CN108315624B - 一种高性能钨合金棒材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能钨合金棒材，包括以下组分：钨80～97wt％，镍2～15wt％，铁1～5wt％，钴0～3wt％，其他微量元素0～1wt％，所述其他微量元素为Mo、Cr、Mn中的一种或混合物。本发明提供的钨合金具有细小变形组织、组织均匀、高强度、高延伸率等优异性能。本发明还提供一种上述高性能钨合金棒材的制备方法；该制备方法一方面采用高能球磨法对钨合金原料粉末进行活化混合，增强材料烧结活性，提高材料烧结性能；另一方面，通过连续轧制变形加工工艺实现钨合金单火次大变形强化处理，实现高强度、高韧性钨合金棒材的高效制备。本发明制备的钨合金材料均匀，室温抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥10％。

Description

一种高性能钨合金棒材及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种高性能钨合金棒材及其制备方法。
背景技术
钨合金是以钨为基体，添加少量镍、铁、铜等合金元素采用粉末冶金方法而成。钨合金具有较高的密度、强度和硬度，具有较好的延展性、机加工和焊接等力学性能及使用性能，目前，已经被广泛应用于航空航天、军事和民用工业中，如穿甲弹、惯性元件和平衡配重元件等。随着军用工业的日益强化，对钨合金的性能也提出了更高的要求。高性能钨合金主要采用旋转锻造加工工艺，并与热处理工艺相配合，可以获得具有变形组织的高性能钨合金材料。
目前对于高性能钨合金的研究主要集中在旋锻变形加工工艺法，该方法能够改变钨合金内部金相组织，材料变形加工后力学性能可以得到大幅度的提高。传统的旋锻变形工艺需要通过多道次的锻造、结合每一道次的热处理退火实现材料组织形貌的变化，但不同道次锻造变形需要人工操作，不仅浪费时间降低工作效率还需要通过不停的退火处理保证材料的变形能力。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点，本发明的目的之一在于提供一种高性能钨合金棒材，材料抗拉强度≥1400MPa，断后延伸率≥10％，能够满足军事应用的使用要求。
本发明的目的之二在于提供一种高性能钨合金棒材的制备方法，该方法能够快速高效获得高性能钨合金棒材，通过一次连续轧制便可实现传统工艺3～4道工艺的效果，该方法不但能够获得具有变形组织的高性能钨合金棒料，在提高强度硬度的同时提高生产效率、降低生产成本。
一种高性能钨合金棒材，按质量百分比包括以下组分：钨80～97wt％，镍2～15wt％，铁1～5wt％，钴0～3wt％，其他微量元素0～1wt％，所述其他微量元素为Mo、Cr、Mn中的一种或多种。
本发明的高性能钨合金棒材中，各组分设计的原理如下：
钨，为合金的基体相，含量限定为80％～97wt％是因为，含量为80％以上的钨合金可直接通过液相烧结致密，钨含量低于80％的钨合金无法通过此方法制备，97wt％含量为最高含量，大于97wt％钨含量的钨合金无法进行变形加工。
镍、铁，两种元素的作用为钨合金的粘结相，是钨合金必不可少的相组成，使材料具有良好的延展性，本发明中镍含量限定为2～15wt％，铁含量限定为1～5wt％，具体成分含量范围根据钨含量调节。
钴，为材料添加元素，增加粘结相对钨颗粒的润湿性，提高界面结合强度，钴含量0～3wt％为最佳添加含量，超出此范围则起不到应有的作用。
其他微量元素，包括Mo、Cr、Mn，为材料微量添加元素，起到合金强化、净化晶界的作用。
一种上述高性能钨合金棒材的制备方法，依次包括如下步骤：
步骤一，钨合金粉末的制备：按照上述钨合金棒材组分配比分别称取钨粉、镍粉、铁粉、钴粉及其他微量元素粉末，进行高能球磨处理，得到钨合金粉末；
步骤二，压制成型处理：按照设计重量将步骤一得到的所述钨合金粉末装入设计好的模具内进行压制成型处理，得到钨合金压坯；
步骤三，烧结处理：将步骤二得到的钨合金压坯进行烧结处理，得到烧结坯；
步骤四，烧结后热处理：将步骤三得到的钨合金烧结坯进行热处理，得到钨合金棒坯；
步骤五，连轧变形处理：将步骤四得到的所述钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，得到钨合金轧制棒坯；
步骤六，退火热处理，将步骤五得到的所述钨合金轧制棒坯进行退火热处理，得到所述高性能钨合金棒材。
