CN107988543B

CN107988543B - 一种高铜W-Ni-Cu合金材料及其制备方法

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Publication number: CN107988543B
Application number: CN201711242360.2A
Authority: CN
Inventors: 王晖; 李延超; 张小明; 张新; 王峰; 梁静; 喻吉良
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-04-19
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN107988543A

Abstract

本发明公开了一种高铜W‑Ni‑Cu合金材料，由以下质量百分数的原料制成：Ni 8％～18％，Cu 22％～57％，余量为W和不可避免的杂质，高铜W‑Ni‑Cu合金材料的相对密度不低于99％。本发明还公开了制备高该合金材料的方法，该方法为：一、W粉、Ni粉、Cu粉置于混料机中混合均匀，得到混合料；二、将混合料压制成坯料；三、将坯料放入真空炉中进行烧结，得到高铜W‑Ni‑Cu合金材料。本发明能够保证合金材料的形状尺寸和致密度，具有良好的塑性和机加工性能，制备该高铜W‑Ni‑Cu合金材料的方法采用粉末冶金液相烧结工艺，通过分阶段升温保温，使合金中的液相含量控制在一定范围内，从而避免Cu的渗出，保证了合金材料的形状尺寸。

Description

一种高铜W-Ni-Cu合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高铜W-Ni-Cu合金材料及其制备方法。

背景技术

W-Ni-Cu合金是一种常用的合金，工业上广泛应用的高密度合金主要有W-Ni-Fe系列和W-Ni-Cu系列合金，W-Ni-Cu合金因为具有高的密度，没有磁性，被用作破甲弹的药型罩、导航陀螺仪、电接触器、电极等重要材料。其中导航材料被广泛地应用在导弹、飞机、运载火箭、人造卫星、舰艇的惯性导航陀螺仪上，并取得了很好的效果。在某些特殊场合还会用到低密度的W-Ni-Cu合金。目前生产这类合金的方法主要由熔渗法、湿法、液相烧结法。

熔渗法是将W粉压制成坯块，在一定温度下烧结成预烧制成具有一定密和强度的多孔W基体骨架，然后将熔点较低的金属Cu、Ni熔化，渗入到W骨架中从而得到较为致密的合金的方法。但熔渗过程易造成成分偏析，组织不均匀，且工艺较为繁复。

湿法即采用硝酸镍、硝酸铜溶液与钨混合，经还原制得钨镍铜包覆粉，再进行压制、烧结。此方法的优点是获得钨镍铜合金的各项性能均衡，但在还原过程中产生大量的有毒化合物，对环境及人体健康造成很大影响。

液相烧结法是制备W-Ni-Cu合金的一种简单常用的方法，因而得到了广泛的应用。但是常规的W-Ni-Cu合金中Cu的质量含量＜22％时，才采用液相烧结的方法制备，而当W-Ni-Cu合金中Cu的质量含量≥22％后，W-Ni-Cu合金很难使用烧结法生产，较高的Cu含量烧结后会导致制品坍塌、Cu渗出、组织不均匀等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高铜W-Ni-Cu合金材料。该高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99％，理论密度为10g/cm³～14g/cm³，能够保证合金材料的形状尺寸和致密度，因而具有良好的塑性和机加工性能，并且制备该高铜W-Ni-Cu合金材料的方法采用粉末冶金液相烧结工艺，通过分阶段升温保温，使合金中的液相含量控制在一定范围内，从而避免Cu的渗出，保证了合金材料的形状尺寸。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高铜W-Ni-Cu合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的原料制成：Ni 8％～18％，Cu 22％～57％，余量为W和不可避免的杂质；所述高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99％，所述高铜W-Ni-Cu合金材料中Cu的质量含量≥22％。

上述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的原料制成：Ni 12％～13％，Cu 28％～50％，余量为W和不可避免的杂质。

上述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的原料制成：Ni 13％，Cu 50％，余量为W和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述高铜W-Ni-Cu合金材料的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉混合均匀，得到混合料；

步骤二、采用模压法将步骤一中得到的混合料在压强为180MPa～300MPa条件下，保压0.5min～2min压制成坯料；

步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于真空炉中，在真空条件下从室温依次升温至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃，每个温度点均保温18min～22min，在炉内自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述W粉的质量纯度不小于99.8％，Ni粉的质量纯度不小于99.5％，Cu粉的质量纯度不小于99.8％；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述W粉、Ni粉、Cu粉通过球磨混合，球磨混合的球料比为(2～0.5)：1，时间为18h～24h。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述压强为190MPa，保压时间为1min。

