【doc】烧结温度对高钨重合金性能的影响

【doc】烧结温度对高钨重合金性能的影响 烧结温度对高钨重合金性能的影响 第32卷第1期 2004年3月 ? 试验与研究? 稀有金属与硬质合金 RareMetalsandC~nentedCarbides V_01.32?.1 Mar.2004 烧结温度对高钨重合金性能的影响 吴恩熙,吴爱华 (中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083) 摘要:研究了烧结温度对高钨含量w—Ni—Fe重合金显微组织及力学性能的影响.结果表明:钨基重合金的显 微组织和力学性能与烧结温度密切相关.合适的烧结温度可以使合金具有良好的显微组织和优良的力学性能, 而烧结温度较低时,合金中的粘结相分布不均匀,烧结温度较高时,合金中的钨颗粒粗大,两者都会显着降低其力 学性能. 关键词:烧结温度;高钨重合金;显微组织;力学性能 中图分类号:TG146.411文献标识码:A文章编号:1004—0536(2004)01—0016—03 EffectofSinteringTemperatureontheMechanica1Properties ofHigh——WTungstenHeavyA1loys WUEn一)(i.wUAi—hua (StateKeyLaboratoryofPowderMetallmgy,Central—SouthUniversity,Changsha410083,China) Abstract:Theinfluenceofsinteringtempera~reonmierostruetureandmechanicalpropertie sofhigh—Wtungstenheavy alloyshasbeenstudied.TheresultsSI"K/V~thatmicrostructureandmechanicalpropertieso fW—basedheavyalloysare closelyrelatedwithsinteringtemperature.Goodmicrostructureandmechanicallproperties Canbeobtainedatpropersinter. ingtemperature.I舢 sinteringtemperature,unevendistributionofbinder,highsinteringtemperature,coarsetung stengrain willresultinlowermechanicalproperty. Keywords:sinteringtemperature;high— Wtungstenheavyalloys;rnicrostructure;mechanicalproperty 1前言 钨基重合金是以钨为基本元素并加入少量镍, 铁等元素组成的合金,因其具有高密度(16.0,18.8 g/),高强度,高塑性和良好的加工性能等优点, 而广泛应用于兵器,航空航天等领域.目前制备钨 基重合金的方法是采用粉末冶金液相烧结工艺.钨 基重合金的显微组织和力学性能与烧结温度,烧结 时间,烧结气氛有密切关系.研究表明烧结时间对 90W一7Ni一3Fe组织和性能有显着的影响uJ.氢气 是一种扩散性很好的还原性气体,因而钨基重合金 的烧结均采用氢气烧结,但氢气气氛烧结时会使合 金产生氢脆,使合金强度,延性下降.据报道,进行 真空热处理可消除氢脆,使合金性能得到较大幅度 的提高[2--3].但到目前为止,对高钨重合金烧结温 度对组织与性能的影响尚缺乏深入系统的研究.为 此,本试验以95w(钨的质量分数为95%,下同)和 9(钨质量分数为97%,下同)的w—Ni—Fe高钨 重合金为研究对象,系统研究了烧结温度对高钨重 合金组织和性能的影响. 2实验方法 实验用的合金成分如附表所示.选用还原钨粉 (费氏粒度为3.0肿),羰基镍粉(费氏粒度为2.66 ),羰基铁粉(费氏粒度为3.97)为原材料,按 比例将钨,镍,铁粉混台球磨12h后,压制成拉伸试 收稿日期:2003—10—15;修回日期:2003—11—25 作者简介:吴恩熙(1947一),女,教授,从事难溶金属及硬质合金科学研究工作. 