CN111363941A - 一种多边形微结构钨合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多边形微结构钨合金材料及其制备方法和应用，属于钨合金制备技术领域。本发明的制备方法包括以下步骤：将钨晶须与淀粉胶体混合后依次进行脱脂处理和烧结处理，得到钨骨架材料；将所述钨骨架材料依次进行钴气熔渗处理和界面共格改性处理，得到多边形微结构钨合金材料。针对钨合金中钨相与粘结相难以充分发挥各自强度与塑性优势的问题，本发明通过在钨晶须中掺和淀粉胶体后进行脱脂处理、烧结处理、钴气熔渗处理和界面共格改性处理，从而优化钨相与粘结相的排布方式，充分发挥钨相与粘结相各自的强度与塑性优势，有利于提高钨合金材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及钨合金制备技术领域，具体涉及一种多边形微结构钨合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
高密度钨合金作为一种结构材料，可用于制备穿甲弹弹芯、高压模具、陀螺仪转子等结构件，其强度、硬度和刚度是保证结构件正常、可靠运行的关键。但若钨合金组织中钨相与粘结相的排布方式无法充分发挥两种相的各自优势，则难以保证钨合金具有优异的综合性能。目前常用的粉末冶金方法是将原料粉末混合后进行成型和烧结，得到的典型的阵列钨相结构仍难以协调钨合金的综合力学性能。因此，寻找一种方法，优化钨相与粘结相的排布方式，对于提高其综合力学性能至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多边形微结构钨合金材料及其制备方法和应用，本发明提供的方法制备的钨合金材料中钨相与粘结相的排布方式合理，充分发挥钨相与粘结相各自的强度与塑性优势，所述钨合金材料的力学性能优异。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种多边形微结构钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将钨晶须与淀粉胶体混合后依次进行脱脂处理和烧结处理，得到钨骨架材料；
将所述钨骨架材料依次进行钴气熔渗处理和界面共格改性处理，得到多边形微结构钨合金材料。
优选地，所述钨晶须的平均直径为80～170nm，长径比为240～380：1。
优选地，所述淀粉胶体的浓度为20wt％。
优选地，所述钨晶须与淀粉胶体的质量比为89.7～92.6：7.3～10.3。
优选地，所述脱脂处理的温度为320～430℃，时间为2.2～3.6h；所述烧结处理的温度为1380～1510℃，时间为7～11h。
优选地，所述钴气熔渗处理采用的钴源为钴粉，所述钴粉的平均粒度为0.6μm；所述钴气熔渗处理的真空度为5.8×10-4Pa，瞬时感应电流为2600～4100A，熔渗时间为25～41s。
优选地，所述界面共格改性处理的温度为370～420℃，时间为3.5～4.5h。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多边形微结构钨合金材料。
优选地，所述多边形微结构钨合金材料的显微硬度≥4.8GPa，弹性模量≥35.4GPa，延伸率≥24.5％，断裂韧性≥33.7MPa·m1/2。
本发明提供了上述技术方案所述多边形微结构钨合金材料在穿甲弹弹芯、高压模具或陀螺仪转子中的应用。
本发明提供了一种多边形微结构钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：将钨晶须与淀粉胶体混合后依次进行脱脂处理和烧结处理，得到钨骨架材料；将所述钨骨架材料依次进行钴气熔渗处理和界面共格改性处理，得到多边形微结构钨合金材料。针对钨合金中钨相与粘结相难以充分发挥各自强度与塑性优势的问题，本发明通过在钨晶须中掺和淀粉胶体后进行脱脂处理、烧结处理、钴气熔渗处理和界面共格改性处理，从而优化钨相与粘结相的排布方式，充分发挥钨相与粘结相各自的强度与塑性优势，有利于提高钨合金材料的力学性能。具体的，本发明利用淀粉胶体的黏度和流动性调整钨晶须的排布方式和连接方式，经脱脂和烧结后形成结构合理、便于渗钴的空间网络构型；之后经钴气熔渗处理将钴蒸汽浸渗到钨骨架中，与液相熔渗工艺相比，解决了因表面张力产生的熔渗不均匀问题；最后通过界面共格改性处理能够降低界面能，有利于提高钨合金的韧性。此外，本发明提供的方法具有成分控制精度高、工艺稳定性好和重复性强的优势，可实现钨合金的性能优化，扩展其应用范围。实施例的结果显示，采用本发明提供的方法制备得到的钨合金材料具有多边形微结构，显微硬度≥4.8GPa，弹性模量≥35.4GPa，延伸率≥24.5％，断裂韧性≥33.7MPa·m1/2。
具体实施方式
本发明提供了一种多边形微结构钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将钨晶须与淀粉胶体混合后依次进行脱脂处理和烧结处理，得到钨骨架材料；
将所述钨骨架材料依次进行钴气熔渗处理和界面共格改性处理，得到多边形微结构钨合金材料。
在本发明中，若无特殊说明，所用原料以及设备均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将钨晶须与淀粉胶体混合后依次进行脱脂处理和烧结处理，得到钨骨架材料。在本发明中，所述钨晶须的平均直径优选为80～170nm，更优选为85～120nm；长径比优选为240～380：1，更优选为245～280：1。在本发明中，所述淀粉胶体优选由淀粉和水混合得到；所述淀粉胶体的浓度优选20wt％。在本发明中，所述钨晶须与淀粉胶体的质量比优选为89.7～92.6：7.3～10.3，更优选为90.3～92.0：8.0～10.0。本发明对钨晶须与淀粉胶体混合的方式不作特殊限定，能够实现均匀混合即可。本发明利用淀粉胶体的黏度和流动性调整钨晶须的排布方式和连接方式，经脱脂和烧结后形成钨骨架材料，其空间网络构型结构合理，经钴气熔渗处理和界面共格改性处理后，能够得到力学性能优异的钨合金材料。