本发明制备方法的技术原理及优点是：一方面通过高能球磨的方法将钨粉、镍粉、铁粉等原料进行活化混合处理，增强材料烧结性能，得到高性能烧结坯料；另一方面，通过连续轧制变形加工工艺实现钨合金单火次大变形强韧化处理，较多火次多道次旋锻工艺而言具有单火变形量大、生产效率高、生产成本低的优势。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述制备方法还包括机加工步骤，将热处理后的高性能钨合金棒材进行机加工处理，得到高性能钨合金棒材成品。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一中，所述钨粉为常规钨粉，粒度(比如费氏粒度)为2.0～4.0μm(比如2.2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、3.8μm)，所述镍粉为电解镍粉或羰基镍粉，所述铁粉为电解铁粉或羰基铁粉。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一中，所述高能球磨处理时间为2～8h(比如2.5h、3h、4.5h、6h、7h、7.5h)，转速为100～500r/min(比如120r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min、450r/min)，球料比为2:1-4:1。球磨时间过少或转速过低，则物料混合不均匀，球磨时间过长则会出现粉末粘于混料缸内壁，且对于球磨效果没有进一步的作用，且浪费能源。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤二中，所述压制成型处理为冷等静压成型处理，更优选地，所述冷等静压成形处理的压制压力为180～250MPa(比如185MPa、200MPa、220MPa、235MPa、245MPa)，保压时间为5～15min(比如6min、8min、10min、13min、14min)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤三中，所述烧结处理在氢气气氛中进行，所述烧结温度为1350～1550℃(比如1360℃、1380℃、1405℃、1450℃、1485℃、1500℃、1520℃、1540℃、1545℃)，保温时间为0.5～4h(比如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h)。
在上述制备个，作为一种优选实施方式，步骤四中，所述烧结后热处理在真空条件下进行，其中，真空度低于10-1Pa(比如10-1Pa、5×10-2Pa、1×10-2Pa、8×10-3Pa、5×10-3Pa)，所述烧结后热处理的温度为900～1200℃(比如950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃)，所述烧结后热处理的时间为1～8h(比如1.5h、2h、2.5h、3h、4.5h、5h、6h、7h、7.5h)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤五中，所述轧制变形处理依次包括加热处理和轧制处理，所述加热处理的加热温度为700～900℃(比如720℃、750℃、800℃、850℃、880℃、895℃)，保温时间为20～120min(比如25min、30min、55min、70min、80min、100min、110min、115min)；所述轧制处理时，开轧温度为所述加热处理的加热温度，轧制速度为0.5～2.5m/s(比如0.8m/s、1.0m/s、1.5m/s、2m/s、2.3m/s)；优选地，所述轧制处理的轧制道次为4-5次，每道次变形量相等，总变形量20％～50％(比如25％、30％、35％、40％、45％)。本申请中的变形量是指棒材横截面积变形量，即：变形量＝(轧前截面积-轧后截面积)/轧前截面积。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤六中，所述退火热处理中，退火温度为600～800℃(比如620℃、650℃、700℃、750℃、780℃)，保温时间为30～120min(比如35min、50min、75min、90min、110min、115min)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：
1)本发明提供的钨合金具有细小变形组织、组织均匀、高强度、高延伸率等优异性能；
2)本发明的制备方法一方面采用高能球磨法对钨合金原料粉末进行活化混合，增强材料烧结活性，提高材料烧结性能；另一方面，通过连续轧制变形加工工艺实现钨合金单火次大变形强化处理，实现高强度、高韧性钨合金棒材的高效制备。本发明制备的钨合金材料均匀，室温抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥10％。
附图说明
图1为利用本发明提供的制备方法制备的高性能钨合金棒材的横向剖面金相组织照片；
图2为利用本发明提供的制备方法制备的高性能钨合金棒材的纵向剖面金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的钨合金棒材及其制备方法进行说明。应理解，这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下实施例中所用到的原料都可以从市场上购得。
实施例1
