真空烧结中W-Ni-Fe系高比重合金的挥发与控制

徐东安 常 哲

（1.驻沈阳地区军事代表局驻沈阳地区第二军事代表室，辽宁 沈阳 110004；2.沈阳含能金属材料制造有限公司，辽宁 沈阳 110024）

0 引言

高比重钨合金是以钨为基体（钨含量为80%~97%），在加入少量的Ni、Cu、Fe、Co等微量元素后，组成的合金体系，一般为W-Ni-Cu和W-Ni-Fe两大系。钨基高比重合金具有优异的力学性能，不仅强度、硬度以及延伸率高，而且冲击韧性强，热膨胀系数小，导电率高、导热性好、耐腐蚀、抗氧化，还具有易于机加工和可焊接性好等优点[1]，在现代工业，尤其是军事工业中占据着重要的地位。

1 钨基高比重合金在弹用材料中的应用

钨基高比重合金的优异性能使其在军事工业和民用中得到了广泛的应用，如用作杆式动能穿甲弹的弹芯材料、预制破片、平衡配重元件、惯性元件、射线屏蔽材料等。该文主要介绍钨基高比重合金在弹用材料中的一些应用。

1.1 在穿甲弹中的应用

钨基高比重合金穿甲杆已经广泛应用于各种型号穿甲弹，穿甲弹穿甲时依靠弹头的动能穿透装甲从而摧毁目标。钨基高比重合金穿甲弹的特性是初速高，飞行距离远，精确度高，主要用于对付坦克、装甲车、船只、飞行器等装甲目标，可穿透防弹衣、装甲车、坦克等目标，比较典型的穿甲弹如美国M829系列、德国DM53/63等，在军事工业中占有非常重要的位置。图1为德国DM63穿甲弹，图2为美国陆军120mm M829A2曳光尾翼稳定脱壳穿甲弹。

图1 德国DM63穿甲弹

图2 美国120mm M829A2穿甲弹

从经济可行性角度考虑，可用于穿甲弹材料的高比重金属只有贫铀和钨基高比重合金。

钨在中国江西有世界级的矿藏，我军以钨原料为主；美军贫钨，浓缩铀废料用来做贫铀弹，但是贫铀弹有3个优点3个缺点。

优点：1）贫铀比重大，大概密度和黄金差不多，比高比重钨合金大1g/cm3。2）贫铀在穿甲中会自锐，而高比重钨合金会钝化。3）贫铀是核废料，处理麻烦。

缺点：1）污染对自己人和敌人同样有后遗症，而且回收成本高，军事演习都无法使用。2）钨基高比重合金耐高温性在金属中排第一，铀高温变形比较严重，为了加固和拉长弹体消解重量，贫铀弹普遍要做得大一点。3）贫铀弹经过某战争的使用，在媒体的反复渲染下已经算是反人类武器。

所以钨基高比重合金与贫铀合金穿甲弹相比具有无毒性、无放射性污染等优点，是当今世界各国装备的主要穿甲弹用材料，也是穿甲弹今后发展的主要方向。

1.2 在预制破片中的应用

钨基高比重合金预制破片在杀伤爆破弹、拦截导弹以及远程导弹的应用也非常广泛，例如XXXmm杀爆弹；XXX型号远程拦截导弹；XXX型号远程制导杀爆弹等都应用了钨基高比重合金预制破片，图3为某预制破片战斗部结构示意图，中间的球状物就是钨基高比重合金预制破片，这些小型的预制破片具有高密度的毁伤和侵彻功能，是战斗部的主要类型之一，主要是在高能炸药爆炸作用下，形成大量高速破片，利用破片的高速碰击、引燃和引爆作用毁伤目标。可以用于杀伤有生力量（人、畜）、无装甲或轻型装甲车辆、飞机、雷达以及导弹等武器装备，在战争中处于主导地位。

图3 某预制破片战斗部结构示意图

2 钨基高比重合金的研究现状

2.1 钨基高比重合金的基本特性

钨基高比重合金一般是指W -Ni -Fe 、W -Ni -Cu合金体系，其含钨量为80 %~ 97 %，钨基高比重度合金在军事工业迅速的发展和广泛的应用，这主要归功于钨基高密度合金具有以下优异的性能特点[2-4]：1）高密度。最高能达到18.7g/cm3，比钢的密度高1倍；2）高强度。烧结态的钨基高比重合金抗拉强度能达到500MPa~900MPa，经高温退火和淬火处理后其抗拉强度可达1400MPa以上；3）塑性。伸长率达22%以上；4）韧性。冲击韧度可达130J/cm2以上；5）防幅射。比铅的防辐射能力提高50%~60%；6）抗氧化性。≤500℃无明显氧化；7）高温性能。在800℃下抗拉能达到300MPa以上。

2.2 烧结工艺的研究

钨基高比重合金的烧结方式有很多，有固相烧结、液相烧结、放电等离子烧结、微波烧结、两步烧结、低温活化烧结、选择性激光烧结和叠烧等，这些烧结方式中比较传统且用途最广的就是固相烧结和液相烧结，固相烧结主要应用于一些带孔隙的骨架烧结，如钨渗铜用钨骨架等，液相烧结主要应用于钨基高比重合金，液相烧结又分为持续液相烧结、瞬时液相烧结、施压液相烧结以及反向液相烧结，液相烧结的方式也很多，如氢气烧结、真空烧结、热等静压烧结、真空烧结后续热等静压烧结等，现在钨基高比重合金行业中应用最多的就是氢气烧结和真空烧结。

