CN115625337A - 一种新型钨合金复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型钨合金复合材料，包括芯部和外套部，外套部包裹在芯部上，芯部由纯钨粉制作而成，外套部由钴粉、铁粉、镍粉及钨粉按照比例混合组成合金材料，合金材料中，钨粉的质量分数为89%‑95%，镍粉的质量分数为1%‑10%，铁粉的质量分数为0%‑5%、钴粉的质量分数为0%‑5%。新型钨合金复合材料的制备方法包括以下步骤：将钴粉、铁粉、镍粉及钨粉通过混粉工艺制作合金粉末；将合金粉末压制成管状的外套部；向外套部内注入纯钨粉，并压制纯钨粉后形成棒材；将棒材通过烧结工艺进行烧结；热处理烧结后的棒材；将热处理后的棒材进行机械性能测试。本发明通过粉末装填的方式形成复合结构，烧结完成后的材料在性能上能够保持较好的水平，在自锐方面具有可行性。
Description
技术领域
本发明涉及钨合金技术领域，特别涉及一种新型钨合金复合材料及制备方法。
背景技术
钨基高比重合金是以钨为基体，通过添加少量的镍、铁、钴、铜等元素作为粘结相，组合形成的一种性能优异的材料，可具备有磁及无磁等特点、密度可达18.8g/cm3。为了能更好的具备相应的力学性能及多用途，多数学者通过在钨合金中添加相关的金属间化合物以获得易碎性能，效果还有待进一步提升。目前存在的问题是纯粹钨合金材料具备蘑菇头效应，蘑菇头带来的效果相较于传统的材料是不具备优势的性能特点，为了提升钨合金的芯部脆性的同时，保证其具备好的韧性效果，通过研究纯钨粉的脆性大且熔点高等特点，将纯钨粉作为芯部材料，同时周围用高强韧的钨合金材料保证出堂速度的要求。
目前国内外对于钨基高比重合金生产主要是通过粉末冶金方法进行。其中粉末制备研究主要涉及有喷雾干燥法、冷凝干燥、化学气相沉积、溶胶凝胶以及机械合金方法，目前广泛粉末制备方法主要集中在机械合金方法。
成型工艺目前主要集中在注射成型、等静压成型和模压成型，不同的成型工艺涉及不同产品，精密零件一般采用注射成型，大尺寸规格产品主要涉及等静及模压成型。
烧结工艺，现阶段国内外涉及生产主要分为两步烧结，两步烧结能够解决产品因液相烧结带来的坍塌变形，同时保证产品致密度达到一定要求。另外涉及到烧结主要有微波烧结、放电等离子烧结，目前作为生产主要还是两步还原气氛烧结。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型钨合金复合材料及制备方法。本发明的目的在于针对现有钨基高比重合金其材料复合方式的改变，对于传统的钨基高比重合金采用冷等静压成型，材料组分为钨镍铁钴粉末压制，在装粉后，对棒料的芯部采用纯钨粉装填，装填完毕后进行冷等静压成型。形成芯部为纯钨粉，圆周为钨基高比重合金粉。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种新型钨合金复合材料，包括芯部和外套部，所述外套部包裹在所述芯部上，所述芯部由纯钨粉制作而成，所述外套部由钴粉、铁粉、镍粉及钨粉按照比例混合组成合金材料。
进一步地，所述合金材料中，所述钨粉的质量分数为89%-95%，所述镍粉的质量分数为1%-10%，所述铁粉的质量分数为0%-5%、所述钴粉的质量分数为0%-5%。
一种新型钨合金复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：准备钴粉、铁粉、镍粉及钨粉；
S2：将所述钴粉、所述铁粉、所述镍粉及所述钨粉通过混粉工艺制作合金粉末；
S3：装填外套部所需的所述合金粉，然后进行振实，再利用纯钨粉填充所述外套部内的芯部，最后进行压实成基材；
S4：将所述基材压制成棒材；
S5：将所述棒材通过烧结工艺进行烧结；
S6：热处理烧结后的所述棒材；
S7：将热处理后的所述棒材进行机械性能测试。
进一步地，所述S2步骤中，所述混粉工艺中采用酒精进行湿混，并添加球磨子进行混料，球磨时间为10 h -24h。
进一步地，所述球磨子与所述金粉末的比为3：1。
进一步地，所述S3步骤中，所述基材成型过程中在成型模具中进行。
进一步地，所述S4步骤中，所述棒材采用冷等静压成型，成型压力设定为160 MPa-180MPa，压制成型的外套部外直径为10mm-30mm，长度为10mm-800mm，内直径为1mm-6mm。
