真空燒結中W-Ni-Fe系高比重合金的揮發與控制

徐東安 常 哲

（1.駐沈陽地區軍事代表局駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110004；2.沈陽含能金屬材料制造有限公司，遼寧 沈陽 110024）

0 引言

高比重鎢合金是以鎢為基體（鎢含量為80%~97%），在加入少量的Ni、Cu、Fe、Co等微量元素后，組成的合金體系，一般為W-Ni-Cu和W-Ni-Fe兩大系。鎢基高比重合金具有優異的力學性能，不僅強度、硬度以及延伸率高，而且沖擊韌性強，熱膨脹系數小，導電率高、導熱性好、耐腐蝕、抗氧化，還具有易于機加工和可焊接性好等優點[1]，在現代工業，尤其是軍事工業中占據著重要的地位。

1 鎢基高比重合金在彈用材料中的應用

鎢基高比重合金的優異性能使其在軍事工業和民用中得到了廣泛的應用，如用作桿式動能穿甲彈的彈芯材料、預制破片、平衡配重元件、慣性元件、射線屏蔽材料等。該文主要介紹鎢基高比重合金在彈用材料中的一些應用。

1.1 在穿甲彈中的應用

鎢基高比重合金穿甲桿已經廣泛應用于各種型號穿甲彈，穿甲彈穿甲時依靠彈頭的動能穿透裝甲從而摧毀目標。鎢基高比重合金穿甲彈的特性是初速高，飛行距離遠，精確度高，主要用于對付坦克、裝甲車、船只、飛行器等裝甲目標，可穿透防彈衣、裝甲車、坦克等目標，比較典型的穿甲彈如美國M829系列、德國DM53/63等，在軍事工業中占有非常重要的位置。圖1為德國DM63穿甲彈，圖2為美國陸軍120mm M829A2曳光尾翼穩定脫殼穿甲彈。

圖1 德國DM63穿甲彈

圖2 美國120mm M829A2穿甲彈

從經濟可行性角度考慮，可用于穿甲彈材料的高比重金屬只有貧鈾和鎢基高比重合金。

鎢在中國江西有世界級的礦藏，我軍以鎢原料為主；美軍貧鎢，濃縮鈾廢料用來做貧鈾彈，但是貧鈾彈有3個優點3個缺點。

優點：1）貧鈾比重大，大概密度和黃金差不多，比高比重鎢合金大1g/cm3。2）貧鈾在穿甲中會自銳，而高比重鎢合金會鈍化。3）貧鈾是核廢料，處理麻煩。

缺點：1）污染對自己人和敵人同樣有后遺癥，而且回收成本高，軍事演習都無法使用。2）鎢基高比重合金耐高溫性在金屬中排第一，鈾高溫變形比較嚴重，為了加固和拉長彈體消解重量，貧鈾彈普遍要做得大一點。3）貧鈾彈經過某戰爭的使用，在媒體的反復渲染下已經算是反人類武器。

所以鎢基高比重合金與貧鈾合金穿甲彈相比具有無毒性、無放射性污染等優點，是當今世界各國裝備的主要穿甲彈用材料，也是穿甲彈今后發展的主要方向。

1.2 在預制破片中的應用

鎢基高比重合金預制破片在殺傷爆破彈、攔截導彈以及遠程導彈的應用也非常廣泛，例如XXXmm殺爆彈；XXX型號遠程攔截導彈；XXX型號遠程制導殺爆彈等都應用了鎢基高比重合金預制破片，圖3為某預制破片戰斗部結構示意圖，中間的球狀物就是鎢基高比重合金預制破片，這些小型的預制破片具有高密度的毀傷和侵徹功能，是戰斗部的主要類型之一，主要是在高能炸藥爆炸作用下，形成大量高速破片，利用破片的高速碰擊、引燃和引爆作用毀傷目標。可以用于殺傷有生力量（人、畜）、無裝甲或輕型裝甲車輛、飛機、雷達以及導彈等武器裝備，在戰爭中處于主導地位。

圖3 某預制破片戰斗部結構示意圖

2 鎢基高比重合金的研究現狀

2.1 鎢基高比重合金的基本特性

鎢基高比重合金一般是指W -Ni -Fe 、W -Ni -Cu合金體系，其含鎢量為80 %~ 97 %，鎢基高比重度合金在軍事工業迅速的發展和廣泛的應用，這主要歸功于鎢基高密度合金具有以下優異的性能特點[2-4]：1）高密度。最高能達到18.7g/cm3，比鋼的密度高1倍；2）高強度。燒結態的鎢基高比重合金抗拉強度能達到500MPa~900MPa，經高溫退火和淬火處理后其抗拉強度可達1400MPa以上；3）塑性。伸長率達22%以上；4）韌性。沖擊韌度可達130J/cm2以上；5）防幅射。比鉛的防輻射能力提高50%~60%；6）抗氧化性。≤500℃無明顯氧化；7）高溫性能。在800℃下抗拉能達到300MPa以上。

2.2 燒結工藝的研究

鎢基高比重合金的燒結方式有很多，有固相燒結、液相燒結、放電等離子燒結、微波燒結、兩步燒結、低溫活化燒結、選擇性激光燒結和疊燒等，這些燒結方式中比較傳統且用途最廣的就是固相燒結和液相燒結，固相燒結主要應用于一些帶孔隙的骨架燒結，如鎢滲銅用鎢骨架等，液相燒結主要應用于鎢基高比重合金，液相燒結又分為持續液相燒結、瞬時液相燒結、施壓液相燒結以及反向液相燒結，液相燒結的方式也很多，如氫氣燒結、真空燒結、熱等靜壓燒結、真空燒結后續熱等靜壓燒結等，現在鎢基高比重合金行業中應用最多的就是氫氣燒結和真空燒結。

