鎢基高密度合金熱處理力學性能的研究

姚蘭 常哲

摘要：鎢基高密度合金因具有高密度和優異的力學性能而得到了廣泛的應用。本文采用掃描電鏡、室溫拉伸和室溫沖擊等手段，系統地研究了熱處理對鎢基高密度合金力學性能的影響。鎢基高密度合金熱處理實驗證實，真空退火、固溶淬火對鎢基高密度合金力學性能有顯著的影響。真空退火能有效地提高合金的力學性能，這是由于真空退火能減少氫氣燒結態合金中的氫脆，并且使鎳和鐵在鎢中的擴散層增厚，界面結合力提高，從而提高了界面結合強度，合金力學性能顯著提高。

關鍵詞：高密度合金熱處理性能

1 緒論

高密度鎢合金是一類以鎢為基，并添加有Ni、Fe、Mn、Co等元素的合金，其密度高達16.5～19.0g/cm3。高密度鎢合金不僅密度大，而且還具有一系列優異的性能，例如強度高、硬度高、延性好、機械加工性能好、熱膨脹系數小、導熱系數大、抗氧化和抗腐蝕性能好、可焊性好等。這些優異的性能使其在尖端科技領域、軍事和民用工業中得到了廣泛的應用。

2 鎢基高密度合金的研究現狀

鎢基高密度合金是由基體相和粘接相形成的兩相組織合金。鎢合金必須具有一個良好的微觀組織才可以提高其韌性和強度，我們主要通過熱處理來構建其圍觀組織。現階段，國內常用的熱處理技術包括循環熱處理、固溶淬火熱處理、化學熱處理、氬氣氣氛熱處理、形變熱處理和真空熱處理等。

3 實驗方法

3.1 合金原料

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3.2 鎢基高密度合金的制備

制備鎢基高密度合金，其制備工藝過程如下所述：

①合金成分設計及配料：參照各項研究內容科學設計合金成分。

②混料：以設定的合金成分的化學配比，采用鎢粉、鎳粉、鐵粉進行配比后，在鋼質V型混料機中進行混料，混料用球為硬質合金球，球料比為1：1，球磨時間為8小時。

③捏合：將混好的料放入捏合機，捏合溫度為100-

120℃，捏合時間為30分鐘。

④降溫過篩：將捏合完的料置于溫度為25℃的空調房內，溫度達到室溫后，過40目篩。

⑤成形：本實驗采用普通模壓成形，壓制方式為單向陰模浮動壓制。

⑥脫脂：脫脂在氮氣罩式脫脂爐內進行。

⑦氫氣燒結：對照實驗內容采用相應的燒結工藝。

⑧熱處理：分別做真空退火和固溶淬火處理，具體熱處理工藝將在以后各章節中詳細闡述。

⑨監測、分析。

4 性能檢測

4.1 抗拉強度檢測

在LJ-3000A型機械式拉力試驗機上進行抗拉強度測試，拉伸速率為1mm/min，相應的應變速率為1.1×10-3

s-1。抗拉強度σb為σb=■ （4-1）

式中：F為斷裂載荷，S為試樣截面積。

4.2 伸長率檢測

借助抗拉試樣進行合金延性測試，其室溫伸長率σ為σ=■×100%（4-2）

式中：l為試樣斷后長度，l■為試樣斷前長度。

4.3 沖擊韌性檢測

在擺錘式沖擊實驗機上借助10×10×55無缺口試樣進行沖擊性能測試。沖擊韌性αk=■（4-3）

式中：A■為沖擊功，SN為試樣截面積。

5 熱處理對W-Ni-Fe系合金力學性能的影響

5.1 真空退火對W-Ni-Fe系合金力學性能的影響

5.1.1 實驗方案

在實驗中，以鐵粉、鎳粉和鎢粉為原料，參照表5-1的成分配比來制備合金；通過常規氫氣燒結法燒制W-Ni-

Fe系燒結態合金，制作好后將燒結態合金進行真空退火。真空退火時升溫速率為5℃/min，并于1200℃保溫2小時后爐冷，真空度為0.01Pa。

5.1.2 實驗結果：真空退火態合金力學性能

由表5-1所示實驗結果可以看出，經真空退火后合金的抗拉強度、伸長率得到顯著提高，沖擊韌性無明顯變化。

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5.2 固溶淬火對W-Ni-Fe系合金力學性能的影響

5.2.1 實驗方案

制備合金的原料同上，成分配比參見表5-2。同樣先通過常規氫氣燒結法燒制W-Ni-Fe系燒結態合金，再將燒結態合金進行固溶淬火。固溶淬火實驗是在1200℃充滿氬氣的溫度環境中保溫2h再水淬。

5.2.2 實驗結果：固溶淬火態合金力學性能

表5-3為固溶淬火態合金的力學性能測量結果。分析表中內容得知，合金Ni/Fe比無論設定為7/3還是9/1，固溶淬都能大幅提高其沖擊韌性與合金力學性能，但是從性能的優越性方面來比較，Ni/Fe比設定為9/1的合金的性能明顯優于7/3的合金。

6 結論

①真空退火消除了合金中的氫脆現象，粘結相在鎢中的擴散層厚度增加，使界面結合強度大幅提高，因而真空退火有助于改善合金性能。

②合金中鎢-鎢界面處在固溶淬火后呈現出另一種成分類似于基體的新相——韌性相，使界面結合強度及合金力性能大幅提高。

③經固溶淬火后，Ni/Fe比為7/3和9/1的合金強度和韌性大大提高，但Ni/Fe比為9/1時合金的力學性能明顯優于Ni/Fe比為7/3的合金的力學性能。

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