进一步地，所述S5步骤中，所述烧结工艺采用两步烧结工艺，第一步烧结，第一温区为300℃-900℃，第二温区为800℃-1000℃，第三温区为1200℃-1400℃，保温时间为45min-140min；第二步烧结，第一温区为500℃-900℃，第二温区为900℃-1100℃，第三温区为1200℃-1400℃，保温时间为45min-140min；
其中，烧结设备为连续推舟设备，设备内部采用氢气保护气体，每台设备为3温区。
进一步地，所述S6步骤中，所述热处理采用真空油淬的热处理方式，其加热温度为900℃-1200℃，保温时间为40min-120min。
进一步地，所述S7步骤中，所述机械性能测试包括抗拉强度、延伸率、冲击韧性及密度测试。
本发明的有益效果是：
1）本发明通过粉末装填的方式形成复合结构，烧结完成后的材料在性能上能够保持较好的水平，在自锐方面具有可行性。
2）针对粉末冶金材料，从结构方面出发，制备两相复合材料，保证材料的性能的同时，提升整体弹芯的密度。
附图说明
图1为新型钨合金复合材料的结构图；
图2为压制模具的连接结构图；
图3为支撑钢圈的结构图；
图中，1-芯部，2-外套部，3-胶套，4-芯杆，5-钢芯底座，6-支撑钢圈。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。
参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：
一种新型钨合金复合材料，包括芯部1和外套部2，外套部2包裹在芯部1上，芯部1由纯钨粉制作而成，外套部2由钴粉、铁粉、镍粉及钨粉按照比例混合组成合金材料。合金材料中，钨粉的质量分数为89%-95%，镍粉的质量分数为1%-10%，铁粉的质量分数为0%-5%、钴粉的质量分数为0%-5%。在本技术方案中，新型钨合金复合材料为棒状材料，芯部1和外套部2同轴设置。
一种新型钨合金复合材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：
（1）准备钴粉、铁粉、镍粉及钨粉。
（2）将钴粉、铁粉、镍粉及钨粉通过混粉工艺制作合金粉末。混粉工艺中采用酒精进行湿混，并添加球磨子进行混料，球磨时间为10 h -24h。球磨子与金粉末的比为3：1。
（3）装填外套部所需的所述合金粉，然后进行振实，再利用纯钨粉填充所述外套部内的芯部，最后进行压实成基材。基材成型过程中在成型模具中进行。成型模具包括限位钢套、胶套3、芯杆4、钢芯底座5和支撑钢圈6，胶套3贴合在限位钢套的内壁上，胶套3内部下端密封设置有钢芯底座5，钢芯底座5上设置有芯杆4，芯杆4和限位钢套的截面均为圆形且同轴设置，胶套3的内壁上端配合设置有支撑钢圈6，支撑钢圈6与芯杆4的上端接触。在新型钨合金复合材料制作过程中，外套部2的外径胶套3的内径相同，芯部1的外径与芯杆4的外径相同。
压制过程的重点主要在于装粉，其中装粉需要运用到合适的胶套3以及合适的芯杆4，胶套3内部放置有钢芯底座5和芯杆4制备的工装，同时将支撑钢圈6扣至于芯杆4的上方，将上部胶套3的开口处进行支撑。配方粉末将从支撑钢圈6的空位处填装，将填装的粉末进行振实，配方粉末填装至胶套3的开口处，完成后，将支撑钢圈6和芯杆4取出，此时，将会在中心位置形成一个孔洞，在孔洞内部进行填装纯钨粉末，压实。完成后，胶套3至于钢套内放置于等静压设备中进行压制。
（4）将所述基材压制成棒材。基材采用冷等静压成型，成型压力设定为160 MPa -180MPa，压制成型的外套部2外直径为10mm-30mm，长度为10mm-800mm，内直径为1mm-6mm。
（5）将棒材通过烧结工艺进行烧结。烧结工艺采用两步烧结工艺，第一步烧结，第一温区为300℃-900℃，第二温区为800℃-1000℃，第三温区为1200℃-1400℃，保温时间为45min-140min；第二步烧结，第一温区为500℃-900℃，第二温区为900℃-1100℃，第三温区为1200℃-1400℃，保温时间为45min-140min；其中，烧结设备为连续推舟设备，设备内部采用氢气保护气体，每台设备为3温区。
（6）热处理烧结后的棒材。热处理采用真空油淬的热处理方式，其加热温度为900℃-1200℃，保温时间为40min-120min。
（7）将热处理后的棒材进行机械性能测试。机械性能测试包括抗拉强度、延伸率、冲击韧性及密度等测试。
实施例1
步骤一，制备粉末采用钨粉、镍粉、铁粉、钴粉等，其中钨粉质量分数为89%，镍粉为7.7%，铁粉质量分数为3.3%。
