高密度鎢合金在工業化批量生產中常見問題研究

王帥

摘 要：高密度鎢合金在航空航天、武器裝備和民用工業中被廣泛應用，其在工業化批量生產過程中，會出現各種各樣質量問題，本文對高密度鎢合金的常見問題進行匯總并詳細分析了產生原因和機理，為今后其他人員分析類似問題提供參考。

關鍵詞：高密度鎢合金;工業化;批量生產;質量問題;

Abstract：High-density tungsten alloys in aerospace， military equipment and is widely used in civilian industry， its in the process of industrialized mass production， will appear all sorts of quality problems， in this paper， the common problems of high-density tungsten alloy summary and detailed analysis of the causes and mechanism， as to provide reference for other researchers analyzed.

Key words：High density tungsten alloy; Industrialization; Mass production; Quality issues;

高密度鎢合金是一種以鎢為基體，加入鎳、鐵、銅、鈷、錳等合金元素組成的合金，形成鎢顆粒和粘結相復合結構。高密度鎢合金的燒結過程采用的是液相燒結，正是由于采用粉末冶金這一特有的工藝，使其具有熔點高、密度大、熱膨脹系數低、射線吸收能力好等一系列優異的性能，因此，被廣泛應用于航空航天、常規武器彈藥和民用工業等尖端領域[1]。

工業化大批量生產高密度鎢合金工藝流程通常為：制備或采購原材料粉末并按照預先設計的配比進行稱料，稱好的各種粉料裝入混料機內按照設定好的混合方式和時間進行混合，為便于后續成型工序精準成型和脫模，通常在混料時加入一定比例的成型劑。在成型工序后再設置一脫脂工序，將混料時加入成型劑脫去，通常采用溶劑脫脂或熱脫脂工藝。將脫脂完成的毛坯產品放入氫氣燒結爐或真空燒結爐內進行液相燒結，使其接近完全致密。將燒結完成的產品進行精整處理或直接按照成品圖機加工處理，最終獲得成品。

高密度鎢合金生產過程由于具有材料利用率高、加工流程短、生產效率高等優勢，近十年來企業數量迅速攀升，許多之前只生產硬質合金的企業紛紛加入高密度鎢合金的制造行列之中。在伴隨著高密度鎢合金行業產量猛增的同時，生產加工過程中的問題也逐漸暴露出來，本文以結果為導向，對高密度鎢合金在工業化大批量生產過程中的常見問題進行分析和研究，為同行業制造者在分析相同或類似問題時提供參考，以便問題及時解決。

1.高密度鎢合金成品密度超差

密度值是高密度鎢合金的主要物理性能指標，其特性主要是在燒結過程中形成。在工業化批量生產過程中，密度超差出現偏高或偏低現象均較為常見。密度超差可能原因有以下幾點：一是配料人員直接將配方計算錯誤;二是稱料人員秤錯原料粉，將某種元素金屬粉多稱或少稱。三是混料人員在往混料機內倒灌原料粉時不小心將某種元素金屬粉撒漏，造成該元素金屬粉缺失。四是當高密度鎢合金采用真空燒結工藝時，由于爐體內真空度過高，造成粘結相金屬在液相時蒸發過量，導致成品密度偏高。五是高密度鎢合金環體在燒結過程中，為避免環體與裝載物鉬舟發生粘連，會在鉬舟底層撒上一層白剛玉砂作為隔絕物，當環體中間部位白鋼玉砂數量過多時，環體在高溫液相時會產生收縮，此時由于砂子堆積阻力過大，造成環體不收縮，最終高密度鎢合金環密度偏低。六是當燒結爐溫度過低時，粘結相鎳、鐵、鈷等金屬在高溫時液相不充分，導致高密度鎢合金處于欠燒狀態，未能完全收縮，致使最終產品密度偏低。

在工業化量產過程中，如想避免以上問題，可以從以下幾方面采取控制措施：一是在配方計算時有其他人員符合校核確認;二操作人員在稱料和灌裝粉料時全程有檢驗人員監督，以防出現差錯。三是當采用真空燒結時，應合理設置爐內真空度和燒結溫度，在保證爐內產品不發生氧化時盡可能降低真空度。四是擺舟過程中嚴格控制白剛玉砂數量，并應盡量采用較平整的鉬舟，防止產品在液相時發生塌陷變形。

