王帅

摘 要：真空度是真空烧结高比重钨合金重要工艺参数之一，理想真空度是真空烧结时在保证产品不发生氧化时合理控制粘结相的蒸发，使其不会对合金性能产生显著影响。试验设置10-4、10-2和10-0三个等级的真空度，并采用同一温度对95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co进行真空烧结。结果表明采用10-4级真空度烧结的产品粘结相严重蒸发且密度超差较多;采用10-2级真空度烧结的产品粘结相蒸发较少，密度、化学成分等指标均正常;采用10-0级真空度烧结的产品表面明显氧化。

关键词：高比重钨合金;真空烧结;真空度;粘结相蒸发;密度

Abstract： Vacuum degree is one of the important process parameters of vacuum sintering high-specific gravity tungsten alloy. The ideal vacuum degree is to control the evaporation of bonding phase reasonably during vacuum sintering to ensure that the products do not oxidize， so that it will not have significant influence on the properties of the alloy. The test set the vacuum degree of 10-4， 10-2 and 10-0， and used the same temperature for 95W-3.4Ni-1.4 FE-0.2 Co vacuum sintering. The results show that the bonding phase of the product with grade 10-4 vacuum sintering is seriously evaporated and the density is much out of tolerance. The product sintered with grade 10-2 vacuum has less evaporation of bonding phase and normal density， chemical composition and other indexes. The surface of the product is oxidized obviously by sintering the vacuum degree of 10-0.

Key words： high-specific gravity tungsten alloy; Vacuum sintering; The vacuum degree; Bonding phase evaporation; The density

高比重鎢合金是一种以钨为基体，添加镍、铁、铜、钴、锰等元素组成的合金。通常钨含量在85%-98%范围内，烧结后合金密度高达14.0-19.0g/cm3[1]。高比重钨合金具有密度大、强度高、热膨胀系数低等优异的物理和力学性能，其在国防和民用工业领域得到广泛应用。通常采用粉末冶金方法生产，一般经过混粉、压制成型、烧结及机加工等后处理制得。高比重钨合金的烧结过程是合金制备过程中十分重要的环节，烧结工艺对合金的致密度、组织形貌、成分偏析和烧结坯形状等起决定性作用。烧结方法通常为氢气烧结、真空烧结、热压烧结、微波烧结和放电等离子体烧结等。其中用于工业批量生产的工艺通常为氢气烧结和真空烧结，由于安全和环保等因素，国家出台一系列法规和政策引导企业淘汰传统落后的氢气烧结工艺，并鼓励企业向真空烧结工艺转换。但由于真空烧结高比重钨合金时，粘结相镍、铁、钴等在高温时呈现液相，在真空状态下金属粘结相蒸发尤为明显，导致最终产品密度偏高且性能较差。本文以95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co合金为例，采用真空烧结制备工艺，并重点考察真空度对合金性能的影响。

1实验

1.1原材料

原材料分别采用FWG-1钨粉、FNiTG-2镍粉、FFeTG-1铁粉和FCoTG-1钴粉。按照质量比95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co进行配料，并加入总粉质量2%的硬脂酸1801作为成型剂，在ZX-0.4M3双锥高效混合机上进行混合，混合时间为8小时，每隔60分钟变换一次方向，混料完成后制得混合粉。

1.2制备工艺

粉体成型采用YND79Z-200A粉末液压机设备，利用刚性模具单向压制，压制压力为49吨，保压时间为2秒，压坯形状为φ120mm×φ105mm×6.5mm的圆环体。将压坯放入罩式气氛脱粘炉内热脱脂，升温速率为5℃/min，最高温度升至800℃，去除压坯体内的成型剂硬脂酸，并进行了预烧结，使环体具有了一定的强度，使其在后序周转过程中不易产生掉碴和缺肉等情况。

1.3试验过程

使用VHSF-7712真空烧结炉进行液相烧结。本试验共进行了三次真空烧结并采用相同升温曲线：室温160分钟升至800℃，保温60分钟，60分钟升至1200℃，90分钟升至1500℃，保温60分钟，降温过程采用随炉冷却。每组试验通过开启不同的真空系统来控制炉内的真空度。第一组真空烧结过程将滑阀机械泵、罗茨泵和油扩散泵全部开启;第二组真空烧结过程开启滑阀机械泵和罗茨泵;第三组真空烧结过程只开启滑阀机械泵。

