CN1019318B - 极高机械性能的钨镍铁重合金及其生产方法 - Google Patents

极高机械性能的钨镍铁重合金及其生产方法

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Abstract

本发明涉及机械性能极高的钨镍铁重合金及其生产方法。该合金的特征在于，钨α相呈蝶翅形，位错晶胞尺寸为0.01-1μm，而且γ粘结相具有小于15μm的平均自由程。该方法包括，使烧结和加热产品至少经受三个操作周期，每个周期加工后热处理。本发明可用于制造极高负荷下应用的极限抗拉强度1300-2000MPa的合金。

Description

本发明涉及极高机械性能的钨镍铁重合金及其生产方法。
该技术领域的专业人员已知，意欲用来制造平衡锤，振动吸收屏与X，α，β，γ射线吸收屏，以及高穿透能力的砲弹，其材料必须具有相当大的密度。
鉴于此原故，生产这些东西要借助于所谓“重”合金。该类合金主要含有钨，钨均匀分散在通常由粘结元素，例如镍和铁所形成的金属基体中。在大多数情况下，这类合金含有90-98%（重量比）的钨，比重为15.6-18。该类合金主要用粉末冶金法制造，即其各组分均以粉末状态使用，并压制成适宜的形状，烧结并稳定化，以赋予其机械密实性，并可能经受加工和热处理，以使其具有适合其用途的机械性能：强度、延伸率和硬度。
该类合金的说明例如已见于美国专利NO.3979234，其中叙述了生产W-Ni-Fe合金的方法，包括：
制备一种含有85-96%（重量比）钨，余量为镍和铁且Ni/Fe重量比为5.5-8.2的粉末均匀混合物，
将该混合物压制成型，
在还原气氛中于至少1200℃，并低于出现液相的温度下将压制件烧结足够长的时间，以产生一种密度至少为理论密度95%的产品，
将产品在高于出现液相的温度0.1至20℃的温度下加热，
加热时间足以出现液相，但又不会使产品变形，
将产品在真空中于700-1420℃加热足够时间以使其脱气，以及
将产品机械加工到所需尺寸，该工序前可至少经过一次加工以提高产品强度。
在这些条件下得到的表面积减少31%的加工后极限抗拉强度Rm为1220MPa，屈服强度R0.2为1180MPa，延伸率E为7.8%，而且洛氏C级硬度为HRc41的产品。这些性质足以适合某些用途，但对于载荷水平高的用途而言，这是明显不够的，因为目前对极限抗拉强度等级的要求是大于1600MPa，并可高达2000MPa。
本发明涉及一类重合金，其比重在15.6和18之间，含有80-99%（重量比）的钨和镍、铁（Ni/Fe重量比大于或等于1.5），并可选择性地含有其它元素如钼、钛、铝、锰、钴及铼，该类合金具有极高的机械性能，尤其极限抗拉强度可高达2000MPa，延伸率至少为1%。
本发明的这类合金的特征在于，其组织中α相呈蝶翅状，位错晶胞尺寸为0.01-1μm，γ粘结相的平均自由程小于15μm。
本技术领域的专业人员已知，钨-镍-铁合金有一种由纯钨球 节所形成的组织，在烧结工序中球节或多或少地球化，构成α相，该球节由该合金的三元素组成的γ相所包围，γ相在球节间起粘结作用。
申请人发现，要达到极高的机械性能，钨合金必须具有特殊的组织。
因此，从形态学的角度来看，如果在由这类合金制得的试件上观察垂直于加工方向的表面，会发现：
α相不再为球化的形状，而稍呈椭球形，并在长轴的一端附近成对连接在一起，长轴间成锐角，上述排列较普遍地被称为“蝶翅”，以及
γ粘结相的平均自由程尤其随极限抗拉强度的提高而成比例地减小。因此，平均自由程小于15μm时，极限抗拉强度达1600MPa以上。
本文中所用的平均自由程一词，系指一定方向上分隔两个顺次γ相区的平均距离。
从显微组织的角度来看，如果取薄片，会在α相中发现有尺寸为0.01-1μm的位错晶胞存在，它随材料机械性能的提高而成比例地减少。与材料机械性能的提高相一致，还观察到晶胞互相之间相对的混乱取向。据认为，正是那些晶胞使该类合金具有发生变形时所必需的塑性。此外，在表面平行于加工方向的试件上所进行的观察还揭示了随机械性能提高而成比例地变得更为明显的纤维组织。上述纤维 以其特定取向为特征，按密勒指数，对于试样中心部的极点｛110｝，该种取向相当于<110>方向。
然而，机械性能的提高超过1500MPa水平会发生α相的多边形化。作为附带的情况，有关γ相的析出网在α相球节邻接区域中发展。
本发明还涉及一种生产合金的方法，所生产的合金组织中可按需要调节所需的机械性能值，尤其可使断裂强度接近2000MPa。
为达到上述目标，考虑到α相通常具有脆性，但弹性极限高，申请人改进了该类合金的处理，使之有可能促进α相的塑性变形。
该方法包含已知的工艺步骤，由下列步骤组成：
使用各合金元素的粉末，每种粉末均具有1-15μm的FISHER粒径，
将上述粉末以相当于所需合金组成的比例加以混合，
将上述粉末混合物压制成型，
在1490-1650℃下将压制件烧结2-5小时，
在真空中于1000-1300℃处理烧结过的压制件，以及
所得到的压制件进行至少一次加工。
但是，该方法的特征是，经真空处理后，压制件经受至少三个操作周期，每个周期包含一个加工步骤并后续热处理。
