工艺

钨基高密度合金的成形工艺除常用普通模压成形和等静压成形外，近二十年来发展出粉末挤压成形、粉末注射成形和粉末轧制成形等成形工艺。挤压成形和注射成形在制造形状复杂、尺寸小、长径比大的零件方面，显示出了很大的优势，而粉末轧制成形在制备形状简单的薄材和箔材方面有其它方法无可比拟的优势。

挤压成形是将原料粉末与某种成分的粘结剂混合后，注入挤压成形机中，采用一定的压力使粉末料经过某种形状的挤压嘴后得到挤压坯，再将其脱脂，烧结成一定形状的零部件。粉末挤压成形所需设备简单，生产效率高;制品尺寸精确，表面光洁；适用于小截面、大长径比的棒料及制品而不受长度的限制。

在制造形状复杂、尺寸小的钨基高密度合金的零件时，注射成形显示出其独特的优越性，此法生产的零件可接近最终的几何形状，粉末注射成形技术的开发，减少了辅助工序，节约了原材料，降低了生产成本。

在制备形状单一的薄材、箔材方面，粉末轧制显示出高效率。该方法可以粉轧出厚度约0.5~2.5mm左右的生坯，生坯尺寸可自由控制，适合做厚度在2.5mm以下的薄材和箔材。

3、烧结工艺

传统的钨基高密度合金烧结工艺为液相烧结。由于钨基高密度合金在采用液相烧结时，其烧结温度高、晶粒极易发生长大，且在烧结过程中固/液密度差别大，在重力作用下产生猫性流动，发生钨晶粒聚集，试样容易发生严重的坍塌变形。对性能、组织的均匀性要求高、尺寸精度要求严或外形结构复杂的零件，液相烧结的应用受到较大的限制。German等人对烧结时间及烧结气氛对钨合金的显微结构和力学性能的影响作了详细的研究。为进一步降低烧结温度和近净形成型的需要，对钨基高密度合金烧结工艺的研究主要包括超细晶钨基合金的烧结，如固相烧结法、二步烧结工艺等。高密度合金在固相烧结阶段发生了大部分的致密化，形成了坚固的W骨架，可以避免液相烧结过程中的液相流动和钨颗粒下沉，能减小或消除液相烧结过程中试样的变形，其工艺具有实际价值。采用二步烧结工艺既可克服液相烧结过程中的坍塌与变形，又可较好地满足高密度合金的密度和性能要求，是一种比较理想的烧结方法。为了获得超细晶粒的钨基高密度合金，人们对超细钨合金的烧结工艺进行了初步的研究。研究表明：常规的烧结方法都无法控制块体材料的晶粒长大现象。因此，有必要寻找出一种适合于制备超细晶粒的钨基高密度合金的烧结工艺。

等离子体活化烧结是新近发展起来的一种非传统的致密化工艺。该工艺分为两个阶段：首先将粉末压成压坯后施加脉冲电流使粉末带电，得到具有很大烧结驱动力的高活性表面以促进其后的致密化，即所谓早期的活化阶段，此阶段在等离子体环境下进行。然后将粉末在真空状态下，采用加压和绝缘加热以使其致密。Tracy等研究了采用这种工艺制备超细钨基高密度合金的烧结机理，结果表明:采用纳米粉末可以使烧结温度降低200℃以上。晶粒尺寸为280nm的钨粉经烧结致密后可以得l微米以下的晶粒。

4、烧结后热处理

钨基高密度合金是典型的由基体相和粘接相形成的两相组织合金，要使钨合金获得高的强度和韧性，首先就必须使钨合金具有一个理想的微观组织，而热处理是调整钨合金组织的重要手段。通过合适的热处理工艺，可以达到改善相界面的结合强度，降低钨颗粒的接触度，改善粘结相与钨晶粒的润湿性，避免相界面的杂质元素偏析和金属间化合物沉积的目的。对热处理工艺目前研究较多的有真空热处理、氢气气氛热处理、循环热处理、固溶淬火热处理、形变热处理和化学热处理等。

5、形变强化的研究

近二十年来，科技工作者对钨合金的形变强化进行了大量的研究，将传统的粉末冶金液相烧结工艺和现代压力加工及热处理工艺相结合，在合金的强化和韧化技术上取得了突破性成果。现在利用形变强化手段一般采用静液挤压、轧制或旋锻方法。这些方法可将钨镍铁高密度合金的拉伸强度从烧结态的700MPa~1000MPa提高到1700MPa左右。

然而，在现有的生产厂对于高密度钨合金的生产仍然采用传统的混料、成形、烧结工艺，对于一些复杂零件，例如板状和柱体形状的复合，管状和板状的复合，如果采用整体烧结，其工艺过程复杂，烧结过程的废品率很高，还有，在高密度钨合金产生的废品或残次品往往不能修复使用。

以下是发明人给出的部分有代表性的参考文献：

【1】先进陶瓷制备工艺，王昕，田进涛，化学工业出版社，2009年。

【2】无机光学透明材料，上海科学普及出版社，2008年12月。

【3】热等静压技术和设备的应用与发展，中国钨业，2005年01期。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高密度钨合金复杂零件的成型工艺，采用该工艺采用分离烧结、组合成形的思想，可以降低材料的成本，并减少加工过程的失误、以及对已产生的废品/次品可以进行补修和挽救。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种高密度钨合金复杂零件成型工艺，其特征在于，按下列步骤进行：

