專利名稱：一種高比重鎢合金材料及其納米晶塊體制備方法
技術領域：
本發明涉及塑性成形技術和粉末冶金技術，具體是指一種高比重鎢合金 材料及其納米晶塊體制備方法。
背景技術：
鉤基合金因具有較高的密度、優異的力學性能以及良好的抗腐蝕性能， 在國防工業和民用工業中有著廣泛的應用前景。現有的鎢基高比重合金，主 要由基體鎢和粘結相鎳、鈷、鐵等組成，并主要采用熱等靜壓、輻射加熱燒 結和感應燒結等方法進行制備。其中，熱等靜壓和輻射加熱燒結方法由于燒 結時間較長和燒結溫度較高，獲得的燒結材料的組織較粗大，不利于提高燒 結材料的性能，感應燒結雖然可縮短燒結時間，但燒結過程中因未提供燒結 壓力，存在燒結材料尺寸精度低和難充分致密的問題。目前，國內外材料研究者們普遍認為獲得納米晶微觀組織將有利于改善 塊體鎢合金的綜合性能。近年興起來的放電等離子燒結法，其實質就是脈沖 電流燒結，因強脈沖電流對粉末的活化作用而有利于降低燒結溫度和縮短燒 結時間，被認為是制備納米晶塊體材料的一種有效途徑，而且由于該燒結方 法在燒結過程中施加有一定的外力，還可有效控制燒結材料的尺寸精度。論文"W-Ni-Fe高比重合金的SPS燒結行為"(梅雪珍，賈成廠，尹法章， 陳黎亮，北京科技大學學報，2007， 29 (5) ， 475 478)采用放電等離子 燒結方法制備93W - 5.6Ni - 1.4Fe高比重合金，證實放電等離子燒結可抑制 鎢晶粒長大，并得到晶粒尺寸較為均勻的微觀組織。但由于鎢合金成份配方 和燒結工藝選擇等原因，未獲得納米晶塊體材料。此外由于放電等離子燒結 方法主要采用單一的脈沖電流對粉末進行燒結，為了實現了粉末體充分燒結 和致密對脈沖電流的峰值強度提出了較高的要求，隨即帶來的是對燒結設備 更為苛刻的要求，直接增加了設備投資，以致增加了生產成本。發明內容本發明的目的在于針對現有技術制備高比重鎢合金不足之處，提供一種 高比重鎢合金材料及其可有效控制燒結材料尺寸精度的制備方法，實現微觀
組織晶粒均勻、近全致密和高性能的塊體納米晶高比重鎢合金的制備。一種高比重鎢合金材料，它含有鎢、鎳和鐵粉末，其特征在于它還含有鈷，具體配方按質量百分比計的組分及其含量為鎢W93.0W，鎳Ni3.5 4.5%，鐵Fe1.5 2.0W，鈷0()1.0 1.5%,其余為不可避免的微量雜質。上述這種納米晶塊體高比重鎢合金材料的制備方法，其特征在于該方 法包括如下步驟步驟一高比重鎢合金的配方將鎢、鎳、鈷和鐵粉末按下述質量百分比用量進行配比鎢W93.00/0，鎳Ni3.5 4.50/。，鐵Fe1.5 2.0。/c)，鈷Co1.0 1.5。/c)，其余為不可避免的微 量雜質；步驟二混粉按上述粉末原料質量百分比用量在混粉機中干混不少于24小時； 步驟三高能球磨將干混后的粉末進行高能球磨，直至球磨粉末中鎢相晶粒細化至納米級； 步驟四電流燒結球磨粉末采用方波直流脈沖_恒流電流快速燒結裝入電流燒結模具內的球磨粉 末，電流快速燒結工藝條件如下燒結電流類型方波脈沖直流電流和恒流電流相結合燒結壓力40MPa 50MPa燒結時間3 8分鐘經燒結即獲得納米晶塊體高比重鎢合金材料。所述方波直流脈沖-恒流電流快速燒結，其優選工藝是先釆用方波脈沖直流電流燒結粉末1 3分鐘，再采用恒流電流燒結粉末1 5分鐘。所述方波脈沖直流電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3150 3600A、 120 350A、 60 100Hz和55 80%，恒流電流優選值為1575A 1650A。本發明與現有技術相比，具有以下優點1、 本發明的高比重鎢合金配方合理，可有助于獲得納米晶燒結態材料， 并可改善燒結態材料的綜合力學性能。2、 本發明采用的電流燒結技術即方波直流脈沖-恒流電流燒結技術可在 較短時間內實現對高比重鎢合金粉末體的快速燒結。與傳統的輻射加熱燒結 和熱等靜壓等工藝相比，采用方波直流脈沖 - 恒流電流燒結方法不僅熱效率 高、燒結溫度低、燒結時間短、燒結態組織更細小均勻和孔隙率低，而且燒 結體的形狀尺寸精度易于控制，實現了粉末成形與燒結一體化，不需要預成 形，材料制備工藝路線得以簡化，可降低高比重鎢合金塊體材料的制備成本。 此外，與采用單一的脈沖電流進行燒結的放電等離子燒結工藝相比，可減低 燒結時的脈沖電流峰值強度，從而降低對燒結設備的要求。3、 本發明制備的高比重鎢合金塊體材料具有納米晶微觀組織，近全致密， 具有的硬度較高和良好的橫向斷裂強度。4、 本發明的制備方法對設備的要求明顯降低，操作簡單，周期短，提高 了效率，降低了成本；特別有利于塊體納米晶高比重鎢合金材料生產的國產 化。