步骤二，将混合好的粉末进行胶套装填，装填直径为25mm，高度为300mm，装填完成后，将芯部1做孔，直径为5mm，高度300mm，填装纯钨粉后，冷等静压压制，压制工艺采用160MPa，保压60S进行压制成型，压制成型的棒材的高度为245mm，直径为21.5mm。
步骤三，将压制完成的棒材放置于连续推舟炉内进行埋沙烧结，烧结工艺第一步为第一温区为300℃，第二温区为800℃，第三温区为1400℃，保温时间为65min，第二步烧结工艺为第一温区为500℃，第二温区为1100℃，第三温区为1500℃，保温时间为65min
步骤四，将烧结完成的棒材进行淬火热处理，其中热处理工艺1000℃-40min保温。
步骤五，将热处理完成的棒材加工成测试需要的样棒进行测试。
实施例2
步骤一，制备粉末采用钨粉、镍粉、铁粉、钴粉等，其中钨粉质量分数为92%，镍粉质量分数为6.4%，铁粉质量分数为0.4%，钴粉质量分数为1.2%。
步骤二，将混合好的粉末进行胶套装填，装填直径为15mm，高度为200mm，装填完成后，将芯部1做孔，直径为4mm，高度200mm，填装纯钨粉后，冷等静压压制，压制工艺采用160MPa，保压40S进行压制成型，压制成型的棒材的高度为175mm，直径为12.8mm。
步骤三，将压制完成的棒材放置于连续推舟炉内进行埋沙烧结，烧结工艺第一步为第一温区为500℃，第二温区为900℃，第三温区为1350℃，保温时间为120min，第二步烧结工艺为第一温区为600℃，第二温区为1000℃，第三温区为1480℃，保温时间为60min
步骤四，将烧结完成的棒材进行淬火热处理，其中热处理工艺1100℃-50min保温。
步骤五，将热处理完成的棒材加工成测试需要的样棒进行测试。
实施例3
步骤一，制备粉末采用钨粉、镍粉、铁粉、钴粉等，其中钨粉质量分数为93%，镍粉质量分数为4.4%，铁粉质量分数为0.6%，钴粉质量分数为2%。
步骤二，将混合好的粉末进行胶套装填，装填直径为20mm，高度为200mm，装填完成后，将芯部1做孔，直径为4mm，高度200mm，填装纯钨粉后，冷等静压压制，压制工艺采用180MPa，保压40S进行压制成型，压制成型的棒材的高度为175mm，直径为16.8mm。
步骤三，将压制完成的棒材放置于连续推舟炉内进行埋沙烧结，烧结工艺第一步为第一温区为800℃，第二温区为1000℃，第三温区为1350℃，保温时间为120min，第二步烧结工艺为第一温区为800℃，第二温区为1000℃，第三温区为1500℃，保温时间为60min
步骤四，将烧结完成的棒材进行淬火热处理，其中热处理工艺1100℃-50min保温。
步骤五，将热处理完成的棒材加工成测试需要的样棒进行测试。
实施例4
步骤一，制备粉末采用钨粉、镍粉、铁粉、钴粉等，其中钨粉质量分数为95%，镍粉为3.2%，铁粉质量分数为1.8%。
步骤二，将混合好的粉末进行胶套装填，装填直径为20mm，高度为200mm，装填完成后，将芯部1做孔，直径为4mm，高度200mm，填装纯钨粉后，冷等静压压制，压制工艺采用180MPa，保压40S进行压制成型，压制成型的棒材的高度为175mm，直径为16.8mm。
步骤三，将压制完成的棒材放置于连续推舟炉内进行埋沙烧结，烧结工艺第一步为第一温区为800℃，第二温区为1000℃，第三温区为1350℃，保温时间为120min，第二步烧结工艺为第一温区为800℃，第二温区为1000℃，第三温区为1500℃，保温时间为60min
步骤四，将烧结完成的棒材进行淬火热处理，其中热处理工艺1100℃-50min保温。
步骤五，将热处理完成的棒材加工成测试需要的样棒进行测试。
棒材机械测试表
| 实例 | 抗拉强度/MPa | 延伸率/% | 密度/g/cm<sup>3</sup> |
| 1 | 935 | 12.1 | 17.11 |
| 1 | 954 | 15.2 | 17.05 |
| 2 | 1010 | 12.5 | 17.56 |
| 2 | 1002 | 13.6 | 17.54 |
| 3 | 1020 | 13.2 | 17.66 |
| 3 | 1028 | 13.8 | 17.7 |
| 4 | 901 | 9.2 | 18.13 |
| 4 | 910 | 8.5 | 18.15 |
