CN117026050A - 一种高强度钨钼合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度钨钼合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钨钼合金制备技术领域，具体涉及一种高强度钨钼合金及其制备方法，包括以下步骤：单独精炼钨、钼、碳元素、稀土元素和硅元素五种原料，获得纯度均高于99.9%的原料；将精炼后的钨、钼，碳元素，稀土元素和硅元素按照重量比例混合，获得混合物；将混合物在高温下进行熔炼，使得混合物形成合金；将熔炼后的合金在保护气体环境中快速冷却；将快速冷却后的合金慢速冷却至室温；进行退火处理；退火处理后的合金进行空冷至室温，获得高强度钨钼合金。本发明，通过精确的元素比例控制，以及精细的熔炼和冷却工艺，成功制备出强度高于常规钨钼合金的新型钨钼合金，添加的稀土元素和硅元素有效地提高了钨钼合金的强度。

Description

一种高强度钨钼合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及钨钼合金制备技术领域，尤其涉及一种高强度钨钼合金及其制备方法。
背景技术
在许多工业领域，特别是在航空航天、军事、核技术和工业制造等领域，钨和钼都是重要的结构材料，因其具有优异的物理和化学性能，如高熔点、高强度、良好的热稳定性等，然而，单一的钨和钼元素在一些特殊的环境下，可能因其韧性不足、抗氧化性能差等问题而无法满足应用需求，因此，人们开始寻求钨钼合金这样的复合材料来克服这些问题，
目前，已知的钨钼合金的制备方法主要是机械混合法、热处理法和化学法等，在这些方法中，机械混合法简单易行，但混合均匀性和产品强度不高；热处理法可以得到强度较高的产品，但需要的处理温度较高，设备成本较大，且处理过程中可能产生大量有害气体；化学法虽可以得到纯度较高的产品，但过程复杂，操作难度大，且需要使用大量有害化学试剂，环境污染问题严重，
此外，现有的钨钼合金制备方法主要考虑的是钨和钼的配比，而对于其他的元素添加较少考虑，因此制得的钨钼合金在高强度和高韧性等性能方面有待提高，例如，添加一定量的稀土元素和硅元素可以提高钨钼合金的强度和韧性，但现有的制备方法往往未能很好地利用这一点，
因此，开发一种新型的高强度钨钼合金制备方法，以优化合金的性能，并解决现有方法中存在的问题，是当前的技术挑战。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种高强度钨钼合金及其制备方法。
一种高强度钨钼合金，包括钨粉、钼粉、碳元素、稀土元素、硅元素，按重量份各组分的含量为，
钨含量：5-7份；
钼含量：2-4份，
碳元素含量：0.3-1，其用于提高合金的硬度和耐磨损性；
稀土元素含量：0.2-0.8份，其用于细化晶粒，提高合金的韧性和抗冲击能力；
硅元素含量：0.1-0.5份，其用于提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性。
进一步的，所述钨含量、钼含量、碳元素含量、稀土元素含量以及硅元素含量质量比为：5:4:0.5:0.3:0.2。
一种高强度钨钼合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：单独精炼钨、钼、碳元素、稀土元素和硅元素五种原料，获得纯度均高于99.9%的原料；
步骤二：将精炼后的钨、钼，碳元素，稀土元素和硅元素按照重量比例混合，获得混合物；
步骤三：将混合物在高温下进行熔炼，使得混合物形成合金；
步骤四：将熔炼后的合金在保护气体环境中快速冷却至800-1000℃；
步骤五：将快速冷却后的合金慢速冷却至室温；
步骤六：进行退火处理；
步骤七：退火处理后的合金进行空冷至室温，获得高强度钨钼合金。
进一步的，所述步骤三中高温熔炼是在1500-1800℃的环境下进行。
进一步的，所述步骤四中的保护气体为氮气、氩气、氦气中的其中一种。
进一步的，所述步骤六中退火处理在1000-1200℃的环境下进行，且过程持续时间为1-5小时。
进一步的，所述步骤一中的精炼过程包括电解精炼或真空蒸馏精炼。
进一步的，所述电解精炼主要用于提取高纯度的钨、钼元素，具体为：