氢气烧结是一种很传统的烧结方式，应用很广泛，氢气是一种扩散性很好的还原性气体，在烧结过程中常用作保护气体，优点是能使零件脱气、脱氧、脱硫以及能使有害杂质蒸发分离，避免零件氧化、污染；氢气保护的烧结炉，结构也比较简单，可连续操作，但有些金属材料不宜在氢气中烧结，氢气为易爆易燃气体，应注意安全。在氢气烧结期间还有一些氢原子会溶解在金属中，形成氢脆，导致产品的力学性能下降。

真空烧结也广泛应用于军用和民用行业，有以下优点：1）在真空烧结条件下，易于控制合金的含碳量。在烧结温度下，炉内压力只有几十帕（Pa），甚至更低，O2、N2、H2和H2O分子极少，许多反应均可忽略，介质的影响很小。只要严格控制脱胶过程，合金的碳含量在真空烧结过程的变化极小，性能及组织相当稳定。2）在真空烧结条件下，可提高合金的纯度。真空烧结有利于金属氧化物还原，整个烧结周期不用开炉门，无空气进入，几乎不会发生N2、O2参加的反应。3）在真空烧结条件下，合金表面吸附的杂质少，改善Ni-Fe相的润湿性，提高钨基高比重合金的强度。4）在真空烧结条件下，工艺操作简便。由于真空烧结时可以不用填料，这不仅简化了操作，还可避免填料对烧结体表面的不利影响。

但是W-Ni-Fe合金在真空烧结过程中，Ni-Fe合金的挥发量很大，例如在粉料中配入5%含量的Ni-Fe，当炉内压力为1×10-3Pa时，烧结时间60min，W-Ni-Fe合金中的Ni-Fe合金就会降到2%~3%。这就是由于在烧结温度下，Ni-Fe合金的平衡蒸气压高的缘故。因此，如不采取有效措施，很难烧结出符合要求的W-Ni-Fe合金，下面要通过试验来抑制Ni-Fe合金的挥发以及确定Ni-Fe合金在烧结中的平衡蒸汽压力。

3 实验方法

3.1 合金原料

实验用制备钨基高比重合金的原材料性能如表1所示，该表材料的指标均符合国家军用标准。

表1 原材料性能指标

3.2 工艺流程

该研究所采用的工艺路线如图4所示，该工艺路线仅适用于该公司实验室制备工艺路线。

图4 钨基高比重合金制备的工艺流程

3.3 W-Ni-Fe合金的制备

制备 W-Ni-Fe 合金的工艺路线如下所述。1）合金成分配比：该配比是常规合金配比，Ni∶Fe=7∶3。2）混料：将配好的合金粉加入成型剂，在双锥型混料机中进行混料。混料用球为轴承钢球球，球占总重的40%，混料时间为10h。 3）捏合：将混合好的合金粉放入捏合机，捏合温度为90℃~110℃，捏合时间为60min。4）降温过筛：将捏合完的料至于料车上，室温晾干，温度达到室温后，过100目筛。5）模压成形：该实验采用全自动模压成形，将合金粉末混合料置于25t全自动干粉压机内压制成形，压制压力为5MPa，压制方式为阴模浮动单向压制。6）脱脂：脱脂在氢气气氛脱脂炉内进行，其工艺曲线如图5所示，该曲线是该公司正常所使用的曲线，仅适用于该公司成型剂的脱除。7）烧结：将模压成形后的产品放入真空炉进行烧结。

图5 脱脂工艺曲线

3.4 实验方案

实验所用原材料粉为W粉、Ni粉、Fe粉合金成分如表2所示。采用真空烧结方法制备W-Ni-Fe系高比重合金，真空压力与充氩压力方案如表3所示，真空烧结时升温速率5℃/min，并于1500℃保温60min后炉冷。

表2 合金成分设计

表3 真空压力与充氩压力

4 实验结果

选用95W-3.5Ni-1.5Fe合金，在经过配料－混料－捏合－干燥－过筛－模压成型－脱黏工序后，将试验的产品放入真空炉中，按照表3的参数进行抽真空和充氩气，分别进行抽真空1×10-3Pa、1×10-2Pa、1×10-1Pa、10Pa 4个方案和充氩气5×102Pa、1×103Pa、2×103Pa、3×103Pa、4×103Pa 5个方案的试验，每炉保温时间60min，烧结温度1500℃，降温后取样分析Ni和Fe的含量。试验结果汇总如表4所示，表4是不同真空压力与充氩压力下Ni、Fe含量的变化。

表4 不同真空压力与充氩压力下Ni、Fe含量的变化

5 结论

从表4可以看出，当炉内的氩气压力逐渐增大时，从5×102Pa增大到1×103Pa又继续增大到2×103Pa时，Ni和Fe元素的挥发量在逐渐降低，从剩余含量Ni（2.37%）、Fe（0.99%）变化到剩余含量Ni（3.22%）、Fe（1.31%），已经逐渐接近配入量，当炉内充氩压力达到3×103Pa、4×103Pa时，W-Ni-Fe合金中的Ni和Fe的含量基本不变，剩余含量Ni（3.49%和3.5%）、Fe（1.51%和1.49%），基本和配入量一致，因此可以认为，充氩3×103Pa的压力已经大于该烧结温度条件下Ni-Fe的蒸气压，已是可以抑制W-Ni-Fe合金中Ni-Fe的挥发而保证Ni-Fe成分的稳定，抑制钨基高比重合金中Ni和Fe元素挥发的氩气压力为3×103Pa。