本发明涉及一种高强高韧钨合金材料及其制备方法。
背景技术：
1907年，一种低镍含量的钨合金问世，它是通过机械加工方法制备的，但是严重的脆性妨碍了它的应用。直到1909年，美国通用电器公司的库利奇(w．D．Coolidge)通过粉末冶金法制得钨坯条，再利用机械加工生产出在室温下具有延性的钨丝，从而奠定了钨丝加工业的基础，也奠定了粉末冶金的基础。钨合金是以钨为基加入其他元素组成的合金。在金属中，钨的熔点最高，高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好，比重大，除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外，钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。然而钨合金的断裂韧性并不高，难以满足市场的需求。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种具有钨合金材料传统的优点并显著提高了断裂韧性的高强高韧钨合金材料及其制备方法。为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种高强高韧钨合金材料及其制备方法，包括以下重量份数配比的原料：包括以下重量份数配比的原料：钨粉150-210份、钼丝12-18份、镍粉38-44份、铁粉50-110份、钴粉20-26份、铼粉8-14份、锰粉6-12份、锆粉3-9份、碳化钽5-11份和氧化钇5-11份。进一步的，包括以下重量份数配比的原料：钨粉160-200份、钼丝13-17份、镍粉39-43份、铁粉60-100份、钴粉21-25份、铼粉9-13份、锰粉7-11份、锆粉4-8份、碳化钽6-10份和氧化钇6-10份。进一步的，包括以下重量份数配比的原料：包括以下重量份数配比的原料：钨粉170-190份、钼丝14-16份、镍粉40-42份、铁粉70-90份、钴粉22-24份、铼粉10-12份、锰粉8-10份、锆粉5-7份、碳化钽7-9份和氧化钇7-9份。进一步的，包括以下重量份数配比的原料：钨粉180份、钼丝15份、镍粉41份、铁粉80份、钴粉23份、铼粉11份、锰粉9份、锆粉6份、碳化钽8份和氧化钇8份。进一步的，所述钨粉为纳米钨粉。进一步的，所述钼丝的直径为0.02-0.06mm，所述钼丝为镧钼丝。本发明要解决的另一技术问题是提供一种高强高韧钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：1）将钨粉150-210份、镍粉38-44份、铁粉50-110份、钴粉20-26份、铼粉8-14份、锰粉6-12份、锆粉3-9份、碳化钽5-11份和氧化钇5-11份进行真空干燥处理，干燥温度为90-110℃，真空度为4-6Pa，干燥时间为5-15min，制得干燥粉末，备用；2）将钼丝12-18份裁切成短丝，制得短丝，备用；3）将步骤1）制得的干燥粉末和步骤2）制得的短丝进行球磨混料，球磨混料的转速为1500-1700r/min，混料时间为8-12h，制得混合材料，备用；4）将步骤3）中的混合材料利用热等静压方法进行烧结，烧结时间为2-4小时，使用氮气作加压介质，压强为140-190MPa，即得钨合金材料。进一步的，所述步骤2）中的短丝的长度为0.5cm-1.5cm。进一步的，所述步骤4)中的烧结温度为1550-1750℃。以下是高强高韧钨合金材料的原料的作用或优点：钨粉：熔点极高，硬度很大，而钨是典型的稀有金属，具有极为重要的用途。钼丝：延伸率小，不易断丝，寿命长。镍粉：主要用于合金及用作催化剂。铁粉：是粉末冶金的主要原料。钴粉：钴作为粉末冶金中的粘结剂能保证硬质合金有一定的韧性铼粉：钨或钼合金中加入铼可增加延展性能。锰粉：主要用于金刚石工具，粉末冶金等行业中，有很好的脱氧能力，能把FeO还原成铁。锆粉：能细化晶粒、降低塑性一脆性转变温度。