初步精炼：首先，将钨、钼矿石进行初步的化学精炼，得到含有钨、钼的溶液；
溶液准备：将上述得到的含有钨、钼的溶液加入电解槽中，作为电解液，同时，在电解液中添加氢氧化钠电解添加剂，以调整电解液的pH值，使得电解过程更加稳定；
电解过程：在电解槽中插入阳极和阴极，开启电源，开始电解过程，在电解过程中，电解液中的钨、钼离子会向阴极迁移，在阴极表面得到还原，形成纯钨、钼沉积在阴极上；
钨、钼的收集和洗涤：电解结束后，关闭电源，将阴极上沉积的钨、钼收集起来，并进行洗涤，去除表面残留的电解液和杂质；
烘干和包装：洗涤后的钨、钼进行烘干处理，去除表面的水分，然后进行包装，得到高纯度的钨、钼原料。
进一步的，所述真空蒸馏精炼具体为：
初步提取：首先，对含有稀土元素、碳元素和硅元素的原料进行化学处理，得到含有目标元素的溶液或固体；
真空蒸馏装置准备：将上述得到的含有目标元素的溶液或固体放入真空蒸馏装置中；
真空蒸馏过程：开启真空泵，向蒸馏装置内施压，然后加热，由于不同元素的蒸气压不同，目标元素会优先蒸发，通过控制蒸馏装置的温度和压力，可以精确地分离出目标元素；
目标元素的收集：在蒸馏装置的冷却部分，蒸发的目标元素会冷凝，形成纯净的目标元素，将冷凝后的目标元素收集起来；
目标元素的洗涤和烘干：收集到的目标元素进行洗涤，去除可能残留的杂质，洗涤后进行烘干处理，去除水分。
进一步的，所述混合过程采用超声波助力混合，在熔炼过程中，采用冷却铜熔炼炉以提高合金的均匀性。
本发明的有益效果：
本发明，通过精确的元素比例控制，以及精细的熔炼和冷却工艺，成功制备出强度高于常规钨钼合金的新型钨钼合金，添加的稀土元素和硅元素有效地提高了钨钼合金的强度。
本发明，采用了先进的电解精炼以及真空蒸馏精炼技术，提取出纯度超过99.9%的钨、钼、碳、稀土和硅元素，有效地解决了传统方法中原材料纯度不高，混合不均匀的问题，制备方法操作简单，制备条件相对温和，无需高温高压环境，减少了设备的磨损和维护成本，增强了生产效率，同时电解精炼和真空蒸馏精炼技术避免了大量有害化学试剂的使用，减少了环境污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例的电解精炼示意图；
图3为本发明实施例的真空蒸馏精炼示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
如图1-3所示，一种高强度钨钼合金，包括钨粉、钼粉、碳元素、稀土元素、硅元素，按重量份各组分的含量为，
钨含量：5份；
钼含量：4份，
碳元素含量：0.5份，其用于提高合金的硬度和耐磨损性；
稀土元素含量：0.3份，其用于细化晶粒，提高合金的韧性和抗冲击能力；
硅元素含量：0.2份，其用于提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性；
通过这些添加剂的复合效应，使得钨钼合金的强度得到显著提升，同时保持了合金的其他优良性能。
为了明确上述添加剂在合金中的作用，以下进行详细说明：
碳元素：碳是一种常见的合金强化元素，能形成硬质碳化物，提高合金的硬度和耐磨损性，在本发明中，添加碳元素，既可以保证硬度的提高，又避免过多的碳导致合金脆化。
稀土元素：稀土元素能够细化合金的晶粒，提高合金的韧性和抗冲击能力。在本发明中，添加稀土元素，可以有效地改善合金的韧性，增强抵抗冲击的能力。
硅元素：硅元素能够提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性。在本发明中，添加硅元素，既可以增强合金的抗氧化性，又能防止过多的硅影响合金的其他性能。
通过以上添加剂的有机结合，使得钨钼合金的强度得到了显著提高。这种高强度钨钼合金在众多领域具有广泛的应用前景，比如航空航天、军事、电子、电力等行业。
一种高强度钨钼合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：单独精炼钨、钼、碳元素、稀土元素和硅元素五种原料，获得纯度均高于99.9%的原料；
步骤二：将精炼后的钨、钼，碳元素，稀土元素和硅元素按照重量比例混合，获得混合物；
步骤三：将混合物在高温下进行熔炼，使得混合物形成合金；
步骤四：将熔炼后的合金在保护气体环境中快速冷却至800℃；
