高比重钨合金的低温烧结

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1、高比重钨合金的低温烧结高比重钨合金的低温烧结刘志国，张宝生，庄育智(北京有色金属研究总院1 0 0 0 8 8 )(中国劳动科学研究院)研究了高比重钨合 会的高压成型、低温烧结。高压成型时烧结温度为1 3 5 0 C。经过低温烧结的合金密度可达理论密度的99%以上，但合金的微观组 织同高温烧结存在很大的差 别，低温烧结合金内钨钼相没有完全球化，所占的体积分数较高，粘接相的含量较少。关键词：钨 合金， 高压成型，低温烧结一、前言通常，高比重钨合金是通过液相烧结制备而成。合金的微观组 织是单质的钨颗粒分布在镍固溶体基体内。 钨颗粒是一种硬而脆的相，而基体是一种韧性相。高比 重钨合金具有许多优异的性

2、能，例如密度、强度及韧性较高，且具有好的导电、 导热性、抗腐蚀性 和机械加工性。因此，在材料领域中高比重钨合金是一种有用的工程材料，并且广泛应用在各个工 业领域。自30 年代高比重钨合金出现以来，科技工作者就对其进行了大量的研究工作，发现影响 高比重钨合金性能的因素主要有：合金的成份、杂质 含量、烧结工艺、烧结后的形变处理及热处理过程。例如：当残留的氢含量大于0 .5wt%时，合金的性能将急剧下降，特别是韧性 和塑性，但氢的有害作用可以通过真空热处理来消除1、2。金属间化合物及杂质元素在晶界处析出将使合金的塑性降低而变脆， 而它们的形成或消除可以用纯原料和高温淬火加以控制-3,4。镍铁比对合金

3、性能也有重要影响，但是目前对最佳镍铁比始终没 有统一的说法57。目前，对高比重钨合金的研究主要集中在改变合金的微观组织及气孔、杂质的含量和分布，从而提高合金 的大学性能。可是对粉末成形工艺的研究却较少。本文主要介绍成形压力对烧结工艺、性能和 微观组织的影响，以期通过高的压制压力 达到降低烧结温度的目的。二、实验过程实验所用金属粉末的特性如表1所不。本实验所选用合金的成分：9 0W70Ni3Fe(wt% )及微量的Co.Mn。采用干混法对合金粉末进行混制。用滚筒式混料机混料，混料时间为12h。金属粉 末的成形是利 用冷等静压机来完成的，但是选用了不同的成形压力，常压成形在普通的冷等静压力 机上完

4、成。而高压成形是在改造的等静液挤压机上 完成的。为了消除金属颗粒表面氧化物的有害作用，烧结前首先对压制的合金试样进行预烧，预烧温度为9 0 0 C，烧结时间为1h, 预烧气氛为氢气。经过预烧的试样分别在1 3 5 0、1 4 5 0 C进行不同时间的真空烧结，真空度为1 .33 X10_(3)Pa 利用排水法测定了各个状态下试样的密度，对于烧结后试样利用洛氏硬度 计进行硬度测定，最后利用扫描显微镜进行微观组织观察。三、 实验结果表2是不同工艺条件下各 个试样的密度和硬度值。图1是合金的实际密度同理度密度的比值与烧结温度的关系曲线。由图1 可 知，在相同条件下，采用高压成型的试样无论是烧结前还是

5、烧结后的密度均高于常压成型试样密度；在1 3 5 0 C烧结lh,用高压成 型的试样可达到理论密度的9 4.7%，而常压成型的试样 只达到89.5%。烧结时间为1 .5h时，高压成型的试样密度可达9 8.9%，几乎达到理论 密度。常压成型的试样密度只是理论密度的9 6.5%，但当烧结温度提高到1 4 5 0 C时，无论 是高压成 型还是常压成型，只要烧结lh均能达到理论密度的9 9%以上。因此就密度而言可以利用高压成型实现低温烧结。显然，试样的硬度 与烧结工艺和密度有着密切的关系。当试样的密度较 低时，它们所对应的硬度也较低，只有当实际密度接近理论密度时试样的硬度才能 达到较高的数值 ，但随着