因此，本发明由顺次的周期所组成，周期数目与所要获得的机械 性能最高值对应的组织成比例地增加。因此，三个循环即可使其达到1400-1450MPa的极限抗拉强度，而在四个循环结束时，达到接近1850MPa的值。每个循环依次包括一个加工步骤，例如用锻造法进行的加工步骤，以便将烧结压制件表面积的减小程度提高10-50%，以及随其之后将压制件放入加热到低于1300℃的炉中，在惰性气氛中持续4-20小时进行退火。
在开始两个周期中，以加工程度小于后续周期而温度高于后续周期为佳。在第四个周期中，例如在进行热处理之前，至少在锻造设备中连续进行两次加工，以达到适当的加工度。
本发明可用附图来阐明，附图中涉及一种含有93%（重量）钨，5%（重量）镍和2%（重量）铁的合金，其中：
图1、2及3示出分别具有极限抗拉强度1100、1540及1850MPa的试样横截面在放大200倍时的组织。
图4、5及6示出抗拉强度下相同试件断口分别放大1000、1000及2600倍时的显微组织，以及
图7、8及9示出电子显微镜下分别放大35000，30000及60000倍观察薄片所见的显微组织，显示了使其可能达到所需性能的α相的特定状态。
图1白色示出钨α相的球状组织，以及平均自由程接近20μm的γ粘结相。
图2表明平均自由程减到约10-14μm时形成蝶翅。
图3中，在图2中所见的趋势增强，平均自由程在3-7μm范围内。
图4中，合金断裂基本上发生在球节间和γ相的顶部。
图5及6中的试件比图4中所示具有更高的机械性能，可以看到，整个断口型式变为穿球节。偶见有球节间的起始断裂。在α相显微组织范围中，亚组织状态有所发展。
图7示出尺寸为0.4-0.8μm的晶胞重新排列的复原组织。
图8示出多边形化步骤，该步骤是达到最高性能所必需的。
图9示出最高性能的典型组织，伴有0.05-0.01μm的位错微晶胞出现。
本发明详见于下述实施例。
将FISHER粒径为1.4-10μm的各元素粉末混合制成具有下列组成的产物（重量比）：W93%-Ni5%-Fe2%。
在230MPa压力下等压压制后，直径90mm、长500mm的压制件在隧道炉中于1490℃下烧结5小时，然后在加热到900-1300℃的炉中部分真空下保持25小时。
这样制得的产品再按本发明所述进行处理。周期处理进行的特定条件以及在不同处理周期中所达到的机械性能Rm（极限抗拉强度）、R0.2（延伸率为0.2%的屈服强度）、E（延伸率）、VH30（维氏硬度）及RHc（洛氏硬度）列于下表：
周期 加工度 热处理 极限抗拉 屈服强度 E VH30RHc
数目    %    温度℃    时间，小时    强度Rm    RP0.2    %    硬度    硬度
MPa    MPa
1    10-20    1050    1010    8    400    30
700/1200    4-8    1100    1050    8    420    38
2    10-15    1330    1310    5    470    45
500/1100    4-8，    1150    1000    20    380    38
3    20-50    1400    1320    9    470    40
500/1000    4-8    1450    1400    8    500    44
40-60    1820    1800    5    530    48
4    30-50    1840    1830    4    540    49
500/900    6-20    1850    1810    5    530    48
因此可见，周期数增多时断裂强度大大提高，延伸率仍足以允许合金变形。

Claims (3)

1、机械性能极高的重合金生产方法，该重合金中含有80-99%(重量比)的钨，以及镍和铁，其中Ni/Fe之比大于或等于2，该生产方法包括：
使用W，Ni，Fe以及必要时的Mo，Ti，Al，Mn，Co，Re的粉末，其FISHER直径为1-15μm；
将所述粉末以相当于所需合金组成的比例混合；
将所述粉末压制成型；
在1490-1650℃的温度下将压制件烧结2-5小时，以形成比重为15.6-18的合金，主要由钨α相以及镍和铁的γ粘结相构成；
在真空中于1000-1300℃的温度下处理烧结过的压制件并将其进行加工，其特征在于，为获得包括尺寸为0.01-1μm的位错晶胞的蝶翅形钨α相，以及平均自由程小于15μm的粘结γ相，将真空处理后的压制件进行至少三个操作周期，而每个操作周期包括加工步骤并后续热处理。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在开始的两个操作周期过程中，加工度小于后续的操作周期，而热处理温度高于后续的操作周期。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在第四个操作周期过程中，加工操作至少进行两次。
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