CN108425057A - 一种易碎型穿甲弹钨合金及其制备方法 - Google Patents

一种易碎型穿甲弹钨合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种易碎型穿甲弹钨合金及其制备方法，由W粉、Ni粉、Fe粉和Re粉混合烧结而成，包括以下步骤，湿混，干燥过筛，掺蜡，干燥过筛，成形，脱蜡/预烧，烧结，烧结后热处理。添加Re是更有效的固溶强化元素，能一定程度的提高钨合金的密度，并且保持较好的塑性；通过添加不同粒径的Al2O3粉末，保证了钨合金的动态压缩强度和塑性的前提条件下降低了抗拉强度，提高了材料的易碎性，可保证钨合金材料在穿甲后形成破片，从而达到二次毁伤的目的。

Description

一种易碎型穿甲弹钨合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种易碎型穿甲弹钨合金及其制备方法。
背景技术
钨基合金因为具有高密度、高强度等优点，在现代的工业中尤其是国防工业中占据着重要的地位，随着工业的发展，人们对其性能提出了更高的要求。
穿甲弹要求弹芯材料在穿靶过程中依靠弹靶的相互作用和自身的性能特点，自动破碎成大量有效破片，穿甲后形成锥形膨胀的破片弹幕，从而提高穿甲弹对武装直升机、导弹壳体和轻型装甲车辆的侵彻和二次毁伤效果。为保证弹芯材料的发射强度和足够的贯穿能力，弹芯材料应具有足够高的动态抗压强度，同时为了保证弹芯材料的破碎性，它又应具有较低的动态抗拉强度。
专利号200810030663.2，一种含有稀土的细晶W-Ni-Fe合金制备方法，采用可溶性钨盐、可溶性镍盐、可溶性铁盐晶体、微量可溶性稀土Y、La或Ce的超细/纳米W-Ni-Fe复合粉末，复合粉末中W：88-97wt%，稀土氧化物为0.02-0.8wt%，其余为Ni和Fe。将复合粉末压制成形，在还原性气氛中预烧后经固相和液相二步烧结后制备成高性能含微量稀土细晶W-Ni-Fe合金。本发明的不足在于：（1）含微量稀土细晶W-Ni-Fe合金的抗压强度较低，作为穿甲弹的制备材料不易实现二次爆破；（2）含微量稀土细晶W-Ni-Fe合金的拉伸强度在1000-1300MPa，超过1000MPa的穿甲弹在二次爆破时是达不到预想的效果，对后期爆炸所产生的效果不够。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种易碎型穿甲弹钨合金及其制备方法。
一种易碎型穿甲弹钨合金,其特征在于，按照重量百分比计的以下组分组成：
Ni粉1.1%-1.3%
Fe粉1.1%-1.4%
Re0.8%-1.0%
钨基体96.3%-97%。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金中，所述钨基体的制备方法为还原法，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金中，所述Ni粉的制备方法为羰基法，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金中，所述Fe粉的制备方法为羰基法，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金中，所述Re粉的制备方法为氢还原法，费氏粒度为3.54μm，纯度为99.99%。
本发明还提供了一种易碎型穿甲弹钨合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、湿混：按照重量百分比钨基体96.3%-97%，Ni粉1.1%-1.3%，Fe粉1.1%-1.4%，Re0.8%-1.0%，将混合好的粉末按照重量比的3%加入Al2O3，再混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精；
步骤二、干燥过筛：将步骤一中的湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛；
步骤三、掺蜡：添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g；
步骤四、干燥过筛：掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网；
步骤五、成形：采用普通模压制成形，将步骤四中的粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制；
步骤六、脱蜡/预烧：脱蜡/预烧在H2的还原炉内进行；
步骤七、烧结：烧结采用微波烧结或放电等离子烧结；
步骤八、烧结后热处理：采用真空退火工艺或固溶淬火工艺，得到该钨合金。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金的制备方法中，所述球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为8h-12h，转速为200r-350r/min。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金的制备方法中，所述步骤八的真空退火工艺升温速度为10℃/min，1150-1250℃保温2h-4h后炉冷，真空度为0.5-5Pa。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金的制备方法中，所述步骤八中固溶淬火工艺为在氩气保护下载钼丝炉中1150℃-1250℃保温2h-4h后水淬。
在本发明的这种易碎型穿甲弹钨合金的制备方法中，所述Al2O3的直径为0.6μm、3μm和7μm。
本发明的有益效果是：（1）、Re在周期表中紧邻W，添加Re能够提高钨合金的强度，同时还可以提高钨合金的密度。添加Re是更有效的固溶强化元素，它在强化钨基高密度合金的同时，还能一定程度的提高合金的密度，并且保持较好的塑性。
（2）、当Al2O3的粒径从0.67μm增大到7μm时，合金的抗拉强度分别为503、555和583MPa；延伸率分别为7.10%、7.55%和8.12%，可以得到Al2O3的粒径较大，钨合金的抗拉强度和延伸率都有所下降。
（3）、随着Al2O3颗粒直径的增大，微波烧结W-Ni-Fe合金内钨晶粒形状基本保持不变；随着Al2O3含量的增加，Al2O3第二相粒子与粘结相、钨颗粒之间的界面断裂逐渐增加，钨颗粒的平均粒径逐渐降低。
（4）、钨合金断裂方式多为W-W断裂，随着Al2O3微粒度的增大，钨合金的抗拉性能会有很大的下降，抗拉强度和延伸率也有所下降；另外，随着Al2O3含量的增加，钨合金的屈服强度有所增大，增强了钨合金的抗压性能。
（5）、该钨合金中添加不同粒径的Al2O3粉末，制备出一种新型的易碎钨合金材料。该钨合金在保证一定动态压缩强度和塑性的前提条件下降低了抗拉强度，提高了材料的易碎性，可保证钨合金材料在穿甲后形成破片以达到二次毁伤的目的。
附图说明