6、烧结温度的升高和烧结时间的延长，试样的硬度反而有所降低，这可能是钨向基体内溶入 所造成的。四、分 析和讨论烧结过程的原动力是烧结系统自由能的降低。其中包括下述几个方面： 由于颗粒结合面(烧结颈)的增大和颗粒平直化，粉末 的总比表面积和总表面自由能减小；烧结体 内孔隙的总体积和总表面积减小，粉末颗粒内晶格畸变的消除。合金粉末经过压制后必将发 生一定 的变形，合金粉末颗粒内将储存一定的能量，即储存能，储存能是晶格畸变能的一部分，由于储存 能的存在使粉末颗粒处于不 稳定状态。粉末颗粒内的储存能e可以用下式表示8： (1)其中，G为剪切模量，T为剪切应力。显然同一种材料剪切模量为定 值，所以储存能与剪

7、切应力的平 方成正比。储存能随着剪切应力的增大而增加，而剪切应力随着粉末压制力的提高而增大，所以粉 末 的成型压力大，粉末颗粒所受的剪切应力就大，颗粒内的储存能就高，粉末颗粒就将处于不稳定 状态，且具有向稳定态发展的趋势，因 此采用高压压制的粉末将比采用常压压制的粉末容易烧结。烧结系统自由能可以直接反应化学势梯度p P。依据GibbeThom son方程可得到粉末内孔隙的蒸压引起的化学势梯度9 。(2 )其中，E为自由表面能，Q为原子体积，r_p为孔隙的曲率 半径，合金粉末确定后自由表面能和原子体积为一定值，孔隙的曲率半径同压制过程 有关。当压制密度高时，粉末内孔隙的曲率半径就 小。由(2)式

8、可知，孔隙的化学势梯度值也大 。由表2可知，采用高压成型的粉末密度高于常压成型的粉末密度，所以前者的化学势 梯度值就比较高，烧结的动力就大。合金粉末也就易于烧结。图2为不同成型压力试样经9 0 0 C预烧后断口 的电镜照片。显然常压 成型试样的断口内孔隙较多，并且颗粒的棱角也很明显；高压成型试样的断 口内孔隙较少，颗粒间咬合接触的也很好，颗粒自身的棱角 大部分都消失，颗粒之间的接触面积也比常压成型试样的要大Ni、Fe颗粒对钨颗粒的包覆也较好。这说明高压成型的粉末发生了 较 大的塑性变形，粉末颗粒内具有较高的储存能。高压成型粉末断口内孔隙尺寸比常压成型粉末断口 内孔隙尺寸小，孔隙的曲率半径 也较

9、小。由(2)式可知，高压成型粉末的化学梯度值将比常压成 型粉末的要高。因此高压成型将导致烧结温度降低，烧结速度加快。 图3是试样在几种工艺条件下 的金相照片。每张照片所对应的密度值均已达到理论密度的99%以上，在照片上基本没有孔隙出 现。 从图3 a中还看出球化的程度很好，图3b、c的球化程度差别不大，图3d优于图3b、c .结合图2可知，随着烧结温度升高和烧 结时间的延长，合金组织内基体相在不断增加，而钨相在 不断减少，这说明钨在不断向基体内溶入。从微观组织与密度关系来看，即使 合金的微观组织没有 完全球化，合金也能实现充分致密化，随着钨相的不断球化和向基体内的溶入，合金的硬度也不断 下降。五、结 论高比重钨合金可以实现高压成型低温烧结。当采用高压成型时，于1 3 5 0 C、1 . 5h烧结后合金的实际密度可达理论密度的99%； 合金的硬度随着密度的提高而增加，当密度 接近理论密度时，合金的硬度达到最大值。但是，随着烧结温度的升高和烧结时间的延长， 合金的 硬度反而降低。研究微观组织发现，合金在低温烧结时虽然实际密度接近理论密度，但合金的微观 组织同高温烧结的合金组织 存在很大的差别。在低温烧结的合金组织内钨相没有完全球化，钨向基 体内的溶入量比较少，基体的含量也较少。