具體實施方式
通過如下實施例對本發明作進一步說明，但本發明的實施方式不僅限于此。實施例1步驟一高比重鎢合金的配方按質量百分比計的組分及其含量為鎢W: 93.0%,鎳Ni: 4.5%，鐵 Fe: 1.5%，鈷CO: 1.0%，含有不可避免的微量雜質；鉤、鎳、鐵和鈷均以單質形式加入，其中，鉤粉平徑顆粒直徑約2.3 2.7ym，純度》99.0%;鎳粉平徑顆粒直徑約1 3ym，純度》99.8%;鐵粉 平徑顆粒直徑約1 3|jm,純度》99.5%;鈷粉平徑顆粒直徑約1 3iJm，純 度》99線步驟二混粉按上述粉末原料質量百分比用量在V - 0.002型混粉機中干混24小時；步驟三高能球磨球磨過程在QM - 2SP20型行星式球磨機中完成，磨球和球磨筒內壁材 質均采用YG8硬質合金，球料質量比為10:1，球磨機轉速為266r/min， 并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨時間為15小時；步驟四電流燒結球磨粉末
將20g球磨粉末裝入直徑為cD20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加1 分鐘的方波脈沖直流電流，再緊接著施加5分鐘恒流電流對粉末進行快速燒 結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3600A、120A、100Hz和55%，恒流電流為1575A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末 體施加40MPa燒結壓力，經6分鐘燒結獲得的納米晶塊體高比重鎢合金材 料。該材料的密度為17.39g/cm3,鎢相晶粒尺寸約200nm,常溫硬度和抗 彎強度分別為84HRA和1384MPa。 實施例2步驟一高比重與合金的配方按質量百分比計的組分及其含量為W: 93.0%， Ni: 3.5%, Fe: 2.0%，CO: 1.5%,含有不可避免的微量雜質。鉤、鎳、鐵和鈷均以單質形式加入，其中，鎢粉平徑顆粒直徑約2.3 2.7|jm，純度》99.0%;鎳粉平徑顆粒直徑約1 3pm，純度》99.8%;鐵粉 平徑顆粒直徑約1 3jjm，純度》99.5%; Co粉平徑顆粒直徑約1 3ym， 純度》99.0%;步驟二混粉按上述粉末原料質量百分比用量在V - 0.002型混粉機中干混24小時； 步驟三高能球磨球磨過程在QM - 2SP20型行星式球磨機中完成，磨球和球磨筒內壁材 質均采用YG8硬質合金，球料質量比為10:1，球磨機轉速為266r / min， 并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨時間為15小時；步驟四電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為cD20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加3 分鐘的方波脈沖直流電流，再緊接著施加5分鐘恒流電流對粉末進行快速燒 結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3150A、 350A、 80Hz 和80%，恒流電流為1575A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末 體施加40MPa燒結壓力，經8分鐘燒結獲得的納米晶塊體高比重鎢合金材 料。該材料的密度為17.55g/cm3,鎢相晶粒尺寸約250nm，常溫硬度和抗 彎強度分別為83HRA和1496MPa。