专利名称：一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钨镍铁合金的烧结工艺，特别是涉及一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺。
背景技术：
钨镍铁合金是一种以钨为基体(钨含量为85%_98%)，加入少量Ni、Fe两种元素组成的合金，其密度高达16. 5-19. Og/cm3,又被称为重合金或高密度合金。钨镍铁合金具有密度高、强度和硬度高、导电性和导热性好、热膨胀系数小、抗腐蚀和抗氧化性好、机械加工性和焊接性好等一系列优异的物理力学性能和使用性能，因此钨镍铁合金在国防工业和民用工业中都得到了广泛的应用，特别是W-Ni-Fe合金在国防工业上用作强毁伤战斗部材料，它被认为是取代贫铀弹最具有潜力的环保性军用新材料。
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钨镍铁合金由高熔点的钨相和具有较低熔点的Y相(Ni-Fe)两相组成，两相熔点相差很大(钨相熔点为3410°C，Y相的熔点极低)，因此钨镍铁合金是一种典型的液相烧结合金。在液相烧结中，固相在液相中的溶解度、固相与液相的界面能以及液相沿固-固晶界的渗透性在很大程度上影响烧结速度和显微组织的变化。烧结工艺参数如颗粒尺寸、烧结温度、烧结时间、烧结气氛和压坯密度对材料的性能也有较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，采用通氢气保护的中频感应炉间接加热烧结法代替传统的高温钥丝烧结炉加热烧结法，并提出“二步烧结法”烧结工艺以控制钨镍铁合金在液相烧结阶段的变形，从而保证钨镍铁合金棒材的密度、纯度、内部显微组织等各种性能要求。本发明采用如下技术方案
一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，包括如下步骤
1)备料钨粉的W含量>99. 95 % ;镍粉的Ni含量> 99. 8% ;铁粉的Fe含量> 99. 5% ；
2)选粉使用200目的筛子，对原材料粉末进行筛选；3)配粉；
4)装模将上述混合后的合金粉，填充在橡胶模袋中；
5)冷等静压压制成型；
6)烧结采用两步烧结法在通氢气保护的中频感应炉内烧结，分为预烧结、固相烧结、液相烧结三个阶段，具体工艺过程如下
a)预烧结室温升温至70(T90(TC，用时3 4h，保温f 2h ；
b)固相烧结继续加热至10700C 1420°C，用时4 6h，保温I 2h；
c)液相烧结:继续加热至14700C 1550°C，用时I 2h，保温I 2h；
d)停炉冷却后出炉。作为优选，所述配粉步骤为
a)按重量比W :95，Ni :3. 5，Fe :1. 5称取相应重量筛选过的的钨粉、铁粉、镍粉；b)将钨粉、镍粉、铁粉在不锈钢盘里进行初步混合； c)将初步混合后的合金粉装入混料机内混合，混合时间为24h 48h。作为优选，所述的初步混合步骤为在不锈钢的容器中先进行人工混合。作为优选，所述的冷等静压压制成型步骤为
a)将夹紧的橡胶模袋，放入等静压机的高压工作容器内；
b)开动压力泵把液体介质压入高压工作容器直至充满并从放气孔中冒出为止；
c)随即开动增压泵使压力以5MPa/min的速度升至200Mpa，然后保压1_2分钟，最后卸压过程速度为8MPa/min ； d)压力去除后，将橡胶套从高压工作容器中取出，打开橡胶套，即可将压制成型的钨镍铁合金板坯取出，以便于中频设备的烧结。作为优选，所述的二步烧结法的具体操作步骤为
I)将等静压压制成型的钨镍铁合金坯调入中频炉内，并排列好，不能有互相挤压，各料之间间距IOmm以上；
2)盖好炉盖，并开启循环冷却水，通入氢气作为保护气氛，然后启动中频炉电源开
始加热；
3)按照设定的温度、升温速度及保温时间进行操作；
4)整个加热工艺完成后关闭加热电源，但继续通入氢气及循环冷却水直至室温。作为优选，所述烧结步骤6中，具体工艺过程如下
a)预烧结室温升温至700°C，用时3 4h，保温f 2h ；
b)固相烧结继续加热至1070°C，用时4 6h，保温I 2h；
c)液相烧结继续加热至1470°C，用时f2h，保温f2h；
d)停炉冷却后出炉。作为优选，所述烧结步骤6中，具体工艺过程如下
a)预烧结室温升温至900°C，用时3 4h，保温f 2h ；
b)固相烧结继续加热至1400。。，用时4 6h，保温I 2h；