碳化钽：用于粉末冶金、切削工具、精细陶瓷、化学气相沉积、硬质耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蚀结构部件添加剂，提高合金的韧性，目前也用碳化钽做硬质合金烧结晶粒长大抑制剂用。氧化钇：烧结时添加氧化钇可有效降低钨合金的晶粒度。本发明的有益效果是：通过添加有钴粉和碳化钽，可以使得材料的韧性得到较大的增强，而且将粉末冶金工艺和纤维细丝增韧概念结合起来，使得成品的韧性和抗裂性能得到大大的提升，经过材料断裂韧性测试仪检测得断裂韧性与现有的钨合金相比提高了61%-70%，锆粉和碳化钽的配合使用，可以有效降低烧结时的晶粒度，再结合热等静压工艺加工处理后，材料可以达到100%致密化，使材料具有很高的再结晶温度、优异的高温强度和抗蠕变性能，高熔点、高硬度和高耐蚀性，经过硬度测试仪测得硬度与现有的钨合金相比提高了65-77%，提高钨的高温抗下垂性能，通过加入了铼粉可增加成品的延展性能，可以方便后续加工成各种板材，而且可以降低塑性-脆性转变温度，可以广泛应用于各种领域。具体实施方式实施例1一种高强高韧钨合金材料，包括以下重量份数配比的原料：钨粉150份、钼丝12份、镍粉38份、铁粉50份、钴粉20份、铼粉8份、锰粉6份、锆粉3份、碳化钽5份和氧化钇5份。一种高强高韧钨合金材料的制备方法包括以下步骤：1）将钨粉150份、镍粉38份、铁粉50份、钴粉20份、铼粉8份、锰粉6份、锆粉3份、碳化钽5份和氧化钇5份进行真空干燥处理，干燥温度为90℃，真空度为4Pa，干燥时间为5min，制得干燥粉末，备用；2）将钼丝12份裁切成0.5cm的短丝，制得短丝，备用；3）将步骤1）制得的干燥粉末和步骤2）制得的短丝进行球磨混料，球磨混料的转速为1500r/min，混料时间为8h，制得混合材料，备用；4）将步骤3）中的混合材料利用热等静压方法进行烧结，烧结温度为1550℃，烧结时间为2小时，使用氮气作加压介质，压强为140MPa，即得钨合金材料。经过硬度测试仪测得本实施例的钨合金材料的硬度为58HRC，现有常用的钨合金的硬度一般为35HRC，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比硬度提升了65%。经过材料断裂韧性测试仪检测得本实施例的钨合金材料断的裂韧性为7.6MPam½，现有常用的钨合金的断裂韧性一般为4.7MPam½，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比断裂韧性提高了61%。实施例2一种高强高韧钨合金材料，包括以下重量份数配比的原料：钨粉210份、钼丝18份、镍粉44份、铁粉110份、钴粉26份、铼粉14份、锰粉12份、锆粉9份、碳化钽11份和氧化钇11份。一种高强高韧钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：1）将钨粉210份、镍粉44份、铁粉110份、钴粉26份、铼粉14份、锰粉12份、锆粉9份、碳化钽11份和氧化钇11份进行真空干燥处理，干燥温度为110℃，真空度为6Pa，干燥时间为15min，制得干燥粉末，备用；2）将钼丝18份裁切成1.5cm的短丝，制得短丝，备用；3）将步骤1）制得的干燥粉末和步骤2）制得的短丝进行球磨混料，球磨混料的转速为1700r/min，混料时间为12h，制得混合材料，备用；4）将步骤3）中的混合材料利用热等静压方法进行烧结，烧结温度为1750℃，烧结时间为4小时，使用氮气作加压介质，压强为190MPa，即得钨合金材料。经过硬度测试仪测得本实施例的钨合金材料的硬度为60HRC，现有常用的钨合金的硬度一般为35HRC，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比硬度提升了71%。经过材料断裂韧性测试仪检测得本实施例的钨合金材料的断裂韧性为7.7MPam½，现有常用的钨合金的断裂韧性一般为4.7MPam½，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比断裂韧性提高了63%。