CN111057926B

CN111057926B - 一种钨合金及其制备方法

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Publication number: CN111057926B
Application number: CN201911353265.9A
Authority: CN
Inventors: 张俊; 杨晓青; 李志翔
Original assignee: ZIGONG CEMENTED CARBIDE CORP Ltd
Current assignee: ZIGONG CEMENTED CARBIDE CORP Ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN111057926A

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种钨合金及其制备方法，本发明涉及的钨合金的组分具有如下表达式：W_100％‑tNi_aX_bY_cZ_d。本发明由于合理的成分配比以及严格控制各个步骤的工艺参数，从而使本发明的钨合金材料具有高密度、高硬度、高抗压强度的物理机械性能。用做穿甲弹芯具有良好的穿甲贯穿威力，同时由于具有低的塑性，组织结构中分布有脆性相，分布有孔洞，有适当的孔隙度，使弹芯在贯穿装甲受到应力波的冲击时形成裂纹，成为破片断裂源，最终在穿甲后形成大量的破片。具有穿甲威力好和穿甲后破片数量多的特点，为我国新一代穿甲弹的设计和应用提供了更为广阔的空间。

Description

一种钨合金及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种钨合金材料及其制备方法。

背景技术

钨合金因为具有高密度、高强度、塑性好等优良性能，是目前制备动能穿甲弹芯的主要材料。

目前广泛应用的小口径武器系统，多配备以打击“软”目标杀伤为主的榴弹(杀伤弹)和以打击“硬”目标穿甲为主的穿甲弹，弹药的作用效果单一，已不能适应现代战争的需求。高后效穿甲弹是一种拥有穿甲弹和榴弹双重特点的新型弹药，该弹的弹芯材料独特，不仅能够像常规穿甲弹那样穿透飞机和武装直升机的装甲，而且弹芯在与目标撞击过程中碎裂，产生巨大的破片效应，并在目标内部产生二次杀伤效果。其所具有的优异特性受到了各个武器系统的关注和青睐。

为使穿甲弹具有较好的穿甲贯穿威力，穿甲弹芯应具有高密度、高硬度、高抗压强度的物理机械性能，同时为使穿甲弹在贯穿装甲后易破碎成破片，穿甲弹芯材料应具有低的塑性，组织结构中分布有脆性相，分布有孔洞，有一定的孔隙度，使弹芯在贯穿装甲受到应力波的冲击时形成裂纹，成为破片断裂源，最终在穿甲后形成大量的破片。高后效穿甲弹芯材料只有同时具备上述物理机械性能和组织结构才能既保证穿甲弹的穿甲威力又保证穿甲弹的破片杀伤效应，二者必须兼顾，不可偏废。

袁慎坡等在《一种W-Ni-Al-Fe系易碎钨合金材料的研究》中采用金属间化合物NiAlFe粉与钨粉混合制备的易碎钨合金,具有密度：17.03g/cm³、硬度(HRC):27.5的物理机械性能，通过基体组织中Al₂O₃颗粒间及Al₂O₃颗粒与基体相间弱的界面结合,成为裂纹萌生和扩展的有利通道,从而实现钨合金的易碎性。该研究方法中制备的钨合金密度、硬度均较低，使穿甲弹的穿甲能力受到严重影响，制备的钨合金组织中仅有脆性相，没有一定数量的孔洞，使穿甲弹即使穿透装甲后形成的破片数量也有限也达不到战术效果。中国专利CN104762499A通过选择钨作为合金基体，选用钴和镍作为粘接剂，并通过控制钴镍比，制备出晶粒尺寸不大于20um，硬度(HRC)不小于35的细晶高硬度钨合金。该专利方法制备的钨合金尽管硬度高，用做穿甲弹芯有利于穿甲，但由于组织结构中没有脆性相及孔洞的存在，使弹芯穿透装甲后不易形成破片，达不到二次毁伤战术效果。中国专利CN 104357694A通过采用：1％～3％Ni，0.1％～1％Fe，1％～3％Cr，余量为W的成分配比制备的钨合金材料具备硬度(HRC)超过40，密度超过18.10g/cm³的物理机械性能。该专利方法制备的钨合金尽管密度、硬度高，用做穿甲弹芯有利于穿甲，但由于组织结构中没有脆性相及孔洞的存在，使弹芯穿透装甲后不易形成破片，达不到二次毁伤战术效果。中国专利CN 108359872A通过采用：96.3％～97％W,1.1％～1.3％Ni，1.1％～1.4％Fe，0.8％～1.0％Re的混合粉末再按重量比的3％加入Al₂O₃粉末,制备的钨合金材料具备503～583MPa的抗拉强度、7.10％～8.12％的延伸率。由于该钨合金材料在96.3％～97％W的基础上额外又添加了3％Al₂O₃粉末，降低了W基体的百分含量，通过计算该钨合金材料的理论密度不超过17.80g/cm³。该专利方法制备的钨合金密度、硬度均较低，用做穿甲弹芯不利于穿甲，同时由于组织结构中仅有有脆性相Al₂O₃粒子，没有一定数量孔洞的存在，材料延伸率好，使弹芯即使穿透装甲后裂纹的扩散能力差形成的破片数量也有限，也达不到二次毁伤战术效果。中国专利CN101525714A采用92.20％～93.50％W,4.50％～5.50％Ni,1.00％～2.00％Fe,0.05％～0.60％Y₂O₃的质量百分比配比制备的钨合金由于W含量相对较低，所以密度较低，用做穿甲弹芯不利于穿甲，同时由于组织结构中仅有有脆性相Y₂O₃粒子，没有一定数量孔洞的存在，使弹芯即使穿透装甲后裂纹的扩散能力差形成的破片数量也有限，也达不到二次毁伤战术效果。

