真空燒結(jié)中W-Ni-Fe系高比重合金的揮發(fā)與控制

徐東安 常 哲

（1.駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐沈陽地區(qū)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(yōu)異的力學(xué)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(shù)小，導(dǎo)電率高、導(dǎo)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(yōu)點[1]，在現(xiàn)代工業(yè)，尤其是軍事工業(yè)中占據(jù)著重要的地位。

1 鎢基高比重合金在彈用材料中的應(yīng)用

鎢基高比重合金的優(yōu)異性能使其在軍事工業(yè)和民用中得到了廣泛的應(yīng)用，如用作桿式動能穿甲彈的彈芯材料、預(yù)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(yīng)用。

1.1 在穿甲彈中的應(yīng)用

鎢基高比重合金穿甲桿已經(jīng)廣泛應(yīng)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(biāo)。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(biāo)，可穿透防彈衣、裝甲車、坦克等目標(biāo)，比較典型的穿甲彈如美國M829系列、德國DM53/63等，在軍事工業(yè)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(wěn)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(jīng)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(yōu)點3個缺點。

優(yōu)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(xí)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(yán)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(jīng)過某戰(zhàn)爭的使用，在媒體的反復(fù)渲染下已經(jīng)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(yōu)點，是當(dāng)今世界各國裝備的主要穿甲彈用材料，也是穿甲彈今后發(fā)展的主要方向。

1.2 在預(yù)制破片中的應(yīng)用

鎢基高比重合金預(yù)制破片在殺傷爆破彈、攔截導(dǎo)彈以及遠程導(dǎo)彈的應(yīng)用也非常廣泛，例如XXXmm殺爆彈；XXX型號遠程攔截導(dǎo)彈；XXX型號遠程制導(dǎo)殺爆彈等都應(yīng)用了鎢基高比重合金預(yù)制破片，圖3為某預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖，中間的球狀物就是鎢基高比重合金預(yù)制破片，這些小型的預(yù)制破片具有高密度的毀傷和侵徹功能，是戰(zhàn)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(biāo)。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(dǎo)彈等武器裝備，在戰(zhàn)爭中處于主導(dǎo)地位。

圖3 某預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

2 鎢基高比重合金的研究現(xiàn)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(yè)迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，這主要歸功于鎢基高密度合金具有以下優(yōu)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(jié)態(tài)的鎢基高比重合金抗拉強度能達到500MPa~900MPa，經(jīng)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(jié)工藝的研究

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

氫氣燒結(jié)是一種很傳統(tǒng)的燒結(jié)方式，應(yīng)用很廣泛，氫氣是一種擴散性很好的還原性氣體，在燒結(jié)過程中常用作保護氣體，優(yōu)點是能使零件脫氣、脫氧、脫硫以及能使有害雜質(zhì)蒸發(fā)分離，避免零件氧化、污染；氫氣保護的燒結(jié)爐，結(jié)構(gòu)也比較簡單，可連續(xù)操作，但有些金屬材料不宜在氫氣中燒結(jié)，氫氣為易爆易燃氣體，應(yīng)注意安全。在氫氣燒結(jié)期間還有一些氫原子會溶解在金屬中，形成氫脆，導(dǎo)致產(chǎn)品的力學(xué)性能下降。

真空燒結(jié)也廣泛應(yīng)用于軍用和民用行業(yè)，有以下優(yōu)點：1）在真空燒結(jié)條件下，易于控制合金的含碳量。在燒結(jié)溫度下，爐內(nèi)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(yīng)均可忽略，介質(zhì)的影響很小。只要嚴(yán)格控制脫膠過程，合金的碳含量在真空燒結(jié)過程的變化極小，性能及組織相當(dāng)穩(wěn)定。2）在真空燒結(jié)條件下，可提高合金的純度。真空燒結(jié)有利于金屬氧化物還原，整個燒結(jié)周期不用開爐門，無空氣進入，幾乎不會發(fā)生N2、O2參加的反應(yīng)。3）在真空燒結(jié)條件下，合金表面吸附的雜質(zhì)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(jié)條件下，工藝操作簡便。由于真空燒結(jié)時可以不用填料，這不僅簡化了操作，還可避免填料對燒結(jié)體表面的不利影響。

但是W-Ni-Fe合金在真空燒結(jié)過程中，Ni-Fe合金的揮發(fā)量很大，例如在粉料中配入5%含量的Ni-Fe，當(dāng)爐內(nèi)壓力為1×10-3Pa時，燒結(jié)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(jié)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(jié)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(fā)以及確定Ni-Fe合金在燒結(jié)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(biāo)均符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 原材料性能指標(biāo)

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(guī)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(nèi)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(nèi)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(jié)：將模壓成形后的產(chǎn)品放入真空爐進行燒結(jié)。

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(jié)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(jié)時升溫速率5℃/min，并于1500℃保溫60min后爐冷。

表2 合金成分設(shè)計

表3 真空壓力與充氬壓力

4 實驗結(jié)果

選用95W-3.5Ni-1.5Fe合金，在經(jīng)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(chǎn)品放入真空爐中，按照表3的參數(shù)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(jié)溫度1500℃，降溫后取樣分析Ni和Fe的含量。試驗結(jié)果匯總?cè)绫?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(jié)論

從表4可以看出，當(dāng)爐內(nèi)的氬氣壓力逐漸增大時，從5×102Pa增大到1×103Pa又繼續(xù)增大到2×103Pa時，Ni和Fe元素的揮發(fā)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(jīng)逐漸接近配入量，當(dāng)爐內(nèi)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(jīng)大于該燒結(jié)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(fā)而保證Ni-Fe成分的穩(wěn)定，抑制鎢基高比重合金中Ni和Fe元素揮發(fā)的氬氣壓力為3×103Pa。