上述的方法，其特征在于，步骤三中所述升温的速率为3℃/min～18℃/min。

本发明采用的技术原理如下：

在高Cu含量W-Ni-Cu合金烧结的烧结初期，随着温度升高，Cu液流动能力增大，伴随润湿角减小，空隙被填充和颗粒重排得以充分进行，合金密度硬度上升。若不采用阶段保温而直接升温，就会使Cu的液相量过多而来不及与Ni结合导致Cu的聚集，而使W-Ni-Cu坯料坍塌或者Cu的渗出，严重影响高铜W-Ni-Cu合金材料的尺寸与形状。因此在在烧结压制成型的W-Ni-Cu坯料时，应在Cu熔点之下(Cu熔点的1083℃)保温一定时间后再升温进行变温液相烧结，即：要进行控制液相含量的固—液两相烧结。随烧结时间延长，Ni、Cu互溶，随Ni在Cu中的固溶度增加，固相线温度升高因此可以进一步提高烧结温度(见图1)。根据Cu、Ni比例，以及由图1所述的Cu-Ni相图，可知烧结选择的1070℃、1090℃、1120℃、1160℃四个温度点均在液相线以内，且经过多次试验这四个温度点可使烧结顺利进行，且烧结后的合金密度、形状最佳，如果超出最高烧结温度1160℃，Cu将渗出，坯料变形严重。总而言之，对于此类高铜含量W-Ni-Cu坯料，保持最高烧结温度应不大于液相线温度，正是基于上述的考虑，本发明设计了高铜含量的高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，并且制备的高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99％，具有良好的塑性和机加性能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用真空烧结的方法简单易行，不需要氢气保护，安全可靠同时也不会对环境造成危害。

2、本发明采用阶段升温保证了高液相量合金的尺寸，而且使用该方制备出的合金密度、塑性，可机械加工性能均比较高。

3、本发明解决了高铜W-Ni-Cu合金很难使用烧结法进行加工生产的技术问题，克服了合金烧结过程中产生的坍塌、Cu渗出、组织不均匀等问题，制备的高铜W-Ni-Cu的相对密度不低于99％，因而具有良好的结构。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1是Cu-Ni相图。

图2是本发明实施例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的宏观照片。

图3是本发明实施例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的金相显微照片。

图4是本发明对比例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的侧视图。

图5是本发明对比例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的俯视图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 8％，Cu22％，余量为W和不可避免的杂质。

本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按70:8:22的质量比混合，置于混料机中通过球磨混合，其中球料比1：1，球磨时间为18h，混合均匀后得到混合料；所述W粉的质量纯度不小于99.8％，Ni粉的质量纯度不小于99.5％，Cu粉的质量纯度不小于99.8％；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm；

步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制，将步骤一中得到的混合料在压强为300MPa条件下，保压2min，脱模得到圆柱形的坯料；

步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中，填入氧化铝粉，置于真空炉中进行烧结，加热到600℃时，关闭真空阀，防止挥发，继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃，依次保温的时间为22min、22min、22min和22min，保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料；所述真空炉为真空电阻炉。

经测试，本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ＝13.88g/cm³，相对密度99.1％。

图2是本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的光学照片。从图可知，本实施例制备的高铜W-Ni-Cu合金材料的表面光滑，棱角分明尺寸外形保持很好。图3是本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的金相显微照片，从图可知，本实施例制备的高铜W-Ni-Cu合金材料的组织均匀无偏聚，合金材料上的孔洞较少，因而具有良好的外观形貌和塑性，易于进行加工。

对比例1

本对比例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 18％，Cu22％，余量为W和不可避免的杂质。

本对比例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤：

步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中，填入氧化铝粉，置于真空炉中进行烧结，加热到600℃时，关闭真空阀，防止挥发，直接升温至1160℃，保温的时间为88min，保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料；所述真空炉为真空电阻炉。

经测试，本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ＝13.70g/cm³，相对密度97.8％。

图4是本对比例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的侧视图，图5是本对比例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的俯视图，从图4和图5可知：在高Cu含量W-Ni-Cu合金烧结的烧结初期，随着温度升高，Cu液流动能力增大，伴随润湿角减小，空隙被填充和颗粒重排得以充分进行，合金密度硬度上升。若不采用阶段保温而直接升温，就会使Cu的液相量过多而来不及与Ni结合导致Cu的聚集，而使W-Ni-Cu坯料坍塌或者Cu的渗出，严重影响高铜W-Ni-Cu合金材料的尺寸、形状和组织均匀性，与图1相比较，本发明的方法所采用的分四阶段升温的方法，能够保证高铜W-Ni-Cu合金材料的烧结质量，使制备的高铜W-Ni-Cu合金材料具有更好的合金密度和材料塑性，进而具有更好地机械加工性能。

