CN1066997A

CN1066997A - 钨合金杆材生产工艺

Info

Publication number: CN1066997A
Application number: CN 91103266
Authority: CN
Inventors: 张宝生; 康志君
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1992-12-16
Anticipated expiration: 2006-05-22
Also published as: CN1029349C

Abstract

本发明涉及一种采用挤压法生产高比重钨合金杆状材料的工艺，其中所用的增塑剂是白石蜡，在特定的挤压温度和速度下挤压的坯料在流动氢气流中同时进行脱蜡和预烧结，最后进行液相烧结和真空热处理，所得到的坯料具有高强度、高韧性和稳定的性能。采用该工艺可以大批量连续化生产，生产效率和材料利用率高，质量稳定，成本低。

Description

本发明涉及一种粉末冶金杆状材料，尤其是高比重钨-镍-铁（W-Ni-Fe）合金杆状材料的生产工艺，其中材料的成型是采用经过改进的粉末挤压成型工艺，它属于粉末冶金技术领域。

通常，高比重合金材料，如钨-镍-铁合金材料是用粉末冶金方法生产的，其生产过程主要包括混料、压制成型、液相烧结、真空热处理等工艺过程，实验表明：高比重合金的性能与合金的成分和制备工艺有密切的关系。

传统的高比重钨合金坯料的压制成型方法主要采用模压成型和冷等静压压制成型两种，然后利用铣、车等机加工制成钨合金坯料，或用压力加工方法，使合金塑性变形，生产出所需的坯料。但是，用这两种方法想直接大批量生产出直径小，长细比大的杆状材料十分困难。第一，由于增塑剂不易脱除干净，所以材料性能不稳定，第二，坯料的尺寸不可能接近成品的尺寸，所以机加工量大，材料的利用率低，第三，生产效率低，不适合大批量生产。

本发明的主要目的在于将传统的高比重钨合金生产工艺中的普通成型方法，改用适合于大批量、高效率、低成本生产杆状坯料的粉末挤压成型方法。并通过对挤压成型工艺中增塑剂的选用，用量以及脱塑方法等条件的研究得出适用于生产高比重钨-镍-铁合金杆状材料的粉末挤压工艺的生产条件。

本发明提出的工艺相对于传统的高比重钨合金坯料加工工艺具有加工简便、材料利用率高，所加工的坯料密度高，韧性强，机械性能好，能进行大批量生产等优点。该方法尤其适用于生产直径小于6毫米，长细比大于15的杆材及异形截面的杆材。

图1 为本发明提出的高比重合金粉末挤压工艺路线示意图。

图2 为脱蜡后高比重合金X射线衍射图谱。

图3 为石蜡加入量和直径收缩率的关系曲线，其中横座标为加入量（重量%），纵座标为直径收缩率（%）。

下面将结合附图对本发明生产直径小、长细比大的杆状钨合金的工艺作具体的描述。

本发明的工艺路线是：将经过选择具有一定百分配比成分的钨（W）-镍（Ni）-铁（Fe）金属粉末进行混料;加入增塑剂;进行粉末挤压成型;成型坯脱除增塑剂、预结;液相烧结;真空热处理。

由图1可见，为了实现挤压成型，需要在挤压前，在W-Ni-Fe的混料中加入一定量的增塑剂，在挤压成型后，则要采用适当的方法将增塑剂脱除出去，这几步是高比重合金的粉末挤压工艺中需重点研究的问题，也是本发明有别于常规的粉末挤压工艺的特征所在之处。

在本发明的高比重钨合金杆状坯料生产工艺中，

（1）增塑剂的选用

为实现粉末挤压，必须在金属粉末原料中加入一些其它物质，使其具有一定的流动性和可成型性，这类物质称为增塑剂。增塑剂需在一定温度范围内有较好的增塑性能，易于脱除，价格便宜，容易取得等特点。本发明选用的增塑剂是熔点为48-56℃的白石蜡。

（2）增塑剂的加入量

按照重量百分比，石蜡的加入量在4%时，最初挤压压力高达8.1×10⁵牛顿/A^＊，（A^＊＝1.96×10^-5m²）而且需进行多次预挤压，对挤压温度要求苛刻，最终挤出成品坯料有横向裂纹、韧性差。石蜡的加入量越大，挤出压力越小。但加入量在7%时，石蜡的体积比高达63.6%，增大石蜡的加入量对于以后的脱蜡和烧结工艺不利。因此，本发明选用的石蜡加入量为4-7%，加入量为5%时，相对来说，挤压成品的横向裂纹少，韧性高，而且成品粉坯的相对密度较高，脱蜡及烧结也容易进行。

（3）增塑剂的加入方法

最简单的方法是将石蜡加热熔化。然后倒入已混合的金属粉末中。为使粉末挤压工艺顺利进行，增塑剂能均匀地包复在金属粉末表面上，还可选用下述加入方法：首先将石蜡加热熔化，然后加入一定量的航空汽油作为稀释剂进行稀释，最后将这种石蜡-汽油混合的溶液倒入已混合好的金属粉末中，并充分搅拌均匀，待汽油基本挥发以后，即可进行粉末挤压。

