真空度對95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金性能影響研究

王帥

摘 要：真空度是真空燒結高比重鎢合金重要工藝參數之一，理想真空度是真空燒結時在保證產品不發生氧化時合理控制粘結相的蒸發，使其不會對合金性能產生顯著影響。試驗設置10-4、10-2和10-0三個等級的真空度，并采用同一溫度對95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co進行真空燒結。結果表明采用10-4級真空度燒結的產品粘結相嚴重蒸發且密度超差較多;采用10-2級真空度燒結的產品粘結相蒸發較少，密度、化學成分等指標均正常;采用10-0級真空度燒結的產品表面明顯氧化。

關鍵詞：高比重鎢合金;真空燒結;真空度;粘結相蒸發;密度

Abstract： Vacuum degree is one of the important process parameters of vacuum sintering high-specific gravity tungsten alloy. The ideal vacuum degree is to control the evaporation of bonding phase reasonably during vacuum sintering to ensure that the products do not oxidize， so that it will not have significant influence on the properties of the alloy. The test set the vacuum degree of 10-4， 10-2 and 10-0， and used the same temperature for 95W-3.4Ni-1.4 FE-0.2 Co vacuum sintering. The results show that the bonding phase of the product with grade 10-4 vacuum sintering is seriously evaporated and the density is much out of tolerance. The product sintered with grade 10-2 vacuum has less evaporation of bonding phase and normal density， chemical composition and other indexes. The surface of the product is oxidized obviously by sintering the vacuum degree of 10-0.

Key words： high-specific gravity tungsten alloy; Vacuum sintering; The vacuum degree; Bonding phase evaporation; The density

高比重鎢合金是一種以鎢為基體，添加鎳、鐵、銅、鈷、錳等元素組成的合金。通常鎢含量在85%-98%范圍內，燒結后合金密度高達14.0-19.0g/cm3[1]。高比重鎢合金具有密度大、強度高、熱膨脹系數低等優異的物理和力學性能，其在國防和民用工業領域得到廣泛應用。通常采用粉末冶金方法生產，一般經過混粉、壓制成型、燒結及機加工等后處理制得。高比重鎢合金的燒結過程是合金制備過程中十分重要的環節，燒結工藝對合金的致密度、組織形貌、成分偏析和燒結坯形狀等起決定性作用。燒結方法通常為氫氣燒結、真空燒結、熱壓燒結、微波燒結和放電等離子體燒結等。其中用于工業批量生產的工藝通常為氫氣燒結和真空燒結，由于安全和環保等因素，國家出臺一系列法規和政策引導企業淘汰傳統落后的氫氣燒結工藝，并鼓勵企業向真空燒結工藝轉換。但由于真空燒結高比重鎢合金時，粘結相鎳、鐵、鈷等在高溫時呈現液相，在真空狀態下金屬粘結相蒸發尤為明顯，導致最終產品密度偏高且性能較差。本文以95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co合金為例，采用真空燒結制備工藝，并重點考察真空度對合金性能的影響。

1實驗

1.1原材料

原材料分別采用FWG-1鎢粉、FNiTG-2鎳粉、FFeTG-1鐵粉和FCoTG-1鈷粉。按照質量比95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co進行配料，并加入總粉質量2%的硬脂酸1801作為成型劑，在ZX-0.4M3雙錐高效混合機上進行混合，混合時間為8小時，每隔60分鐘變換一次方向，混料完成后制得混合粉。

1.2制備工藝

粉體成型采用YND79Z-200A粉末液壓機設備，利用剛性模具單向壓制，壓制壓力為49噸，保壓時間為2秒，壓坯形狀為φ120mm×φ105mm×6.5mm的圓環體。將壓坯放入罩式氣氛脫粘爐內熱脫脂，升溫速率為5℃/min，最高溫度升至800℃，去除壓坯體內的成型劑硬脂酸，并進行了預燒結，使環體具有了一定的強度，使其在后序周轉過程中不易產生掉碴和缺肉等情況。

1.3試驗過程

使用VHSF-7712真空燒結爐進行液相燒結。本試驗共進行了三次真空燒結并采用相同升溫曲線：室溫160分鐘升至800℃，保溫60分鐘，60分鐘升至1200℃，90分鐘升至1500℃，保溫60分鐘，降溫過程采用隨爐冷卻。每組試驗通過開啟不同的真空系統來控制爐內的真空度。第一組真空燒結過程將滑閥機械泵、羅茨泵和油擴散泵全部開啟;第二組真空燒結過程開啟滑閥機械泵和羅茨泵;第三組真空燒結過程只開啟滑閥機械泵。