1）将高密度钨合金复杂零件按照形状划分成母体件和焊接件，并分别按照母体件和焊接件进行配料，其中焊接件配料密度等于或小于母体件配料密度；

2）将母体件和焊接件分别放入马弗炉或中频感应烧结炉烧结成型，其中，母体件按照正常工艺烧结成坯，焊接件的烧结温度低于该材料本身烧结温度50℃～100℃进行预烧结；

3）将成型的母体件和焊接件的焊接端面经机械加工后分别采用稀硫酸或稀盐酸进行表面处理20~30min，再进行喷砂处理，以增加焊接材料表面活化能；

4）经端面处理后的母体件和焊接件放入中频感应烧结炉或马弗炉中，在高于焊接件烧结温度30℃～100℃温度条件下扩散焊接30分种~1小时；

5）经扩散焊接的母体件和焊接件用机械加工的方式进行修整。

本发明利用钨合金的液相烧结过程中两个接触端面由于存在一定的加工硬化，以及尖端应力集中，从而提前达到液相烧结状态，利用不同材料之间的存在扩散压，以及材料接触面之间的毛细管力，完成整个烧结的传热传质过程，从而达到高温扩散焊的目的。经本发明的新工艺生产的钨合金产品废品率极度降低，扩散焊接表面强度符合相应的材料标准要求，焊扩散接端面经探伤无任何缺陷，符合烧结材料的要求。

具体实施方式

本发明的高密度钨合金复杂零件成型工艺，把复杂零件采用分离、组合思想，预先将各个单件完成烧结，以减少其成形尺寸，再进行组合烧结。烧结工序所用设备是马弗炉或中频感应烧结炉，其中体积大一些的可以选择中频感应烧结炉或已有的各种成熟的烧结炉，体积小的选择马弗炉，机加工序的设备选车床、铣床等。

其工艺流程是：

1）将高密度钨合金复杂零件按照形状划分成母体件和焊接件，并分别按照母体件和焊接件进行配料，其中焊接件配料密度等于或小于母体件配料密度；例如，当母体选择95WNiFe材料，焊接件可以选择90WniFe~95WNiFe材料，主要目的是在扩散焊的过程中，利用不同材料之间的存在扩散压，以及材料接触面之间的毛细管力，完成整个烧结的传热传质过程，从而达到高温下不同材料之间扩散焊接。

2）将母体件和焊接件分别放入马弗炉或中频感应烧结炉烧结成型，其中，母体件按照正常工艺烧结成坯，（正常工艺烧结温度一般为1400℃~1600℃），焊接件的烧结温度低于该材料本身烧结温度50℃～100℃进行预烧结；

3）将成型的母体件和焊接件的焊接端面经机械加工后分别采用稀硫酸或稀盐酸进行表面处理20～30min，再进行喷砂处理，以提高焊接表面能，降低烧结活化能以提高焊接强度。

4）经端面处理后的母体件和焊接件放入中频感应烧结炉或马弗炉中，在1400℃～1600℃温度下扩散焊接30分种~1小时；扩散焊接温度高于焊接件的烧结温度30℃~100℃即可。

5）经扩散焊接的母体件和焊接件用机械加工的方式进行修整，修整完成后，进行性能检测即可。

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，本发明不限于这些实施例。

申请人应用本发明的工艺对某公司生产的TP168产品（材料为93WNiFe）大件和小件残次品进行挽救，挽救过程中，将材料使用量大的作为母体件，材料使用量小的作为焊接件，焊接件的配料密度为91WniFe~93WniFe，母体件和焊接件扩散焊接后，用数控车床和铣床进行修复，经探伤检测扩散焊接端面无任何缺陷，符合产品要求。共成功挽救大件产品6件（其中小端次品2件、大端次品4件）共计约794kg；挽救小件产品2000余件，共计约1420kg。

对某公司的产品（材料为95WNiFe）按照本发明的工艺进行成型，成型过程中母体件材料为95WniFe，镍铁比7:3，焊接件的配料密度为91WniFe，镍铁比7:3，母体件和焊接件扩散焊接后，用普通车床和铣床进行修复，经探伤检测扩散焊接端面无任何缺陷，符合产品要求。和传统工艺相比，共计可以节省20多公斤钨合金粉末。

对某公司的产品的残次品（医疗屏蔽件，材料为96WNiFe），按照本发明的工艺利进行挽救，挽救过程中，将材料使用量大的作为母体件，材料使用量小的作为焊接件，焊接件的配料密度为93WniFe，镍铁比9:1，母体件和焊接件扩散焊接后，用数控车床和铣床进行修复，经探伤检测扩散焊接端面无任何缺陷，符合产品要求。为该公司节约成本10万元。

具体烧结温度见表。

Claims (2)

1.一种高密度钨合金复杂零件成型工艺，其特征在于，按下列步骤进行：

1）将高密度钨合金复杂零件按照形状划分成母体件和焊接件，并分别按照母体件和焊接件进行配料，其中焊接件配料密度等于小于母体件配料密度；

2）将母体件和焊接件分别放入马弗炉或中频感应烧结炉烧结成型，其中，母体件按照正常工艺烧结成坯，焊接件的烧结温度低于该材料本身烧结温度50℃～100℃；

3）将成型的母体件和焊接件的焊接端面经机械加工后分别采用稀硫酸或稀盐酸进行表面处理20~30min，再进行喷砂处理；

4）经端面处理后的母体件和焊接件放入马弗炉或中频感应烧结炉中，在高于焊接件烧结温度30℃～100℃温度条件下扩散焊接30min~1h；

5）经扩散焊接的母体件和焊接件用机械加工的方式进行修整。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述的机械加工的方式所用的机床为车床、铣床。