（4）粉末挤压工艺

粉末挤压工艺包括预挤压和成品挤压两个阶段。其中预挤压的目的是使石蜡与金属粉末更加均匀地混合。

挤压温度控制在30-50℃之间。温度低时，石蜡粉末混合料流动性差，挤出的粉坯韧性小，硬而脆，容易折断。温度太高时，混合料中石蜡呈液态，与金属分离，挤压时石蜡容易从模具缝隙中流出，不能顺利进行挤压。

挤压速度保持在5-7毫米/秒之间。因为挤压速度太快，使挤压过程不易控制;挤压速度太慢，挤出的压坯硬而脆，表面有横向裂纹，韧性差，易折断。

（5）脱除增塑剂和预烧结

脱除增塑剂，即脱蜡。石蜡在受热裂解时产生碳，如果脱除不完全，这种残留的碳将对最后形成的合金性能产生严重的影响。

脱蜡采用对挤压出的坯料进行随炉升温加热的方法进行，由于在脱蜡过程中以及脱蜡以后，粉坯强度很低，根本无法移动，所以在本发明中使脱蜡和预烧结同时进行，即将挤压出的坯料用小型的脱蜡预结炉进行脱除增塑剂（脱蜡）和预烧结。根据坯料的直径和装炉量调整好随炉升温速度可取得好的脱蜡效果。950℃以上预烧结一小时，可使压坯料取得足够的强度。

对高比重钨合金挤压粉坯的脱蜡可在真空气氛或充氢气氛下进行。采用真空脱蜡需严格控制工艺参数，否则容易引起粉坯开裂。这是由于在挤压粉坯中石蜡的体积百分比可高达50%，在真空中脱蜡，粉坯内部石蜡气体对粉坯表面的压力增大，石蜡逸出粉坯的速度加快，致使粉坯表面受到较大的张力而产生开裂。采用氢气作为脱蜡气氛。氢气流量约为0.1～0.3米³/小时。

本发明的生产高比重钨合金杆状材料工艺的最后工序是液相烧结和真空热处理工序。采用粉末挤压法生产高比重钨合金时，其液相烧结工艺与常规的高比重钨合金烧结工艺相同。为防止细直径，大长细比的杆状坯料变形在烧结时应注意严格控制烧结温度，通常液相烧结温度在1480-1540℃，烧结时间约为90分钟。真空热处理的目的是提高高比重钨合金的性能。由于杆状高比重钨合金材料其截面相比于块状的小，所以真空热处理的条件也相应低一些。通常，真空热处理的条件是在0.13pa（1×10^-9乇）的真空条件下，在约1100℃处理90分钟左右即可。

对采用本发明加工工艺生产的由W相和Ni，Fe固溶体基体相构成的高比重钨合金金相观察表明：在正常情况下，用粉末挤压法生产的高比重钨合金，其金相组织与用常规方法生产的高比重合金的金相组织基本相同。但是，W相颗粒已经球化，组织均匀、致密。所以材料的机械性能，强度和韧性均有显著提高，而且合金的性能稳定。