(1)钨合金粉末的制备：分别称取费氏粒度3.0μm的钨粉1860g，羰基镍粉100g，电解铁粉40g，钴粉8g，将原料粉末装入高能球磨机中，加入硬质合金球4Kg，转速为150r/min，球磨时间为6h，得到混有微量钴元素的2008g钨合金粉末。
(2)冷等静压成型：首先将上述2008g步骤(1)制备的钨合金粉末放入模具中，再在200MPa压力下保压10min得到相对相对密度为65％的成型坯，成型坯尺寸为φ26×353mm。
(3)烧结处理：将步骤(2)的成型坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1480℃，最高温保温时间为1h，得到密度为17.61g/cm3，尺寸为φ22×300的钨合金烧结坯(棒坯)。
(4)烧结后热处理：将步骤(3)的烧结坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1100℃，保温时间为6h，得到钨合金棒坯。
(5)连轧变形处理：将步骤(4)得到的钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，首先加热至750℃保温45min，然后进行连续轧制，采用连续轧机连续通过4道次轧制，每道次变形量8％，总变形量32％，轧制速度1.5m/s，轧制后棒坯尺寸为φ18×448mm。
(6)退火热处理：将步骤(5)得到的轧制坯放置于氢气保护加热炉中进行退火热处理，退火温度为650℃，保温60min。
(7)机加工：将步骤(6)得到的棒材进行机械加工，即可得到所需要的高性能钨合金棒材成品。
图1为本实施例制备的高性能钨合金棒材的横向剖面金相组织照片；图2为本实施例制备的高性能钨合金棒材的纵向剖面金相组织照片，从图中可以看出钨颗粒被明显拉长，并沿着轧制方向均匀分布于粘结相中。按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1435MPa，断后伸长率15.5％。
实施例2
(1)钨合金粉末的制备：分别称取费氏粒度3.0μm的钨粉1800g，羰基镍粉140g，电解铁粉60g，钴粉10g，将原料粉末装入高能球磨机中，加入硬质合金球4Kg，转速为200r/min，球磨时间为4h，得到混有微量钴元素的2010g钨合金粉末。
(2)冷等静压成型：首先将上述2010g步骤(1)制备的钨合金粉末放入模具中，再在200MPa压力下保压10min得到相对相对密度为65％的成型坯，成型坯尺寸为φ26×353mm。
(3)烧结处理：将步骤(2)的成型坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1450℃，最高温保温时间为1h，得到密度为17.10g/cm3，尺寸为φ22×300的钨合金烧结坯。
(4)烧结后热处理：将步骤(3)的烧结坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1100℃，保温时间为6h，得到钨合金棒坯。
(5)连轧变形处理：将步骤(4)得到的钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，首先加热至700℃保温时间30min，然后进行连续轧制，采用连续轧机连续通过5道次轧制，每道次变形量8％，总变形量40％，轧制速度2m/s，轧制后棒坯尺寸为φ17×502mm。
(6)退火热处理：将步骤(5)得到的轧制坯放置于氢气保护加热炉中进行退火热处理，退火温度为600℃，保温45min。
(7)机加工：将步骤(6)得到的棒材进行机械加工，即可得到所需要的高性能钨合金棒材成品。
本实施例制备的钨合金棒材金相组织类似于实施例1制备的棒材的金相组织。按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1490MPa，断后伸长率12％。
实施例3
(1)钨合金粉末的制备：分别称取费氏粒度2.8μm的钨粉1700g，电解镍粉210g，羰基铁粉90g，钴粉20g，将原料粉末装入高能球磨机中，加入硬质合金球4Kg，转速为180r/min，球磨时间为3.5h，得到混有微量钴元素的2020g钨合金粉末。
(2)冷等静压成型：首先将上述2020g步骤(1)制备的钨合金粉末放入模具中，再在200MPa压力下保压10min得到相对相对密度为65％的成型坯，成型坯尺寸为φ30×260mm。
(3)烧结处理：将步骤(2)的坯料放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1385℃，最高温保温时间为45min，得到密度为16.15g/cm3，尺寸为φ25.5×226mm的钨合金烧结坯。
(4)烧结后热处理：将步骤(3)的烧结坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1050℃，保温时间为6h，得到钨合金棒坯。