实施例3一种高强高韧钨合金材料，包括以下重量份数配比的原料：钨粉180份、钼丝15份、镍粉41份、铁粉80份、钴粉23份、铼粉11份、锰粉9份、锆粉6份、碳化钽8份和氧化钇8份。一种高强高韧钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：1）将钨粉180份、镍粉41份、铁粉80份、钴粉23份、铼粉11份、锰粉9份、锆粉6份、碳化钽8份和氧化钇8份进行真空干燥处理，干燥温度为100℃，真空度为5Pa，干燥时间为10min，制得干燥粉末，备用；2）将钼丝15份裁切成0.7cm的短丝，制得短丝，备用；3）将步骤1）制得的干燥粉末和步骤2）制得的短丝进行球磨混料，球磨混料的转速为1600r/min，混料时间为10h，制得混合材料，备用；4）将步骤3）中的混合材料利用热等静压方法进行烧结，烧结温度为1650℃，烧结时间为3小时，使用氮气作加压介质，压强为170MPa，即得钨合金材料。经过硬度测试仪测得本实施例的钨合金材料的硬度为59HRC，现有常用的钨合金的硬度一般为35HRC，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比硬度提升了68%。经过材料断裂韧性测试仪检测得本实施例的钨合金材料的断裂韧性为7.8MPam½，现有常用的钨合金的断裂韧性一般为4.7MPam½，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比断裂韧性提高了65%。实施例4一种高强高韧钨合金材料，包括以下重量份数配比的原料：纳米钨粉180份、镧钼丝15份、镍粉41份、铁粉80份、钴粉23份、铼粉11份、锰粉9份、锆粉6份、碳化钽8份和氧化钇8份。一种高强高韧钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：1）将纳米钨粉180份、镍粉41份、铁粉80份、钴粉23份、铼粉11份、锰粉9份、锆粉6份、碳化钽8份和氧化钇8份进行真空干燥处理，干燥温度为100℃，真空度为5Pa，干燥时间为10min，制得干燥粉末，备用；2）将直径为0.02cm的镧钼丝15份裁切成0.7cm的短丝，制得短丝，备用；3）将步骤1）制得的干燥粉末和步骤2）制得的短丝进行球磨混料，球磨混料的转速为1600r/min，混料时间为10h，制得混合材料，备用；4）将步骤3）中的混合材料利用热等静压方法进行烧结，烧结温度为1650℃，烧结时间为3小时，使用氮气作加压介质，压强为170MPa，即得钨合金材料。经过硬度测试仪测得本实施例的钨合金材料的硬度为62HRC，现有常用的钨合金的硬度一般为35HRC，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比硬度提升了77%。经过材料断裂韧性测试仪检测得本实施例的钨合金材料的断裂韧性为8.0am½，现有常用的钨合金的断裂韧性一般为4.7MPam½，本实施例的钨合金材料与现有的常用钨合金相比断裂韧性提高了70%。本发明的有益效果是：通过添加有钴粉和碳化钽，可以使得材料的韧性得到较大的增强，而且将粉末冶金工艺和纤维细丝增韧概念结合起来，使得成品的韧性和抗裂性能得到大大的提升，经过材料断裂韧性测试仪检测得断裂韧性与现有的钨合金相比提高了61%-70%，锆粉和碳化钽的配合使用，可以有效降低烧结时的晶粒度，再结合热等静压工艺加工处理后，材料可以达到100%致密化，使材料具有很高的再结晶温度、优异的高温强度和抗蠕变性能，高熔点、高硬度和高耐蚀性，经过硬度测试仪测得硬度与现有的钨合金相比提高了65-77%，提高钨的高温抗下垂性能，通过加入了铼粉可增加成品的延展性能，可以方便后续加工成各种板材，而且可以降低塑性-脆性转变温度，可以广泛应用于各种领域。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。