2.高密度鎢合金成品外觀缺陷

高密度鎢合金在燒結完成后，通常需要進行一定的機械加工才能達到客戶要求尺寸精度。通常高密度鎢合金環體需要對兩個斷面和內外圓進行車削或磨削，在工業化生產時，批量加工后的環體往往有的存在缺肉、局部加工不到等問題，主要原因有幾個方面。一是環體在設計過程中預留的加工余量較小，產品在燒結過程中會由于爐溫均勻性差異造成環體厚度不一，高度或壁厚尺寸較小的地方加工余量不夠，后續機加工不到的地方則存在黑皮等缺陷。二是壓制過程中原料粉在環體圓周方向落料不均，造成不同部位粉體致密性不一，在燒結完成時環體高度差會較大，尺寸小的部位則同樣存在缺陷。三是毛坯件在完成壓制后其強度較低，在周轉過程中，若操作人員不輕拿輕放，產品則很容易出現掉碴或缺肉現象，在燒結前如不能被挑選出，環體在機加工后則很可能存在缺陷。

在產品設計和制造過程中可以采取以下幾個方面避免以上問題：一是在產品科研試制階段，應設置若干個余量方案，挑選出成品質量合格的方案，并進行小批量試制，并計算產品得材率和合格率等指標，最后綜合分析確定產品余量。二是在毛坯件壓制成型過程中，確認壓機料倉落料周向一致性，當批產過程出現波動時及時調整。三是在產品周轉過程中，經常對操作人員進行培訓，增強其質量意思，嚴格控制其在產品周轉時按標準作業指導書操作。

在大批量生產高密度鎢合金球體過程中，成品中同樣有產品出現“月牙形”缺肉等缺陷，這種現象在鎢合金牌號相對較低的球體中尤為明顯。產生缺肉現象的主要原因是球體在燒結過程中變形嚴重所致。我們可以采取兩步燒結法或增加壓制毛坯余量來減少缺陷數量。

3.高密度鎢合金成品力學性能偏低

在高密度鎢合金成品性能檢測過程中，經常發現個別鎢合金產品抗拉強度或壓潰性能偏低等情況。高密度鎢合金力學性能特性主要在燒結工序形成，燒結過程中的溫度和保溫時間對合金性能起決定性作用。高密度鎢合金是由軟的粘結相和硬質鎢顆粒組成，燒結態的高密度鎢合金中鎢晶粒呈球形狀并均勻分布在粘結相中[2]。成品力學性能偏低可能有以下幾個方面影響。一是燒結溫度偏高或偏低，保溫時間過長或過短，都會造成產品欠燒或過燒，使產品微觀組織結構形成較差，出現鎢顆粒長大或液相不充分等情況。二是在燒結過程中，產品中含有雜質元素含量超標，在燒結過程中雜質會影響粘結相對鎢顆粒的潤濕性或在冷卻過程中，雜質析出于晶界處，在后續力學性能測試時，在缺陷處則容易形成裂紋導致產品力學性能偏低。給高密度鎢合金中帶入雜質的可能性有以下幾點：一是原材料粉體本身雜質元素含量超標;二是操作人員在混料或壓制成型過程中由于環境衛生或遺漏異物致使產品中引入雜質;三是產品在成型過程中會加入成型劑，成型劑主要是石蠟、硬脂酸、甘油等有機物，這些成型劑在后續脫脂工序如不能被徹底脫出則會殘留在產品中，在燒結過程中有機物會分解出碳，碳與鎢極易形成碳化鎢，碳化鎢則是硬脆相，嚴重影響產品力學性能。

4.結論

高密度鎢合金產品在工業化量產過程中，由于具有批量大、時間緊等特征，會出現許多在小批量實驗中遇不到的問題，管理者只有從人員、機器、原料、工藝、環境、檢測六方面去嚴格監督和控制，才會盡可能保證各批次產品具有較高的質量一致性。

參考文獻：

[1]武媛潔，徐英鴿，鄭敏杰.高比重鎢合金的研究現狀與發展趨勢[J].熱加工工藝.2015，44（20）：11

[2]王廣達，楊海兵，劉桂榮.高比重合金變形加工研究進展[J].粉末冶金技術.2014，32（3）：223