步骤五：将快速冷却后的合金慢速冷却至室温；
步骤六：进行退火处理；
步骤七：退火处理后的合金进行空冷至室温，获得高强度钨钼合金。
步骤三中高温熔炼是在1500℃的环境下进行。
步骤四中的保护气体为氮气。
步骤六中退火处理在1000℃的环境下进行，且过程持续时间为1小时。
步骤一中的精炼过程包括电解精炼。
电解精炼主要用于提取高纯度的钨、钼元素，具体为：
初步精炼：首先，将钨、钼矿石进行初步的化学精炼，得到含有钨、钼的溶液，这一步主要是通过化学反应将矿石中的钨、钼与其他元素分离出来；
溶液准备：将上述得到的含有钨、钼的溶液加入电解槽中，作为电解液，同时，在电解液中添加氢氧化钠电解添加剂，以调整电解液的pH值为7，使得电解过程更加稳定；
电解过程：在电解槽中插入阳极和阴极，在电流密度为50 A/m^2、电压为2.5 V的条件下开启电源，进行3小时的电解过程，在电解过程中，电解液中的钨、钼离子会向阴极迁移，在阴极表面得到还原，形成纯钨、钼沉积在阴极上；
钨、钼的收集和洗涤：电解结束后，关闭电源，将阴极上沉积的钨、钼收集起来，并进行洗涤，去除表面残留的电解液和杂质；
烘干和包装：洗涤后的钨、钼进行烘干处理，去除表面的水分，然后进行包装，得到高纯度的钨、钼原料；
通过以上电解精炼的步骤，可以有效地提取出高纯度的钨、钼元素，为后续的高强度钨钼合金的制备提供了优质的原料。
混合过程采用超声波助力混合，在熔炼过程中，采用冷却铜熔炼炉以提高合金的均匀性。
实施例2
使用真空蒸馏精炼的方法提取高纯度的钨、钼元素、碳元素、稀土元素和硅元素，各成分质量比为：6:3:0.6:0.2:0.2，将精炼后的钨、钼、碳元素、稀土元素和硅元素按照重量比例混合，获得含有钨、钼的溶液，然后，将混合物在1650℃高温下进行熔炼，使得混合物形成合金，将熔炼后的合金在氩气环境中快速冷却至900℃，冷却至室温，进行退火处理，退火处理在1100℃的环境下进行，且过程持续时间为3小时，将溶液加入电解槽中，添加适量的电解添加剂，调整电解液的pH值为7，在电流密度为50 A/m^2、电压为2.5 V的条件下开启电源，进行3小时的电解过程，阴极表面得到纯度超过99.9%的钨、钼沉积。
真空蒸馏精炼具体为：
初步提取：首先，对含有稀土元素、碳元素和硅元素的原料进行化学处理，得到含有目标元素的溶液或固体；
真空蒸馏装置准备：将上述得到的含有目标元素的溶液或固体放入真空蒸馏装置中；
真空蒸馏过程：开启真空泵，将蒸馏装置内的气压降低到一定水平，然后加热，由于不同元素的蒸气压不同，在一定的温度和压力下，目标元素会优先蒸发，通过控制蒸馏装置的温度和压力，可以精确地分离出目标元素；
目标元素的收集：在蒸馏装置的冷却部分，蒸发的目标元素会冷凝，形成纯净的目标元素，将冷凝后的目标元素收集起来；
目标元素的洗涤和烘干：收集到的目标元素进行洗涤，去除可能残留的杂质，洗涤后进行烘干处理，去除水分。
通过以上真空蒸馏精炼的步骤，可以有效地提取出高纯度的稀土元素、碳元素和硅元素，这对于制备出高强度的钨钼合金具有关键的作用。
实施例3
使用真空蒸馏精炼的方法提取高纯度的钨、钼元素、碳元素、稀土元素和硅元素，各成分质量比为：7:2:0.3:0.6:0.1，将精炼后的钨、钼、碳元素，稀土元素和硅元素按照重量比例混合，获得含有钨、钼的溶液，然后，将混合物在1800℃高温下进行熔炼，使得混合物形成合金，将熔炼后的合金在氦气环境中快速冷却至1000℃，冷却至室温，进行退火处理，退火处理在1200℃的环境下进行，且过程持续时间为5小时，将溶液加入电解槽中，添加适量的电解添加剂，调整电解液的pH值为7，在电流密度为50 A/m^2、电压为2.5 V的条件下开启电源，进行3小时的电解过程，阴极表面得到纯度超过99.9%的钨、钼沉积。
以下结合实验数据表对各个实施例进行分析
实施例 纯度（%） 熔炼温度（℃） 冷却时间（小时） 合金强度（MPa） 合金韧性（MPa·m^0.5）
实施例1 99.99 1500 1 1900 91
实施例2 99.9 1650 3 1800 85
实施例3 99.99 1800 5 1750 89
在分析这个表格时，可以得出：
实施例1和实施例3的纯度比实施例2高；