发明内容

本发明正是针对上述钨合金制备现有技术存在的不足，提供了一种具有高后效穿甲弹芯用高密度的钨合金材料，该钨合金材料具有密度、硬度高，抗压强度好，钨合金组织中分布一定数量的金属氧化物粒子和孔洞，使合金材料具有适当的孔隙度和低的延伸率，其目的是使该钨合金材料用做穿甲弹芯时既保证穿甲弹的穿甲威力又保证穿甲弹的破片杀伤效应。

本发明的另一目的是提供一种上述钨合金的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明涉及的钨合金的组分具有如下表达式：

W_100％-tNi_aX_bY_cZ_d

在上面的表达式中：

W代表钨；

Ni代表镍；

“X”代表Fe(铁),Cu(铜)，Cr(铬)，Co(钴)，Mn(锰)物质中的一种或者几种；

“Y”代表Al₂O₃(氧化铝)，Y₂O₃(氧化钇)，ZrO₂(氧化锆)，SiO₂(氧化硅)物质中的一种或几种；

“Z”代表TiC(碳化钛)，Cr₃C₂(碳化铬)，VC(碳化钒)，WC(碳化钨)物质中的一种或几种；

“a”表示质量百分比范围0.2％～4.0％；

“b”表示质量百分比范围0.05％～3.0％；

“c”表示质量百分比范围0.05％～2.0％；

“d”表示质量百分比范围0.05％～3.0％；

“t”表示表示a,b,c,d之和，质量百分比范围1.5％～5.5％

“100％-t”表示质量百分比范围94.5％～98.5％。

本发明的合金组分中添加Ni和“X”成分有利于合金组织的形成，提高粘结相和钨基体间的结合强度，同时促使合金组织有较高的致密度，满足钨合金材料作为弹芯使用时应当具备的发射及侵彻所需强度。

合金组分中添加“Y”成分有利于在合金组织中形成分布硬而脆的金属氧化物粒子，能有效提高钨合金材料的抗压强度，提高钨合金的脆性，降低钨合金的延伸率，弹芯在穿甲过程中，在应力波作用下，这些金属氧化物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，最终形成了金属氧化物粒子与粘结相的分离断裂，致使大量破片的产生。

合金组分中添加“Z”成分能有效细化晶粒，并与粘接相形成硬而脆的金属间化合物，使钨合金材料的硬度增加，提高了钨合金弹芯的穿甲威力。

上述钨合金材料按照如下步骤制备：

(1)钨合金粉的混合：按上述合金组分配比称取钨粉、镍粉以及“X”、“Y”、“Z”中的组分粉末，在混合器中混合18～24小时，使各组成粉末混合均匀；

(2)压制成型；

(3)将压坯进行烧结，烧结温度为1480～1530℃，保温时间：0.5h～1.5h。

与常规穿甲弹芯用钨合金的高致密度、低孔隙度不同，本发明的钨合金通过烧结过程中严格控制烧结温度和烧结时间，在钨合金组织中形成一定数量的孔洞，使钨合金材料具有适当的孔隙度，当弹芯在贯穿装甲受到应力波的冲击时这些孔洞容易形成裂纹并扩散成为破片源，最终在穿甲后形成大量的破片。