氫氣燒結是一種很傳統的燒結方式，應用很廣泛，氫氣是一種擴散性很好的還原性氣體，在燒結過程中常用作保護氣體，優點是能使零件脫氣、脫氧、脫硫以及能使有害雜質蒸發分離，避免零件氧化、污染；氫氣保護的燒結爐，結構也比較簡單，可連續操作，但有些金屬材料不宜在氫氣中燒結，氫氣為易爆易燃氣體，應注意安全。在氫氣燒結期間還有一些氫原子會溶解在金屬中，形成氫脆，導致產品的力學性能下降。

真空燒結也廣泛應用于軍用和民用行業，有以下優點：1）在真空燒結條件下，易于控制合金的含碳量。在燒結溫度下，爐內壓力只有幾十帕（Pa），甚至更低，O2、N2、H2和H2O分子極少，許多反應均可忽略，介質的影響很小。只要嚴格控制脫膠過程，合金的碳含量在真空燒結過程的變化極小，性能及組織相當穩定。2）在真空燒結條件下，可提高合金的純度。真空燒結有利于金屬氧化物還原，整個燒結周期不用開爐門，無空氣進入，幾乎不會發生N2、O2參加的反應。3）在真空燒結條件下，合金表面吸附的雜質少，改善Ni-Fe相的潤濕性，提高鎢基高比重合金的強度。4）在真空燒結條件下，工藝操作簡便。由于真空燒結時可以不用填料，這不僅簡化了操作，還可避免填料對燒結體表面的不利影響。

但是W-Ni-Fe合金在真空燒結過程中，Ni-Fe合金的揮發量很大，例如在粉料中配入5%含量的Ni-Fe，當爐內壓力為1×10-3Pa時，燒結時間60min，W-Ni-Fe合金中的Ni-Fe合金就會降到2%~3%。這就是由于在燒結溫度下，Ni-Fe合金的平衡蒸氣壓高的緣故。因此，如不采取有效措施，很難燒結出符合要求的W-Ni-Fe合金，下面要通過試驗來抑制Ni-Fe合金的揮發以及確定Ni-Fe合金在燒結中的平衡蒸汽壓力。

3 實驗方法

3.1 合金原料

實驗用制備鎢基高比重合金的原材料性能如表1所示，該表材料的指標均符合國家軍用標準。

表1 原材料性能指標

3.2 工藝流程

該研究所采用的工藝路線如圖4所示，該工藝路線僅適用于該公司實驗室制備工藝路線。

圖4 鎢基高比重合金制備的工藝流程

3.3 W-Ni-Fe合金的制備

制備 W-Ni-Fe 合金的工藝路線如下所述。1）合金成分配比：該配比是常規合金配比，Ni∶Fe=7∶3。2）混料：將配好的合金粉加入成型劑，在雙錐型混料機中進行混料。混料用球為軸承鋼球球，球占總重的40%，混料時間為10h。 3）捏合：將混合好的合金粉放入捏合機，捏合溫度為90℃~110℃，捏合時間為60min。4）降溫過篩：將捏合完的料至于料車上，室溫晾干，溫度達到室溫后，過100目篩。5）模壓成形：該實驗采用全自動模壓成形，將合金粉末混合料置于25t全自動干粉壓機內壓制成形，壓制壓力為5MPa，壓制方式為陰模浮動單向壓制。6）脫脂：脫脂在氫氣氣氛脫脂爐內進行，其工藝曲線如圖5所示，該曲線是該公司正常所使用的曲線，僅適用于該公司成型劑的脫除。7）燒結：將模壓成形后的產品放入真空爐進行燒結。

圖5 脫脂工藝曲線

3.4 實驗方案

實驗所用原材料粉為W粉、Ni粉、Fe粉合金成分如表2所示。采用真空燒結方法制備W-Ni-Fe系高比重合金，真空壓力與充氬壓力方案如表3所示，真空燒結時升溫速率5℃/min，并于1500℃保溫60min后爐冷。

表2 合金成分設計

表3 真空壓力與充氬壓力

4 實驗結果

選用95W-3.5Ni-1.5Fe合金，在經過配料－混料－捏合－干燥－過篩－模壓成型－脫黏工序后，將試驗的產品放入真空爐中，按照表3的參數進行抽真空和充氬氣，分別進行抽真空1×10-3Pa、1×10-2Pa、1×10-1Pa、10Pa 4個方案和充氬氣5×102Pa、1×103Pa、2×103Pa、3×103Pa、4×103Pa 5個方案的試驗，每爐保溫時間60min，燒結溫度1500℃，降溫后取樣分析Ni和Fe的含量。試驗結果匯總如表4所示，表4是不同真空壓力與充氬壓力下Ni、Fe含量的變化。

表4 不同真空壓力與充氬壓力下Ni、Fe含量的變化

5 結論

從表4可以看出，當爐內的氬氣壓力逐漸增大時，從5×102Pa增大到1×103Pa又繼續增大到2×103Pa時，Ni和Fe元素的揮發量在逐漸降低，從剩余含量Ni（2.37%）、Fe（0.99%）變化到剩余含量Ni（3.22%）、Fe（1.31%），已經逐漸接近配入量，當爐內充氬壓力達到3×103Pa、4×103Pa時，W-Ni-Fe合金中的Ni和Fe的含量基本不變，剩余含量Ni（3.49%和3.5%）、Fe（1.51%和1.49%），基本和配入量一致，因此可以認為，充氬3×103Pa的壓力已經大于該燒結溫度條件下Ni-Fe的蒸氣壓，已是可以抑制W-Ni-Fe合金中Ni-Fe的揮發而保證Ni-Fe成分的穩定，抑制鎢基高比重合金中Ni和Fe元素揮發的氬氣壓力為3×103Pa。