在本发明中，所述脱脂处理的温度优选为320～430℃，更优选为330～370℃；时间优选为2.2～3.6h，更优选为2.5～3.2h；所述烧结处理的温度优选为1380～1510℃，更优选为1390～1410℃；时间优选为7～11h，更优选为8～10h。本发明优选自脱脂处理的温度升温至烧结处理的温度，升温速率优选为3～5℃/min。在本发明中，所述脱脂处理和烧结处理优选在真空脱脂烧结炉中进行；本发明优选将钨晶须与淀粉胶体的混合物装入内表面涂有六方氮化硼涂层的石墨坩埚中，然后置于真空脱脂烧结炉中进行脱脂处理和烧结处理。本发明将脱脂处理和烧结处理连续进行，有利于提高处理效率。
得到钨骨架材料后，本发明将所述钨骨架材料依次进行钴气熔渗处理和界面共格改性处理，得到多边形微结构钨合金材料。在本发明中，所述钴气熔渗处理采用的钴源为钴粉，所述钴粉的平均粒度优选为0.6μm；所述钴气熔渗处理的真空度优选为5.8×10-4Pa，瞬时感应电流优选为2600～4100A，更优选为2640～3900A；熔渗时间优选为25～41s，更优选为27～31s。在本发明中，所述钴气熔渗处理优选在高真空感应钴气浸渗装置中进行。本发明在高真空度条件下，将钴粉覆盖在钨骨架材料的表面，通过快速感应熔化法将钴粉加热到汽化状态，将钴蒸汽浸渗到钨骨架中，与液相熔渗工艺相比，解决了因表面张力产生的熔渗不均匀问题，有利于经后续界面共格改性处理获得力学性能优异的钨合金材料。
钴气熔渗处理完成后，本发明将所得渗钴材料进行界面共格改性处理；在本发明中，所述界面共格改性处理的温度优选为370～420℃，更优选为380～400℃；时间优选为3.5～4.5h，更优选为3.7～3.9h。在本发明中，所述界面共格改性处理优选在低温去应力炉中进行。本发明通过界面共格改性处理能够降低界面能，有利于提高钨合金的韧性。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多边形微结构钨合金材料。在本发明中，所述多边形微结构钨合金材料的显微硬度≥4.8GPa，弹性模量≥35.4GPa，延伸率≥24.5％，断裂韧性≥33.7MPa·m1/2。
本发明提供了上述技术方案所述多边形微结构钨合金材料在穿甲弹弹芯、高压模具或陀螺仪转子中的应用。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将淀粉与水混合，得到浓度为20wt％的淀粉胶体；将平均直径为80nm、长径比为240：1的钨晶须与所述淀粉胶体以质量比89.7：10.3混合均匀，装入内表面涂有六方氮化硼涂层的石墨坩埚，在真空脱脂烧结炉中于320℃条件下进行脱脂处理2.8h，之后以4℃/min速率升温至1380℃进行烧结处理7h，得到钨骨架材料；
(2)将所述钨骨架材料置于高真空感应钴气浸渗装置中，以平均粒度为0.6μm的钴粉为钴源，在真空度为5.8×10-4Pa、瞬时感应电流为2600A条件下进行钴气熔渗处理，熔渗时间为25s，得到渗钴材料；
(3)将所述渗钴材料置于低温去应力炉中，于370℃进行界面共格改性处理3.7h，得到多边形微结构钨合金材料。
实施例2～8
按照实施例1的方法制备多边形微结构钨合金材料，原料以及各步骤的操作参数如表1所示(表1中未列的操作条件或参数与实施例1相同)。
表1实施例1～8中原料以及各步骤的操作参数
对实施例1～8制备的多边形微结构钨合金材料的显微硬度、弹性模量、延伸率以及断裂韧性进行测定，结果见表2。
表2实施例1～8制备的多边形微结构钨合金材料的性能检测结果
本发明制备的钨合金材料具有多边形微结构，且由表2可知，所述钨合金材料的显微硬度≥4.8GPa，弹性模量≥35.4GPa，延伸率≥24.5％，断裂韧性≥33.7MPa·m1/2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多边形微结构钨合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钨晶须与淀粉胶体混合后依次进行脱脂处理和烧结处理，得到钨骨架材料；
将所述钨骨架材料依次进行钴气熔渗处理和界面共格改性处理，得到多边形微结构钨合金材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钨晶须的平均直径为80～170nm，长径比为240～380：1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述淀粉胶体的浓度为20wt％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钨晶须与淀粉胶体的质量比为89.7～92.6：7.3～10.3。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述脱脂处理的温度为320～430℃，时间为2.2～3.6h；所述烧结处理的温度为1380～1510℃，时间为7～11h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钴气熔渗处理采用的钴源为钴粉，所述钴粉的平均粒度为0.6μm；所述钴气熔渗处理的真空度为5.8×10-4Pa，瞬时感应电流为2600～4100A，熔渗时间为25～41s。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述界面共格改性处理的温度为370～420℃，时间为3.5～4.5h。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到的多边形微结构钨合金材料。
9.根据权利要求8所述的多边形微结构钨合金材料，其特征在于，所述多边形微结构钨合金材料的显微硬度≥4.8GPa，弹性模量≥35.4GPa，延伸率≥24.5％，断裂韧性≥33.7MPa·m1/2。
10.权利要求8或9所述多边形微结构钨合金材料在穿甲弹弹芯、高压模具或陀螺仪转子中的应用。
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