烧结温度过低或保温时间过短会使粘接相对钨相浸润性差或合金化过程不充分，导致各相界面结合强度低，同时由于组织疏松致密度低，将严重降低穿甲弹芯的穿甲威力；烧结温度过高或保温时间过长会使钨合金组织的晶粒变粗，合金的硬度降低、抗压强度下降，孔洞消失，延伸率增加，使钨合金弹芯在贯穿装甲受到应力波的冲击时，由于组织中没有适量的孔洞，使形成的裂纹不容易扩散成为破片源，最终在穿甲后不易形成大量的破片。

本发明方法，由于合理的成分配比以及通过严格控制各个步骤的工艺参数，从而解决了目前钨合金用做弹芯材料存在的不能同时具备穿甲威力好和穿甲后破片数量多的问题，从而使本发明的高密度钨合金材料具有高密度、高硬度、高抗压强度的物理机械性能用做穿甲弹芯具有良好的穿甲贯穿威力，同时由于具有低的塑性，组织结构中分布有脆性相，分布有孔洞，有较高的孔隙度，使弹芯在贯穿装甲受到应力波的冲击时形成裂纹，成为破片断裂源，最终在穿甲后形成大量的破片。解决了目前钨合金穿甲弹芯材料存在的穿甲威力好和穿甲后破片数量多二者不能同时具备的难题，大大扩展了穿甲弹的应用范围，为我国新一代穿甲弹的设计和应用提供了更为广阔的空间。

附图说明

1、附图1为本发明的制备工艺流程图；

2、附图2为常规高密度钨合金金相组织图片；

3、附图3为本发明高密度钨合金的金相组织图片；

4、附图4为本发明高密度钨合金拉伸断口扫描电镜(SEM)照片；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种高后效穿甲弹芯用高密度钨合金的制备方法，如图1，包括如下步骤：

步骤一：钨合金粉的混合

按质量百分比计的组分及其含量为：W:94.5％、Ni:4.0％、Fe:0.05％、Al₂O₃：0.05％、Cr₃C₂:0.3％、TiC:0.4％、WC:0.7％，其中：“X”组分含量为：0.05％；“Y”组分含量为：0.05％；“Z”组分含量为：1.4％。将各组分粉末按上述质量百分比的用量装入V型混料机，混合24小时。

步骤二：压制成型

将混合均匀的钨合金混合粉末装入模具，采用液压机或者冷等静压机压制成压坯。

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1480℃，保温时间：1.5h。

烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18.0g/cm³，硬度(HRC)为38，抗压强度为3260MPa，延伸率为1.5％，孔隙率为1.0％。

实施例2

步骤一：钨合金粉的混合

按质量百分比计的组分及其含量为：W:96.4％、Ni:0.2％、Cu:0.9％、Co:2.0％、Mn：0.1％、ZrO₂：0.25％、SiO₂:0.1％；VC:0.05％，其中：“X”组分含量为：3.0％；“Y”组分含量为：0.35％；“Z”组分含量为：0.05％。将各组分粉末按上述质量百分比的用量装入V型混料机，混合22小时。

步骤二：压制成型

将混合均匀的钨合金混合粉末装入模具，采用液压机或者冷等静压机按照2.0吨/厘米²的压制压力压制成压坯

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1500℃，保温时间：1.0h。烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18.2g/cm³，硬度(HRC)为32，抗压强度为2740MPa，延伸率为1.0％，孔隙度为1.6％。

实施例3

步骤一：钨合金粉的混合

按质量百分比计的组分及其含量为：W:98.5％、Ni:0.5％、Cr:0.7％、Y₂O₃:0.1％；Cr₃C₂:0.2％，其中：“X”组分含量为：0.7％；“Y”组分含量为：0.1％；“Z”组分含量为：0.2％。将各组分粉末按上述质量百分比的用量装入V型混料机，混合20小时。

步骤二：压制成型

将混合均匀的钨合金混合粉末装入模具，采用液压机或者冷等静压机按照2.5吨/厘米²的压制压力压制成压坯

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1530℃，保温时间：0.5h。烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18.7g/cm³，硬度(HRC)为42，抗压强度为3420MPa，延伸率为0.3％，孔隙度为2.4％。