1.4化學成分及性能測試

利用JA5003電子密度儀對三組試驗產品進行密度測量。將真空燒結后的三組試驗產品分別車成碎屑后使用等離子體發射光譜儀進行鎳、鐵、鈷元素化學成分含量檢測。利用WMJ-9370倒置金相顯微鏡觀察分別觀察產品組織結構。利用HR-150A洛氏硬度計檢測三組試驗產品硬度值。

2.結果與討論

真空燒結試驗實際真空度分別為第一組9.9E-4、第二組4.6E-2、第三組8.2E-0。

2.1 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金密度分析

W-Ni-Fe系合金的燒結過程屬于典型的液相燒結，在升溫過程中，鎳、鐵粘結相粉末在較低溫度下就相互擴散溶解，同時粘結相與鎢顆粒之間發生固相擴散現象。當溫度達到鎳鐵二元共晶點溫度時開始產生液相，鎢顆粒在液相內近似為懸浮狀態，受液相表面張力的推動發生位移，顆粒之間液相所形成的毛細管力以及液相本身的粘性流動，使鎢顆粒調整位置，重新分布以達到最緊密的排布。在鎢顆粒表面原子溶解于液相時，液相中的鎢原子也會析出并沉積于大尺寸的鎢顆粒表面上。經歷了固相溶解和析出階段后，便可使球形鎢顆粒均勻分布于粘結相中，固相溶解和析出過程完成后便進入固相骨架形成階段，此時，鎢顆粒之間相互接觸并產生固相燒結現象，并在擴散的基礎上發生晶粒長大，此時密度上升至最大值并接近全致密[2]。

三組試驗密度值分別為18.47g/cm3、18.22g/cm3和18.18g/cm3。由于第一組試驗真空度為9.9E-4，爐內真空度較高，在燒結的過程中，粘結金屬在液相出現時產生大量的蒸發損失，進而造成合金中鎢含量的升高，這是導致密度偏高的主要原因。從二三組試驗可以看出，當真空度降至E-2級時，粘結相蒸發較少，密度未發生明顯偏差。

2.2 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金化學成分分析

三組試驗化學成分分析結果見表1。由于第一組試驗在高溫燒結階段粘結相鎳、鐵、鈷大量蒸發，三種元素質量分數約減少至一半。二、三組試驗由于真空度較低，粘結相蒸發較少，故各元素質量分數波動較小。

2.3 95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金組織結構分析

圖1-3分別為三組試驗在金相顯微鏡下放大500倍后的顯微組織。

從圖1中可以看出，第一組試驗鎢顆粒周圍粘結相蒸發較為明顯，個別區域已完全蒸發，導致鎢顆粒直接接觸呈現片狀。從圖2和圖3二、三組試驗可以看出粘結相比較充分且均勻分布在鎢顆粒周圍，未出現粘結相明顯蒸發情況。

2.4 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金硬度分析

三組試驗產品洛氏硬度HRC值分別為33.5、32.0和38.5，可以看出第三組產品較一二組硬度值明顯偏大，原因為第三組產品在燒結過程中，由于爐內真空度較低，發生明顯氧化現象，導致硬度值偏高。

2.5 ?95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金外觀分析

三組真空燒結后的產品實物見圖4。第一組產品由于鎳、鐵、鈷粘結相嚴重蒸發，燒結后的產品絕大部分相為鎢顆粒，故產品外觀顏色為暗灰色，缺少金屬光澤且表面粗糙。第二組產品則外觀金屬光澤明顯，表面光滑明亮，粘結相能夠充分且均勻分布在鎢顆粒周圍，并形成良好的包裹性。第三組產品則由于燒結時真空度較低產品出現輕微氧化現象，外觀呈現藍色、黃色等多種色彩。造成此現象的原因為鎢顆粒發生氧化反應形成了二氧化鎢和三氧化鎢等多種氧化物。

3.結論

采用真空燒結制備95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重鎢合金，升溫過程采用同一升溫曲線，燒結最高溫度設置為1500℃，通過設置真空泵系統，調整爐內的真空度，得到以下結果：

1）當真空度為9.9E-4時，鎳、鐵、鈷粘結相出現嚴重蒸發，其蒸發量約達到各元素添加量的二分之一，產品外觀灰暗，密度值較理論值升高0.26g/cm3。

2）當真空度為4.6E-2時，產品粘結相無明顯蒸發，且均勻分布在鎢顆粒周圍，產品外觀光滑且金屬光澤明顯，密度基本達到理論值，產品較正常。

3）當真空度為8.2E-0時，產品粘結相無明顯蒸發，產品出現氧化現象，密度值略低于理論值，硬度值偏高。

參考文獻：

[1]李耀強，強立行，晏朝暉.鎢合金燒結密度差異問題的分析及解決方法[J].科技與創新.2016（17）：17

[2] 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 2 版. 冶金工業出版社， 2008