(5)连轧变形处理：将步骤(4)得到的所述钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，首先，加热至800℃保温25min，然后进行连续轧制，采用连续轧机连续通过5道次轧制，每道次变形量9％，总变形量45％，轧制速度2.5m/s，轧制后棒坯尺寸为φ18.6×425mm。
(6)退火热处理：将步骤(5)得到的轧制坯放置于氢气保护加热炉中进行退火热处理，退火温度为800℃，保温30min。
(7)机加工：将步骤(6)得到的棒材进行机械加工，即可得到所需要的高性能钨合金棒材成品。
本实施例制备的钨合金棒材金相组织类似于实施例1制备的棒材的金相组织。按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1480MPa，断后伸长率13％。
实施例4
(1)钨合金粉末的制备：分别称取费氏粒度3.1μm的钨粉1900g，羰基镍粉70g，电解铁粉30g，钴粉10g，将原料粉末装入高能球磨机中，加入硬质合金球4Kg，转速为300r/min，球磨时间为4h，得到混有微量钴元素的2010g钨合金粉末。
(2)冷等静压成型：首先将上述2010g步骤(1)制备的钨合金粉末放入模具中，再在210MPa压力下保压12min得到相对相对密度为66％的成型坯，成型坯尺寸为φ25×350mm。
(3)烧结处理：将步骤(2)的成型坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1520℃，最高温保温时间为100min，得到密度为18.13g/cm3，尺寸为φ21×290mm的钨合金烧结坯。
(4)烧结后热处理：将步骤(3)的烧结坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1100℃，保温时间为8h，得到钨合金棒坯。
(5)连轧变形处理：将步骤(4)得到的所述钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，首先加热至850℃保温50min，进行连续轧制，采用连续轧机连续通过4道次轧制，每道次变形量7％，总变形量28％，轧制速度2.5m/s，轧制后棒坯尺寸为φ17.8×404mm。
(6)退火热处理：将步骤(5)得到的轧制坯放置于氢气保护加热炉中进行退火热处理，退火温度为800℃，保温70min。
(7)机加工：将步骤(6)得到的棒材进行机械加工，即可得到所需要的高性能钨合金棒材成品。
本实施例制备的钨合金棒材金相组织类似于实施例1制备的棒材的金相组织。按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1425MPa，断后伸长率16.5％。
实施例5
(1)钨合金粉末的制备：分别称取费氏粒度3.8μm的钨粉1620g，羰基镍粉250g，电解铁粉80g，钴粉50g，将原料粉末装入高能球磨机中，加入硬质合金球4Kg，转速为480r/min，球磨时间为2.5h，得到混有微量钴元素的2000g钨合金粉末。
(2)冷等静压成型：首先将上述2000g步骤(1)制备的钨合金粉末放入模具中，再在180MPa压力下保压15min得到相对相对密度为60％的成型坯，成型坯尺寸为φ26mm×353mm。
(3)烧结处理：将步骤(2)的成型坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1450℃，最高温保温时间为2h，得到密度为17.21g/cm3，尺寸为φ22mm×300mm的钨合金烧结坯(棒坯)。
(4)烧结后热处理：将步骤(3)的烧结坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，真空热处理温度为950℃，保温时间为8h，得到钨合金棒坯。
(5)连轧变形处理：将步骤(4)得到的钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，首先加热至800℃保温90min，然后进行连续轧制，采用连续轧机连续通过4道次轧制，每道次变形量5.5％，总变形量22％，轧制速度0.8m/s，轧制后棒坯尺寸为φ19.4mm×390mm。
(6)退火热处理：将步骤(5)得到的轧制坯放置于氢气保护加热炉中进行退火热处理，退火温度为700℃，保温100min。
(7)机加工：将步骤(6)得到的棒材进行机械加工，即可得到所需要的高性能钨合金棒材成品。
本实施例制备的钨合金棒材金相组织类似于实施例1制备的棒材的金相组织。按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1400MPa，断后伸长率16％。
实施例6
实施例6中除步骤(1)钨合金粉末的制备过程中不添加钴粉之外，其他工艺及参数均与实施例1相同。本实施例制备的钨合金棒材金相组织类似于实施例1制备的棒材的金相组织。按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1415MPa，断后伸长率11％。
实施例7-8