实施例：

用本发明的工艺生产直径为4毫米，长细比分别为22，20.5，15的高比重钨合金杆。

合金成份采用W232合金，即95%W-3.5%Ni-1.5%Fe组分的合金，其中钨（W）的纯度＞99%，平均粒度（费氏）3.30μm，镍（Ni的纯度99.8%，平均粒度（费氏）4.18μm，铁（Fe）的纯度＞99.5%，平均粒度（费氏）5.22μm。金属粉末通过混料，在混合好的金属粉末中分别加入4、5、6、7重量%、熔点为48-56℃的白石蜡作为增塑剂，混合均匀。增塑剂的加入方法是将石蜡加热熔化后倒入混合后的金属粉末中。为使增塑剂均匀地包覆在金属粉末表面上，可加入稀释剂，使用航空汽油作为稀释剂，先将石蜡加热熔化，然后以每100克石蜡用150毫升的航空汽油的比例加入航空汽油，再将这种石蜡-汽油混合溶液倒入已混合好的金属粉末中，充分搅拌。对已搅拌均匀的混合料进行予挤压和成品挤压，挤压温度控制在30-50℃之间，粉坯的挤出速度保持在5-7毫米/秒。实验表明加入航空汽油的粉坯能较顺利地进行挤压，挤出的坯料缺陷较少。挤压后根据需要将粉坯机加工成一定长度和形状，然后装三炉分别进行脱蜡和预烧结，在脱蜡时采用随炉升温，对不同温度区的升温速度可分别控制为：在0-300℃时升温速度为35-45度/小时，在300-450℃时升温速度为60-70度/小时，在450度以上时，升温速度为70-100度/小时。三炉分别达到900，950，1000℃时预烧结一小时。在烧结时，炉内用氧化铝作填料，并采用真空和氢气两种气氛。采用氢气气氛时，在脱蜡的初期和后期以不同流量通入氢气，初期时量约为0.15米³/小时，在炉温为400-700℃时，氢气流量为0.3米³/小时。实验表明，真空气氛下的坯料易出现开裂，而充氢气氛下极少出现开裂现象。予烧结温度为950℃时已可使坯料取得足够的强度。最后将坯料进行液相烧结和热处理以取得最终产品，此工艺过程中，控制烧结温度为1480±10℃，烧结时间为90分钟，所用氧化铝填料应是过80目筛的粉末。真空热处理的条件是：在0.13pa（1×10^-9乇）的真空条件下，在1100℃处理90分钟。对不同石蜡加入量的粉坯及烧结后的合金进行了各种性能测定。从表1中可以看到加入的石蜡越多，粉坯的密度越小，这是由于增大石蜡加入量以后，挤压力降低，使残留的孔隙增加。测定合金的密度、硬度和直径收缩率结果（表2，图3）表明，石蜡含量越大，烧结时的收缩率越大，但最终合金的密度和硬度与用已有方法生产的同成分的合金的基本相同。金相观察表明烧结组织为球状的钨相颗粒包在基体相中间，组织均匀、致密，未见有孔洞和裂纹等缺陷。X射线衍射图谱表明，合金中只有W相和Ni、Fe基体相，没有Ni₁₁W₄C相，这说明脱蜡是完全的。而使用其他的增塑剂时，往往不易使增塑剂完全脱除，极易存在能明显影响合金性能的Ni₁₁W₄C等相。表3是不同烧结温度后的合金的密度和硬度。表4为用粉末挤压法和模压法生产的相同成份和相同规格的杆坯的性能。

表1

石蜡加入量（％）实测密度（g/cm³)理论密度（g/cm³)

49.7610.4

58.919.45

67.938.67

77.38.03

表2

石蜡加入量（％）合金密度（g/cm³)合金硬度（HRC)

418.0328.3

518.0429.5

618.0230.5

718.0130.2

表3

烧结温度（℃）合金密度（g/cm³)合金硬度（HRC)

148018.0229.2

150018.0330.0

152018.0230.5

表4

工艺制度	性能	σbMPa	δ％	硬度HRC	密度克／厘米³
						粉工末挤压艺	平均值最小值最大值试验数量	1007983.5102720	17.510.725.320	29.728.730.814	18.0318.0118.0514
模压工艺	平均值最小值最大值试验数量	982.9933.9101022	20.310.026.422	29.1－－1	＞18－－1

用上述实施例所述的工艺方法生产的上百公斤多种规格W232高比重钨合金杆状坯料性能稳定，用它制成的直径小于6毫米的弹头具有良好的穿甲性能，重20克左右的弹头在飞行速度为800-900米/秒时，可穿透10毫米厚的高压5装甲钢板，这种性能大大优于优质钢弹丸。因此可见，采用粉末挤压工艺生产钨合金杆状坯是可行的，它克服了普通压制方法的缺点，可以制出尺寸接近成品的、直径较小、长细比较大的挤压粉坯，烧结和热处理后可直接得到成品坯，不但可以省去工作量极大的切削加工（模压-机加工工艺）或复杂的压力加工工序，提高生产效率。杆坯材料的利用率高，适用于大批量连续化生产，生产效率高，质量稳定，而且成本低。其中材料利用率与普通压制工艺和压力加工工艺相比，分别为70、45、60%，可以看到用本发明工艺生产杆坯的材料利用率明显高于已有技术。

Claims

1、一种高比重钨合金杆材的制造工艺，其特征是：

[1]粉末混料，

[2]将熔化的增塑剂加入到混合后的粉料中，所述的增塑剂是熔点为48-56℃的白石蜡，加入量为4-7重量%，

[3]粉末挤压成形，挤压温度为35-50℃，

[4]脱除增塑剂和预烧结，脱除增塑剂时随炉升温，达900℃以上后进行予烧结，保温1小时以上，

[5]液相烧结，烧结温度为1480-1540℃，

[6]真空处理。

2、按权利要求1所述的高比重钨合金杆材的制造工艺，其特征是所说的脱除增塑剂和予烧结时炉内气氛为流动氢气。

3、按权利要求1或2所述的高比重钨合金杆材的制造工艺，其特征是所述的熔化的增塑剂中还有航空汽油作为稀释剂，每100克石蜡配150毫升航空汽油。

4、按权利要求3所述的高比重钨合金杆材的制造工艺，其特征是所说的随炉升温的升温速度按不同温区分别控制，在低于300℃时升温速度为35-45度/小时，300-450℃时升温速度为60-70度/小时，450℃以上时升温速度为70-100度/小时。