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型钨合金复合材料，其特征在于：包括芯部和外套部，所述外套部包裹在所述芯部上，所述芯部由纯钨粉制作而成，所述外套部由钴粉、铁粉、镍粉及钨粉按照比例混合组成合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种新型钨合金复合材料，其特征在于：所述合金材料中，所述钨粉的质量分数为89%-95%，所述镍粉的质量分数为1%-10%，所述铁粉的质量分数为0%-5%、所述钴粉的质量分数为0%-5%。
3.一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1：准备钴粉、铁粉、镍粉及钨粉；
S2：将所述钴粉、所述铁粉、所述镍粉及所述钨粉通过混粉工艺制作合金粉末；
S3：装填外套部所需的所述合金粉，然后进行振实，再利用纯钨粉填充所述外套部内的芯部，最后进行压实成基材；
S4：将所述基材压制成棒材；
S5：将所述棒材通过烧结工艺进行烧结；
S6：热处理烧结后的所述棒材；
S7：将热处理后的所述棒材进行机械性能测试。
4.根据权利要求3所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述S2步骤中，所述混粉工艺中采用酒精进行湿混，并添加球磨子进行混料，球磨时间为10 h -24h。
5.根据权利要求4所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述球磨子与所述金粉末的比为3：1。
6.根据权利要求3所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述S3步骤中，所述基材成型过程中在成型模具中进行。
7.根据权利要求3所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述S4步骤中，所述棒材采用冷等静压成型，成型压力设定为160 MPa -180MPa，压制成型的外套部外直径为10mm-30mm，长度为10mm-800mm，内直径为1mm-6mm。
8.根据权利要求3所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述S5步骤中，所述烧结工艺采用两步烧结工艺，第一步烧结，第一温区为300℃-900℃，第二温区为800℃-1000℃，第三温区为1200℃-1400℃，保温时间为45min-140min；第二步烧结，第一温区为500℃-900℃，第二温区为900℃-1100℃，第三温区为1200℃-1400℃，保温时间为45min-140min；
其中，烧结设备为连续推舟设备，设备内部采用氢气保护气体，每台设备为3温区。
9.根据权利要求3所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述S6步骤中，所述热处理采用真空油淬的热处理方式，其加热温度为900℃-1200℃，保温时间为40min-120min。
10.根据权利要求3所述的一种新型钨合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述S7步骤中，所述机械性能测试包括抗拉强度、延伸率、冲击韧性及密度测试。
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| CN116411197A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-07-11 | 中国核动力研究设计院 | 一种钨合金辐射屏蔽材料及其制备方法和应用 |
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-
2022
- 2022-12-06 CN CN202211554899.2A patent/CN115625337B/zh active Active
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| CN116411197B (zh) * | 2023-04-13 | 2024-03-19 | 中国核动力研究设计院 | 一种钨合金辐射屏蔽材料及其制备方法和应用 |
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