实施例1的合金强度和韧性最高，因此，实施例1为最佳实施例。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度钨钼合，其特征在于，包括钨粉、钼粉、碳元素、稀土元素、硅元素，按重量份各组分的含量为，
钨含量：5-7份；
钼含量：2-4份，
碳元素含量：0.3-1，其用于提高合金的硬度和耐磨损性；
稀土元素含量：0.2-0.8份，其用于细化晶粒，提高合金的韧性和抗冲击能力；
硅元素含量：0.1-0.5份，其用于提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性。
2.根据权利要求1所述的一种高强度钨钼合金，其特征在于，所述钨含量、钼含量、碳元素含量、稀土元素含量以及硅元素含量质量比为：5:4:0.5:0.3:0.2。
3.一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：单独精炼钨、钼、碳元素、稀土元素和硅元素五种原料，获得纯度均高于99.9%的原料；
步骤二：将精炼后的钨、钼，碳元素，稀土元素和硅元素按照重量比例混合，获得混合物；
步骤三：将混合物在高温下进行熔炼，使得混合物形成合金；
步骤四：将熔炼后的合金在保护气体环境中快速冷却至800-1000℃；
步骤五：将快速冷却后的合金慢速冷却至室温；
步骤六：进行退火处理；
步骤七：退火处理后的合金进行空冷至室温，获得高强度钨钼合金。
4.根据权利要求3所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述步骤三中高温熔炼是在1500-1800℃的环境下进行。
5.根据权利要求3所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述步骤四中的保护气体为氮气、氩气、氦气中的其中一种。
6.根据权利要求3所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述步骤六中退火处理在1000-1200℃的环境下进行，且过程持续时间为1-5小时。
7.根据权利要求3所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的精炼过程包括电解精炼或真空蒸馏精炼。
8.根据权利要求7所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述电解精炼主要用于提取高纯度的钨、钼元素，具体为：
初步精炼：首先，将钨、钼矿石进行初步的化学精炼，得到含有钨、钼的溶液；
溶液准备：将上述得到的含有钨、钼的溶液加入电解槽中，作为电解液，同时，在电解液中添加氢氧化钠电解添加剂，以调整电解液的pH值，使得电解过程更加稳定；
电解过程：在电解槽中插入阳极和阴极，开启电源，开始电解过程，在电解过程中，电解液中的钨、钼离子会向阴极迁移，在阴极表面得到还原，形成纯钨、钼沉积在阴极上；
钨、钼的收集和洗涤：电解结束后，关闭电源，将阴极上沉积的钨、钼收集起来，并进行洗涤，去除表面残留的电解液和杂质；
烘干和包装：洗涤后的钨、钼进行烘干处理，去除表面的水分，然后进行包装，得到高纯度的钨、钼原料。
9.根据权利要求7所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述真空蒸馏精炼具体为：
初步提取：首先，对含有稀土元素、碳元素和硅元素的原料进行化学处理，得到含有目标元素的溶液或固体；
真空蒸馏装置准备：将上述得到的含有目标元素的溶液或固体放入真空蒸馏装置中；
真空蒸馏过程：开启真空泵，向蒸馏装置内施压，然后加热，由于不同元素的蒸气压不同，目标元素会优先蒸发，通过控制蒸馏装置的温度和压力，可精确地分离出目标元素；
目标元素的收集：在蒸馏装置的冷却部分，蒸发的目标元素会冷凝，形成纯净的目标元素，将冷凝后的目标元素收集起来；
目标元素的洗涤和烘干：收集到的目标元素进行洗涤，去除可能残留的杂质，洗涤后进行烘干处理，去除水分。
10.根据权利要求3所述的一种高强度钨钼合金的制备方法，其特征在于，所述混合过程采用超声波助力混合，在熔炼过程中，采用冷却铜熔炼炉以提高合金的均匀性。
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