1.4化学成分及性能测试

利用JA5003电子密度仪对三组试验产品进行密度测量。将真空烧结后的三组试验产品分别车成碎屑后使用等离子体发射光谱仪进行镍、铁、钴元素化学成分含量检测。利用WMJ-9370倒置金相显微镜观察分别观察产品组织结构。利用HR-150A洛氏硬度计检测三组试验产品硬度值。

2.结果与讨论

真空烧结试验实际真空度分别为第一组9.9E-4、第二组4.6E-2、第三组8.2E-0。

2.1  95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重钨合金密度分析

W-Ni-Fe系合金的烧结过程属于典型的液相烧结，在升温过程中，镍、铁粘结相粉末在较低温度下就相互扩散溶解，同时粘结相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。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。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，并在扩散的基础上发生晶粒长大，此时密度上升至最大值并接近全致密[2]。

三组试验密度值分别为18.47g/cm3、18.22g/cm3和18.18g/cm3。由于第一组试验真空度为9.9E-4，炉内真空度较高，在烧结的过程中，粘结金属在液相出现时产生大量的蒸发损失，进而造成合金中钨含量的升高，这是导致密度偏高的主要原因。从二三组试验可以看出，当真空度降至E-2级时，粘结相蒸发较少，密度未发生明显偏差。

2.2  95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重钨合金化学成分分析

三组试验化学成分分析结果见表1。由于第一组试验在高温烧结阶段粘结相镍、铁、钴大量蒸发，三种元素质量分数约减少至一半。二、三组试验由于真空度较低，粘结相蒸发较少，故各元素质量分数波动较小。

2.3 95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重钨合金组织结构分析

图1-3分别为三组试验在金相显微镜下放大500倍后的显微组织。

从图1中可以看出，第一组试验钨颗粒周围粘结相蒸发较为明显，个别区域已完全蒸发，导致钨颗粒直接接觸呈现片状。从图2和图3二、三组试验可以看出粘结相比较充分且均匀分布在钨颗粒周围，未出现粘结相明显蒸发情况。

2.4  95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重钨合金硬度分析

三组试验产品洛氏硬度HRC值分别为33.5、32.0和38.5，可以看出第三组产品较一二组硬度值明显偏大，原因为第三组产品在烧结过程中，由于炉内真空度较低，发生明显氧化现象，导致硬度值偏高。

2.5  95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重钨合金外观分析

三组真空烧结后的产品实物见图4。第一组产品由于镍、铁、钴粘结相严重蒸发，烧结后的产品绝大部分相为钨颗粒，故产品外观颜色为暗灰色，缺少金属光泽且表面粗糙。第二组产品则外观金属光泽明显，表面光滑明亮，粘结相能够充分且均匀分布在钨颗粒周围，并形成良好的包裹性。第三组产品则由于烧结时真空度较低产品出现轻微氧化现象，外观呈现蓝色、黄色等多种色彩。造成此现象的原因为钨颗粒发生氧化反应形成了二氧化钨和三氧化钨等多种氧化物。

3.结论

采用真空烧结制备95W-3.4Ni-1.4Fe-0.2Co高比重钨合金，升温过程采用同一升温曲线，烧结最高温度设置为1500℃，通过设置真空泵系统，调整炉内的真空度，得到以下结果：

1）当真空度为9.9E-4时，镍、铁、钴粘结相出现严重蒸发，其蒸发量约达到各元素添加量的二分之一，产品外观灰暗，密度值较理论值升高0.26g/cm3。

2）当真空度为4.6E-2时，产品粘结相无明显蒸发，且均匀分布在钨颗粒周围，产品外观光滑且金属光泽明显，密度基本达到理论值，产品较正常。

3）当真空度为8.2E-0时，产品粘结相无明显蒸发，产品出现氧化现象，密度值略低于理论值，硬度值偏高。

参考文献：

[1]李耀强，强立行，晏朝晖.钨合金烧结密度差异问题的分析及解决方法[J].科技与创新.2016（17）：17

[2] 黄培云. 粉末冶金原理[M]. 2 版. 冶金工业出版社， 2008