實施例3 步驟一高比重鎢合金的配方按質量百分比計的組分及其含量為W: 93.0%， Ni: 4.0%， Fe: 1.8%，CO: 1.2%,含有不可避免的微量雜質。鉤、鎳、鐵和鈷均以單質形式加入，其中，鎢粉平徑顆粒直徑約2.3 2.7pm，純度》99.0%;鎳粉平徑顆粒直徑約1 3pm，純度》99.8%; Co 粉平徑顆粒直徑約1 3ijm，純度》99.0%;鐵粉平徑顆粒直徑約1 3ym， 純度》99.5%;步驟二混粉按上述粉末原料質量百分比用量在V - 0.002型混粉機中干混24小時； 步驟三高能球磨球磨過程在QM - 2SP20型行星式球磨機中完成，磨球和球磨筒內壁材 質均采用YG8硬質合金，球料質量比為10:1，球磨機轉速為266r / min, 并采用高純Ar氣作為保護氣氛，球磨時間為15小時；步驟四電流燒結球磨粉末將20g球磨粉末裝入直徑為cD20mm的陶瓷燒結模具中，通過先施加2 分鐘的方波脈沖直流電流，再緊接著施加1分鐘恒流電流對粉末進行快速燒 結。其中，脈沖電流的峰值、基值、頻率和占空比分別為3500A、化0A、 60Hz 和65%，恒流電流為1650A。在通電燒結整個過程中，通過正負電極對粉末 體施加50MPa燒結壓力，經3分鐘燒結獲得的納米晶塊體高比重鎢合金材 料，該材料的密度為17.46g/cm3,鎢相晶粒尺寸約180nm，常溫硬度和抗 彎強度分別為84HRA和1480MPa。
權利要求
1、一種高比重鎢合金材料，它含有鎢、鎳和鐵粉末，其特征在于它還含有鈷，具體配方按質量百分比計的組分及其含量為鎢W93.0％，鎳Ni3.5～4.5％，鐵Fe1.5～2.0％，鈷Co1.0～1.5％，其余為不可避免的微量雜質。
2、 一種納米晶塊體高比重鎢合金材料的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟一高比重鎢合金的配方將鎢、鎳、鐵和鈷粉末按下述質量百分比用量進行配比:W93.0y。,Ni3.5 4.5%， Fe1.5 2.0%, Co1.0 1.5%，其余為不可避免的微量雜質；步驟二混粉按上述粉末原料質量百分比用量在混粉機中干混不少于24小時； 步驟三高能球磨將干混后的粉末進行高能球磨，直至球磨粉末中鉤相晶粒細化至納米級； 步驟四電流燒結球磨粉末采用方波直流脈沖-恒流電流快速燒結裝入電流燒結模具內的球磨粉 末，電流快速燒結工藝條件如下燒結電流類型方波脈沖直流電流和恒流電流相結合燒結壓力40MPa 50MPa燒結時間3 8分鐘經燒結即獲得納米晶塊體高比重鎢合金材料。
3、 根據權利要求2所述的一種納米晶塊體高比重鎢合金材料的制備方法，其特征在于所述方波直流脈沖-恒流電流快速燒結，其工藝是先采 用方波脈沖直流電流燒結粉末1 3分鐘，再采用恒流電流燒結粉末1 5分 鐘。
4、 根據權利要求2或3所述的一種納米晶塊體高比重鎢合金材料的制備方法，其特征在于所述方波脈沖直流電流的峰值、基值、頻率和占空比 分別為3150 3600A、 120 350A、 60 100Hz和55 80%，恒流電流值 為1575A 1650A。
全文摘要
本發明涉及高比重鎢合金材料及其納米晶塊體的制備方法。本發明首先將鎢、鎳、鐵和鈷粉末按下述質量百分比用量進行配比W93.0％，Ni3.5～4.5％，Fe1.5～2.0％，Co1.0～1.5％，其余為微量雜質；經混粉后，進行高能球磨，直至球磨粉末中鎢相晶粒細化至納米級，然后采用方波直流脈沖-恒流電流快速燒結，燒結壓力40MPa～50MPa、燒結時間3～8分鐘，經燒結即獲得納米晶塊體高比重鎢合金材料。本發明的高比重鎢合金配方合理，可有助于獲得納米晶燒結態材料，并可改善燒結態材料的綜合力學性能。本發明對設備的要求明顯降低，從而降低了成本，特別有利于塊體納米晶高比重鎢合金材料生產的國產化。
文檔編號C22C27/00GK101148725SQ20071003116
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月30日 優先權日2007年10月30日
發明者偉 夏, 屈勝官, 李元元, 李小強, 峰 鄭 申請人:華南理工大學