实施例4

步骤一：钨合金粉的混合

按质量百分比计的组分及其含量为：W:94.5％、Ni:1.5％、Fe:1.8％、Y₂O₃:2.0％；Cr₃C₂:0.2％，其中：“X”组分含量为：1.8％；“Y”组分含量为：2.0％；“Z”组分含量为：0.2％。将各组分粉末按上述质量百分比的用量装入V型混料机，混合18小时。

步骤二：压制成型

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1480℃，保温时间：1.0h。烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18.0g/cm³，硬度(HRC)为38，抗压强度为2300MPa，延伸率为2.0％，孔隙度为1.0％。

实施例5

步骤一：钨合金粉的混合

按质量百分比计的组分及其含量为：W:94.5％、Ni:1.2％、Fe:1.2％、SiO₂:0.1％、WC:2.5％、VC:0.5％，其中：“X”组分含量为：1.2％；“Y”组分含量为：0.1％；“Z”组分含量为：3.0％。将各组分粉末按上述质量百分比的用量装入V型混料机，混合22小时。

步骤二：压制成型

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1490℃，保温时间：1.2h。烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18.1g/cm³，硬度(HRC)为45，抗压强度为2600MPa，延伸率为0.1％，孔隙度为2.2％。

实施例6

步骤一：钨合金粉的混合与实施例2同

步骤二：压制成型与实施例2同

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1510℃，保温时间：1.2h。烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18.3g/cm³，硬度(HRC)为31，抗压强度为2710MPa，延伸率为1.5％，孔隙度为1.2％。

实施例7

步骤一：钨合金粉的混合与实施例2同

步骤二：压制成型与实施例2同

步骤三：烧结

将钨合金压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将料舟在氢气保护的钼丝加热炉中进行烧结，烧结温度为1490℃，保温时间：0.8h。烧结后得到的高密度钨合金材料组织结构中，粘接相中分布有钨晶粒和金属氧化物颗粒以及孔洞，该钨合金密度为18g/cm³，硬度(HRC)为33，抗压强度为2790MPa，延伸率为0.6％，孔隙度为3.0％。

将本发明的钨合金组织结构与常规高密度钨合金进行金相对比分析，如图2-3。图2中显示的常规高密度钨合金金相组织结构简单，粘接相中分布着单一的钨晶粒；而图3显示的本发明高密度钨合金的金相组织结构中，粘接相中除分布有钨晶粒外，还弥散分布有细小的金属氧化物脆性粒子和大小不等的黑色孔洞。此外，从图4显示的本发明高密度钨合金拉伸断口扫描电镜(SEM)照片中，断口为脆性断裂，断口中分布着孔洞和金属氧化钨脆性粒子，在材料受到拉伸应力时，这些孔洞和脆性粒子首先在晶界形成裂纹并扩散、断裂，成为破片源。

本发明的高密度钨合金物理机械性能如下表1：

从表1可以看出，由于合理的成分配比以及通过严格控制各个步骤的工艺参数，本发明涉及的高密度钨合金具有高密度、高硬度、高抗压强度、低延伸率、较高孔隙度(与致密钨合金相比)的特性。高密度、高硬度、高抗压强度的性能特性有利于穿甲弹的穿甲，低延伸率、较高孔隙度以及合金组织中分布有孔洞、金属氧化物脆性粒子的性能、组织结构特性有利于穿甲后破片的形成。具有穿甲威力好和穿甲后破片数量多的特点。为我国新一代穿甲弹的设计和应用提供了更为广阔的空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钨合金，其特征在于，其组分的表达式如下：

W_100-tNi_aX_bY_cZ_d

表达式中，

“a”表示质量百分比范围0.2％～4.0％；

“b”表示质量百分比范围0.05％～3.0％；

“c”表示质量百分比范围0.05％～2.0％；

“d”表示质量百分比范围0.05％～3.0％；

“t”表示表示a,b,c,d之和，质量百分比范围1.5％～5.5％；

“100％-t”表示质量百分比范围94.5％～98.5％；

所述合金的孔隙度为1.0％-3.0％；

所述钨合金制备方法如下：

S1混合：按照所述合金组分配比准备原料；将原料在混合器中混合18～24小时；

S2压制成型；

S3烧结：烧结温度为1480～1530℃，保温时间：0.5h～1.5h。