实施例2

本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 13％，Cu37％，余量为W和不可避免的杂质。

本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按50:13:37的质量比混合，置于混料机中通过球磨混合，其中球料比2：1，球磨时间为12h，混合均匀后得到混合料；所述W粉的质量纯度不小于99.8％，Ni粉的质量纯度不小于99.5％，Cu粉的质量纯度不小于99.8％；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm；

步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制，将步骤一中得到的混合料在压强为220MPa条件下，保压1.5min，脱模得到圆柱形的坯料；

步骤三、、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中，填入氧化铝粉，置于真空炉中进行烧结，加热到600℃时，关闭真空阀，防止挥发，继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃，依次保温的时间为20min、20min、20min和20min，保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料；所述真空炉为真空电阻炉。

经测试，本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ＝11.9g/cm³，相对密度99.1％。

实施例3

本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 13％，Cu50％，余量为W和不可避免的杂质。

本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按37:13:50的质量比混合，置于混料机中通过球磨混合，其中球料比0.5：1，球磨时间为24h，混合均匀后得到混合料；所述W粉的质量纯度不小于99.8％，Ni粉的质量纯度不小于99.5％，Cu粉的质量纯度不小于99.8％；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm；

步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制，将步骤一中得到的混合料在压强为190MPa条件下，保压1min，脱模得到圆柱形的坯料；

步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中，填入氧化铝粉，置于真空炉中进行烧结，加热到600℃时，关闭真空阀，防止挥发，继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃，依次保温的时间为20min、20min、20min和20min，保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料；所述真空炉为真空电阻炉。

经测试，本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ＝10.98g/cm³，相对密度99.8％。

实施例4

本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 18％，Cu57％，余量为W和不可避免的杂质。

本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按25:18:57的质量比混合，置于混料机中通过球磨混合，其中球料比2：1，球磨时间为18h，混合均匀后得到混合料；所述W粉的质量纯度不小于99.8％，Ni粉的质量纯度不小于99.5％，Cu粉的质量纯度不小于99.8％；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm；

步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制，将步骤一中得到的混合料在压强为180MPa条件下，保压0.5min，脱模得到圆柱形的坯料；

步骤三、、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中，填入氧化铝粉，置于真空炉中进行烧结，加热到600℃时，关闭真空阀，防止挥发，继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃，依次保温的时间为18min、18min、18min和18min，保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料；所述真空炉为真空电阻炉。

经测试，本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ＝9.96g/cm³，相对密度99.6％。

实施例5

本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 12％，Cu28％，余量为W和不可避免的杂质。

本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按60:12:28的质量比混合，置于混料机中通过球磨混合，其中球料比1：1，球磨时间为20h，混合均匀后得到混合料；所述W粉的质量纯度不小于99.8％，Ni粉的质量纯度不小于99.5％，Cu粉的质量纯度不小于99.8％；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm；

步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制，将步骤一中得到的混合料在压强为280MPa条件下，保压1.5min，脱模得到圆柱形的坯料；

经测试，本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ＝12.89g/cm³，相对密度99.2％。

本发明的高铜W-Ni-Cu合金材料应用于一种梯度材料，实施例1～实施例5制备的高铜W-Ni-Cu合金材料经数控加工中心加工成复杂的形状后组合使用。实施例1～实施例5制备的高铜W-Ni-Cu合金材料不但满足了该梯度材料的密度要求(呈阶梯变化)也具有非常良好的塑性机加工性能(易切削)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，该合金材料由以下质量百分数的原料制成：Ni 8%～18%，Cu 22%~57%，余量为W和不可避免的杂质，所述高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99%，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉混合均匀，得到混合料；

步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于真空炉中，在真空条件下从室温依次升温至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃，每个温度点均保温18 min~22min，在炉内自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料。

2.根据权利要求1所述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，其特征在于，由以下质量百分数的原料制成：Ni 12%～13%，Cu 28%~50%，余量为W和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，其特征在于，由以下质量百分数的原料制成：Ni 13%，Cu 50%，余量为W和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述W粉的质量纯度不小于99.8%，Ni粉的质量纯度不小于99.5%，Cu粉的质量纯度不小于99.8%；所述W粉的粒径为34μm，Ni粉的粒径不大于15μm，Cu粉的粒径不大于74μm。

5.根据权利要求1所述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述W粉、Ni粉、Cu粉通过球磨混合，球磨混合的球料比为（2～0.5）：1，时间为18h~24h。

6.根据权利要求1所述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压强为190MPa，保压时间为1min。

7.根据权利要求1所述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述升温的速率为3℃/min~18℃/min。