实施例7-8中除高能球磨处理工艺的不同于实施例1以外，其他工艺及参数均与实施例1相同。实施例7-8的高能球磨处理工艺及制备的棒材性能参见表1。
表1实施例7-8的高能球磨处理工艺条件及棒材性能
Figure BDA0001542842290000091
实施例9-12
实施例9-12中除轧制变形工艺不同于实施例1以外，其他工艺及参数均与实施例1相同。实施例9-12的轧制变形工艺和棒材性能见表2。
表2实施例9-10的轧制变形工艺条件及棒材性能
Figure BDA0001542842290000092
Figure BDA0001542842290000101
实施例13-16
实施例13-16中除步骤(1)钨合金粉末的原料配比不同之外，其他工艺及参数均与实施例1相同。实施例13-16制备的钨合金棒材金相组织类似于实施例1制备的棒材的金相组织，具体的原料配比及棒材性能参见表3。
表3实施例13-16的轧制变形工艺条件及棒材性能
Figure BDA0001542842290000102
对比例1
本对比例中除步骤(1)钨合金粉末的制备过程中采用混料机混合6h的方式之外，其他工艺及参数均与实施例1相同。本对比例制备的钨合金棒材，按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，室温抗拉强度达到1410MPa，断后伸长率8％。

Claims (11)

1.一种高性能钨合金棒材，其特征在于，所述棒材按质量百分比由以下组分组成：钨80～97wt％，镍2～15wt％，铁1～5wt％，钴0～3wt％，其他微量元素0～1wt％，所述其他微量元素为Mo、Cr、Mn中的一种或多种；
所述高性能钨合金棒材的制备方法，依次包括如下步骤：
步骤一，钨合金粉末的制备：按照所述钨合金棒材的组分配比分别称取钨粉、镍粉、铁粉、钴粉及其他微量元素粉末，进行高能球磨处理，得到钨合金粉末；
步骤二，压制成型处理：按照设计重量将步骤一得到的所述钨合金粉末装入设计好的模具内进行压制成型处理，得到钨合金压坯；
步骤三，烧结处理：将步骤二得到的所述钨合金压坯进行烧结处理，得到烧结坯；所述烧结温度为1350～1550℃，保温时间为0.5～4h；
步骤四，烧结后热处理：将步骤三得到的所述烧结坯进行热处理，得到钨合金棒坯；
步骤五，连轧变形处理：将步骤四得到的所述钨合金棒坯进行连续轧制变形处理，得到钨合金轧制棒坯；所述轧制变形处理依次包括加热处理和轧制处理，所述加热处理的加热温度为700～900℃；所述轧制处理时，轧制速度为0.5～2.5m/s，所述轧制处理的总变形量20％～50％；
步骤六，退火热处理，将步骤五得到的所述钨合金轧制棒坯进行退火热处理，得到所述高性能钨合金棒材。
2.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，所述制备方法还包括机加工步骤，将所述退火热处理后的高性能钨合金棒材进行机加工处理，得到高性能钨合金棒材成品。
3.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤一中，所述钨粉为常规钨粉，粒度为2.0～4.0μm，所述镍粉为电解镍粉或羰基镍粉，所述铁粉为电解铁粉或羰基铁粉。
4.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤一中，所述高能球磨处理的时间为2～8h，转速为100～500r/min，球料比为2:1-4:1。
5.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤二中，所述压制成型处理为冷等静压成型处理。
6.根据权利要求5所述的钨合金棒材，其特征在于，所述冷等静压成形处理的压制压力为180～250MPa，保压时间为5～15min。
7.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤三中，所述烧结处理在氢气气氛中进行。
8.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤四中，所述烧结后热处理在真空条件下进行，其中，真空度低于10-1Pa，所述烧结后热处理的温度为900～1200℃，所述烧结后热处理的时间为1～8h。
9.根据权利要求1所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤五中，所述加热处理的保温时间为20～120min；所述轧制处理时，开轧温度为所述加热处理的加热温度。
10.根据权利要求9所述的钨合金棒材，其特征在于，所述轧制处理的轧制道次为4-5次，每道次变形量相等。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的钨合金棒材，其特征在于，步骤六中，所述退火热处理中，退火温度为600～800℃，保温时间为30～120min。
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