第1期吴恩熙,等:烧结温度对高锋里全全堡堂墅堕: 样.试样经脱脂和预烧后,在氢气气氛中不同温度 下烧结,保温时间均为1h,炉冷至室温,然后在 1250?真空退火2h. 附表合金成分 在JSiVI5600LV扫描 采用排水法测定试样密度, 电镜上进行断口分析,采用数点法和截割线等半定 量方法测定钨晶粒大小.在U一3000A机械拉力试 验机上测定拉仲强度,拉伸速率为1rma/rnin,应变 速率为1.1×10s_.. 3实验结果与讨论 3.1烧结温度对合金密度的影响 合金密度与烧结温度的关系如图1所示,由图 可见,4种成分合金的密度在所选的烧结温度下,均 接近合金的理论密度,经计算得出它们的相对密度 均已达到理论密度的99.3%以上,接近全致密.上 述结果是由于合金的烧结过程为液相烧结,烧结温 度下经历了液相生成与颗粒重排,固相溶解和析出, 以及固相骨架形成的3个阶段L4J.在升温过程中, 镍,铁粉末在较低温度下就相互扩散溶解,同时粘结 相粉末与钨颗粒之间发生固相扩散现象.当温度达 到镍铁二元共晶点温度时开始产生液相,钨颗粒在 液相内近似为悬浮状态,受液相表面张力的推动发 生位移,颗粒之间孔隙中液相所形成的毛细管力以 及液相本身的粘性流动,使钨颗粒调整位置,重新分 布以达到最紧密的排布.由于钨在镍,铁及其合金 中有很大的溶解度,所以在液相烧结过程中,钨颗粒 表面的原子会溶解于液相,颗粒表面原子的溶解快 慢与温度和颗粒的形状大小有关,温度越高钨颗粒 溶解越快,小颗粒钨粉及颗粒表面的棱角和凸起部 分溶解也较快.在钨颗粒表面原子溶解于液相时, 液相中的钨原子也会析出并沉积于大尺寸的钨颗粒 表面上,这种固相溶解析出的动态过程是通过液相 的物质迁移来实现的.经历了固相溶解和析出阶段 后,便可使球形钨颗粒均匀分布于粘结相中,固相溶 解和析出过程完成后便进入固相骨架形成阶段,此 时,钨颗粒之间相互接触并产生固相烧结现象,钨颗 粒会彼此粘合,并在扩散的基础上发生长大.当烧 结体完成液相烧结过程后,密度上升并接近全致密 化. 图1烧结温度与合金密度关系 3.2烧结温度对显微组织及断口形貌的影响 不同烧结温度下B合金的金相照片如图2所 示.图2a是1450?烧结的金相照片,由图可见,钨 颗粒呈球形分布于粘结相中,钨颗粒的粒径较小,晶 粒尺寸约为15.6van,但粘结相有分布不均匀现象. 图2b是烧结温度为1510?时的金相照片,粘结相 分布较图2a均匀,但钨颗粒的平均晶粒尺寸约为 29.7v.m,比图2a中大很多. 图3a是烧结温度为1470?时A合金的断口 形貌,合金断裂主要是穿晶断裂,有明显的解理台 阶,仅有少量的沿晶断裂形貌.图3b是烧结温度为 1530?时A合金的断口形貌.钨颗粒的晶粒大小 明显不均,并有微孔出现,但粘结相分布相对均匀. 断裂方式主要以沿晶断裂为主,并伴有少量的粘结 相撕裂. 比较图2,图3中4种合金的钨颗粒尺寸可以发 现,随着烧结温度的提高,钨颗粒的平均晶粒尺寸不 断增大,同时其颗粒大小不均匀性也明显增加.但 随着烧结温度的提高,粘结相的分布越来越均匀. 烧结温度对钨基高比重合金组织的影响主要是通过 影响其粘结相的分布和钨颗粒的长大来实现.粘结 相的分布主要与液态粘结相对固态钨颗粒表面的润 润湿性越好,越有利于获得粘结相分布均 湿性有关, 匀的显微组织.高钨重合金中的粘结相含量较少, 这种影响表现得尤为显着.润湿性可由润湿角 来表示,其表达式为 18稀有金属与硬质合金第32卷 图2不同烧结温度下B合金的金相照片 a——烧结温度为1450?.b——烧结温度为1510? 图3不同烧结温度下A合金拉伸试样的断口形貌(SEM)×1000 a——烧结温度为1470?;b——烧结温度为1530? cos0=(ys—ZsL)/yL(1) 式中,ys,yL,y分别为固态比表面能,液态比表面 能和液固相的界面能.升高温度会降低y,而对 ys和yI, 的影响不明显,因此可使润湿角0降低,由 式(1)可见,在一定范围内,提高烧结温度可加速其 烧结过程的进行,并可获得粘结相分布均匀的显微 组织,这一结论与实验中所观察到的结果相符. 