图1为本发明易碎型穿甲弹钨合金中添加Al2O3直径为0.67μm的动态压缩试样剖面显微组织；
图2为本发明易碎型穿甲弹钨合金中添加Al2O3直径为3μm的动态压缩试样剖面显微组织；
图3为本发明易碎型穿甲弹钨合金中添加Al2O3直径为7μm的动态压缩试样剖面显微组织。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例一
按照重量百分比：
W粉97.8%，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%；
Ni粉1.1%，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%；
Fe粉1.1%，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%。
将上述粉末混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精，球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为10h，转速为300r/min。
将湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛。
添加添加剂，添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g。
干燥过筛，掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网。
再用普通模压制成形，将粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制。
在H2的还原炉内进行脱蜡，烧结采用微波烧结或放电等离子烧结。微波烧结的烧结温度低、节能、安全无污染、升温速度快、烧结时间短、加热均匀、能够实现空间选择性烧结。随着烧结温度的提高，合金中的气孔逐渐减少甚至消除，W颗粒变粗，晶粒尺寸逐渐增大，且W颗粒在基体相中的分布变得更加均匀，界面粘结强度也得到增强。
放电等离子烧结的升温速度快、烧结温度较低、烧结时间短、组织结构可控、节能环保、在较低烧结温度和较小成型压力下可烧结出高性能材料。随着烧结温度的升高，合金的宏观硬度持续下降，而抗弯强度却不断增加，放电等离子烧结能严格控制W晶粒生长的同时，又尽可能降低W/W连接度，能制得具备高强高韧性能的细晶甚至纳米晶W-Ni-Fe合金。
烧结后热处理：采用真空退火工艺或固溶淬火工艺。真空退火工艺升温速度为10℃/min，1150-1250℃保温2h-4h后炉冷，真空度为0.5-5Pa。固溶淬火工艺为在氩气保护下载钼丝炉中1150℃-1250℃保温2h-4h后水淬。
得到的钨合金，该钨合金的抗拉强度为849MPa，延伸率为15.45%。
实施例二
按照重量百分比：
W粉97%，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%；
Ni粉1.1%，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%；
Fe粉1.1%，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%；
Re粉0.8%，费氏粒度为3.54μm，纯度为99.99%。
将上述粉末混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精，球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为10h，转速为300r/min。
将湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛。
添加添加剂，添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g。
干燥过筛，掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网。
再用普通模压制成形，将粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制。
得到的钨合金，该钨合金的抗拉强度为774MPa，延伸率为10.76%。
实施例三
按照重量百分比：
W粉97%，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%；
Ni粉1.1%，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%；
Fe粉1.1%，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%；
Re粉0.8%，费氏粒度为3.54μm，纯度为99.99%。
将混合好的粉末按照重量比的3%加入Al2O3，Al2O3的直径为0.67μm，再将上述粉末混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精，球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为10h，转速为300r/min。
将湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛。
添加添加剂，添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g。
干燥过筛，掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网。
再用普通模压制成形，将粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制。
得到的钨合金，该钨合金的抗拉强度为583MPa，延伸率为8.12%。
实施例四
按照重量百分比：
W粉97%，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%；
Ni粉1.1%，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%；
Fe粉1.1%，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%；
Re粉0.8%，费氏粒度为3.54μm，纯度为99.99%。
将混合好的粉末按照重量比的3%加入Al2O3，Al2O3的直径为3μm，再将上述粉末混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精，球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为10h，转速为300r/min。
将湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛。
添加添加剂，添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g。
干燥过筛，掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网。
再用普通模压制成形，将粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制。
得到的钨合金，该钨合金的抗拉强度为555MPa，延伸率为7.55%。
实施例五
按照重量百分比：
W粉97%，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%；
Ni粉1.1%，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%；
Fe粉1.1%，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%；
Re粉0.8%，费氏粒度为3.54μm，纯度为99.99%。
将混合好的粉末按照重量比的3%加入Al2O3，Al2O3的直径为7μm，再将上述粉末混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精，球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为10h，转速为300r/min。
将湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛。
添加添加剂，添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g。
干燥过筛，掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网。
再用普通模压制成形，将粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制。
得到的钨合金，该钨合金的抗拉强度为503MPa，延伸率为7.10%。
对比实施例一和实施例二，其中的数据对于做为制作穿甲弹的材料是可以的，但是在其要利用二次爆破所带来的高伤害是不可取的。实施例二由于添加了Re，钨合金的延伸率得到显著的提高，但是抗拉强度并没有多少的下降。
对比对比实施例二和实施例三，由于添加了Re和Al2O3，其中Re降低了钨合金的延伸率，加入的Al2O3粒子分布于粘结相内部，当钨合金受到拉伸应力时，由于粘结相的塑性较好，首先发生变形，然后将应力传到Al2O3粒子上；由于Al2O3粒子的强度很高，不能与粘结相发生协调塑性变形，而Al2O3粒子与粘结相的界面结合强度很低，在应力作用下，Al2O3粒子与粘结相之间的界面处首先萌生微裂纹，裂纹扩展使界面分离，最终形成了Al2O3粒子与粘结相的分离断裂。
对比实施例三、实施例四和实施例五，当Al2O3粒径从0.6μm增大到7μm时，合金的抗拉强度分别为583、555和503MPa；延伸率分别为8.12%、7.55%和7.10%。可以得出随着Al2O3粒径的增大，钨合金的抗拉强度和延伸率都有所下降。这样的钨合金材料便可以作为制备易碎型穿甲弹钨合金的制备材料，
钨合金断裂方式多为W-W断裂，随着Al2O3微粒度的增大，钨合金的抗拉性能会有很大的下降，抗拉强度和延伸率也有所下降；另外，随着Al2O3含量的增加，钨合金的屈服强度有所增大，增强了钨合金的抗压性能。并且该钨合金在保证一定动态压缩强度和塑性的前提条件下降低了抗拉强度，提高了材料的易碎性，可保证钨合金材料在穿甲后形成破片以达到二次毁伤的目的。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (10)

1. 一种易碎型穿甲弹钨合金,其特征在于，按照重量百分比计的以下组分组成：
Ni粉1.1%-1.3%
Fe粉1.1%-1.4%
Re0.8%-1.0%
钨基体96.3%-97%。
2.根据权利要求1所述的易碎型穿甲弹钨合金，其特征在于，所述钨基体的制备方法为还原法，费氏粒度为3.0μm，纯度为99.9%。
3.根据权利要求1所述的易碎型穿甲弹钨合金，其特征在于，所述Ni粉的制备方法为羰基法，费氏粒度为3.66μm，纯度为99.5%。
4.根据权利要求1所述的易碎型穿甲弹钨合金，其特征在于，所述Fe粉的制备方法为羰基法，费氏粒度为3.97μm，纯度为99.3%。
5.根据权利要求1所述的易碎型穿甲弹钨合金，其特征在于，所述Re粉的制备方法为氢还原法，费氏粒度为3.54μm，纯度为99.99%。
6.一种制备易碎型穿甲弹钨合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、湿混：按照重量百分比钨基体96.3%-97%，Ni粉1.1%-1.3%，Fe粉1.1%-1.4%，Re0.8%-1.0%，将混合好的粉末按照重量比的3%加入Al2O3，再混合放入三维混合机中进行混合，再在钢质球磨筒内球磨，球磨介质为无水酒精；
步骤二、干燥过筛：将步骤一中的湿混好的料浆在真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时间为2h，干燥后过80目筛；
步骤三、掺蜡：添加剂选用石蜡汽油溶液，以50ml汽油溶10g石蜡配制溶液，添加量时100g原料粉掺石蜡2g；
步骤四、干燥过筛：掺蜡过程中会产生原料粉粘结成团现象，并可能引入杂质，故对掺蜡后的料进行干燥，并过80目的筛网；
步骤五、成形：采用普通模压制成形，将步骤四中的粉末混合料在钢制压模内压制成形，成形压制压力为150-200MPa，压制方式为单向压制；
步骤六、脱蜡/预烧：脱蜡/预烧在H2的还原炉内进行；
步骤七、烧结：烧结采用微波烧结或放电等离子烧结；
步骤八、烧结后热处理：采用真空退火工艺或固溶淬火工艺，得到该钨合金。
7.根据权利要求6所述的易碎型穿甲弹钨合金的制备方法，其特征在于：所述球磨用球为硬质合金球，球料比为2∶1，球磨时间为8h-12h，转速为200r-350r/min。
8.根据权利要求6所述的易碎型穿甲弹钨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤八的真空退火工艺升温速度为10℃/min，1150℃-1250℃保温2h-4h后炉冷，真空度为0.5-5Pa。
9.根据权利要求6所述的易碎型穿甲弹钨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤八中固溶淬火工艺为在氩气保护下载钼丝炉中1150℃-1250℃保温2h-4h后水淬。
10.根据权利要求6所述的易碎型穿甲弹钨合金的制备方法，其特征在于：所述Al2O3的直径为0.6μm、3μm和7μm。
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