钨颗粒的长大是以原子扩散为主要机制的长大 过程,其晶粒长大速率与原子的扩散速率密切相关, 扩散速率越大,晶粒长大速率越快,原子的扩散速率 D为 D=D0exp(一Q/)(2) 式中,D.为扩散常数,Q为扩散激活能,R为气体常 数,T为热力学温度.由式(2)可见,提高温度扩散 速率增大,从而晶粒长大速率增大.因此,在较高温 度烧结时,合金的平均晶粒尺寸增大.综合以上的 分析可以得出,在低温烧结高钨重合金时,合金中粘 结相分布不均匀;而在高温烧结时,合金中钨颗粒易 粗大,只有在合适的温度下烧结,才可以获得钨颗粒 细小,粘结相分布均匀的显微组织. 3.3烧结温度对拉伸强度及延伸率的影响 烧结温度对高钨重合金的拉伸强度和延伸 率的影响如图4所示.由图4可见,对于成分不 同的合金而言,拉伸强度和延伸率达到最大值时所 对应的烧结温度有所不同.A,B,C,D4种合金分别 在1470?,1490?,1510?,1510?烧结后可获 得最大的拉伸强度,其值分别为989MPa,992MPa, 965MPa,968MPa;而分别在1490?,1490?,1490 ?,1530?烧结后可获得最大延伸率,其值分别为 33.73%,29.29%,14.77%,13.44%.总体来说,钨 含量高的合金其达到最大拉伸强度和延伸率所对应 的温度要高,而镍铁比高(9:1)的合金比镍铁比低(7 :3)的合金拉伸强度和延伸率达到最大值的温度要 高.合金的力学性能与显微组织密切相关,粘结相 分布不均匀和钨颗粒粗大都会明显降低合金的伸拉 强度和延伸率.烧结温度通过影响粘结相的分布和 (下转第15页) 第1期阎洪,等:化兰墼二呈全全三茎墨窒 表2可以看出,Ni一4.51%B合金在硫酸和盐酸的 耐蚀性比基体35钢好得多,而比Ni一12.44%P 镀层差,这可能与Ni—B镀层的应力有关,Ni—B镀 层与Ni—I镀层相比应力较高,故较易腐蚀. 表2化学镀合金在不同腐蚀介质中的腐蚀 6试验小结 (1)以硼氢化钠为还原剂的碱性—B合金镀 液稳定,在85?下施镀,镀液具有较高的稳定性,采 用本试验的镀液可以制备出含硼量为4.51%的Ni — B合金镀层,镀层均匀,表面光泽并伴有灰黑色沉 积物. (2)化学镀Ni—B合金层为非晶态结构,镀层与 Q235钢结合较好. (3)在硫酸和盐酸溶液中,Ni—B镀层的耐蚀性 高于Q235钢基体,但低于光亮高磷的Ni一12.44%P 合金镀层,这可能与它的结构应力较高有关. 参考文献: [1]陶开斌.铝基体化学镀镍硼合金探讨[C].北京:中国电 子学会电镀专业委员会第七届电子电镀年会论文集. 1998.196. 『2]王丽丽.化学镀Ni—B合金工艺[J].电镀与涂饰,1998, 20(5):38. [3]王孝熔,等.化学镀镍磷合金工艺研究[J].电镀与涂 饰,1999,18(2):43 [4]叶康明.金属腐蚀与防护理论[M].北京:高等教育出版 }土,1993. [5]沃尔夫冈.里德尔.化学镀镍[M].上海:交通大学出版 社.1996. — 址—址—址—址—址—址—址—址—址——址—址—址——址—址—址—址—址—址——址—址—址址—址—址—.—址—址—址.—址.—址.—?—L—L—L—L—L—L——L (上接第18页) 图4烧结温度与合金力学性能关系 钨颗粒的晶粒尺寸来影响其力学性能,温度低时,粘性能. 结相分布不均匀,因此其力学性能较差,而烧结温度参考文献 : 其力学性能也会明显的降低. 过高时,钨颗粒粗大, [1]马国刚.烧结时间对W—Ni—Fe重合金的组织结构及性 4结论能影响的研究[J]兵器材料科学与工程,2001,24(5): 3】. (1)烧结温度对高钨重合金的组织和性能的影[2]张云廷钨合金真空热处理机理探讨[J].兵器材料科学 响明显,温度较低时粘结相分布不均,温度较高时,与工程,1990,1o2(3):19. 钨颗粒粗大,两者都会降低其力学性能.[3]朱桂森,等.Nx,~g比重合金力学性能的影响[J].金属 (2)95W一3.5Ni一1.5Fe,95W一4.5Ni一0.5Fe,,1981,17(1):39. 9刑一2.1Ni一0.9Fe,9刑一2.7Ni一0.3Fej奎4种成[4]黄培云.粉末冶金原理(第2版)[M]北京:冶金工业出 分的高钨重合金可分别在一定烧结温度下获得最佳版社.1997.