c)液相烧结继续加热至1520°C，用时l 2h，保温l 2h；
d)停炉冷却后出炉。作为优选，所述烧结步骤6中，具体工艺过程如下
a)预烧结室温升温至800°C，用时3 4h，保温f 2h ；
b)固相烧结继续加热至1200。。，用时4 6h，保温I 2h；
c)液相烧结继续加热至1550°C，用时I 2h，保温I 2h；
d)停炉冷却后出炉。在整个烧结过程中，当炉内产生温区后，操作人员在每15分钟进行一次温度检测，使用光学高温计，上海自动化仪表三厂生产WGG2-201测量，以控制烧结胚料升温曲线控制在合理的区间。本发明的有益效果为
本发明适用于由纯度大于99. 5 %的高纯钨粉、镍粉、铁粉制备高比重钨镍铁合金的烧结过程，采用通氢气保护的中频感应炉间接加热烧结法代替传统的高温钥丝烧结炉加热烧结法，并提出“二步烧结法”烧结工艺以控制钨镍铁合金在液相烧结阶段的变形。钨镍铁合金在固相烧结阶段致密度可达90 93%，液相烧结可达全致密，且由于在固相烧结阶段形成了坚固的十四面体性三维连通网络骨架，阻碍了液相烧结阶段的钨颗粒偏析，合金的性能和显微组织的均匀性大大提高。本发明工艺综合固相烧结和液相烧结的优点，在液相烧结前，首先在固溶度线下1400°C进行固相烧结，然后再采用液相烧结的“二步烧结法”烧结工艺；并运用先进的通氢气保护的中频感应炉设备代替传统高温钥丝炉，从而对烧结过程的气氛、升温速率、保温时间等烧结参数实行完全可控操作。采用本发明生产工艺方法所加工的高比重钨镍铁合金具有如下性能钨镍铁合金没有变形、内部化学成分及显微组织均匀、相对密度> 99% ;内部无裂纹、气泡及大结晶、机械加工性能优良。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书所特别指出的结构来实现和获得。
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具体实施例方式 下面结合实施例对本发明作进一步描述
实施例I:
本发明的工艺步骤如下
I)原材料化学成分分析采用ICP原子吸收光谱法分析钨粉、镍粉、铁粉的纯度，满足如下要求
钨粉的W含量> 99. 95 % ;镍粉的Ni含量> 99. 8% ;铁粉的Fe含量> 99. 5%。2)选粉使用200目的筛子，对原材料粉末进行筛选；
3)配粉:
a)首先在洁净的工作环境中按要求的重量比称取相应重量筛选过的的钨粉、铁粉、镍粉，钨镍铁重量比为W :95 , Ni 3.5, Fe 1. 5 ；
b)将钨粉、镍粉、铁粉在不锈钢盘里进行初步混合，初步混合的目的是为了下一步的机械混合更加均匀，先在清洁的工作环境中在不锈钢的容器中进行人工混合一层钨粉一层镍粉一层铁粉；
c)将初步混合后的合金粉装入混料机进行机械混合，混合时间为24h 48h。4)装模将上述混合后的合金粉，填充在橡胶模袋中；
5)冷等静压压制成型
a)将夹紧的橡胶模袋，放入等静压机的高压工作容器内；
b)开动压力泵把液体介质压入高压工作容器直至充满并从放气孔中冒出为止；
c)随即开动增压泵使压力以5MPa/min的速度升至200MPa，然后保压1_2分钟，最后卸压过程速度为8MPa/min ；
d)压力去除后，将橡胶套从高压工作容器中取出，打开橡胶套，即可将压制成型的钨镍铁合金板坯取出，以便于中频设备的烧结。6)烧结采用两步烧结法在通氢气保护的中频感应炉内烧结，代替传统高温钥丝炉，从而对烧结过程的气氛、升温速率、保温时间等烧结参数实行完全可控操作。分为预烧结、固相烧结、液相烧结三个阶段，具体工艺过程如下a)预烧结室温升温至900°C，用时4h，在900°C保温I 2h ；
b)固相烧结从900°C加热至1400°C，用时6h，在1400。。保温I 2h；
c)液相烧结从1400°C加热至15200C 1530°C，用时lh，保温Γ .5h ；
d)停炉冷却一段时间后出炉，冷却时间为9h。两步烧结法的具体操作步骤为
I)将等静压压制成型的钨镍铁合金坯调入中频炉内，并排列好，不能有互相挤压，各料之间间距IOmm以上；
2)盖好炉盖，并开启循环冷却水，通入氢气作为保护气氛，然后启动中频炉电源开 始加热；
3)在操作过程中合理设定加热电流，严格按工艺设定的升温速度、及保温时间进行操作，每15分钟做好操作记录；
4)整个加热工艺完成后关闭加热电源，但继续通入氢气及循环冷却水直至室温。在整个烧结过程中，当炉内产生温区后，操作人员在每15分钟进行一次温度检测，使用光学高温计，上海自动化仪表三厂生产WGG2-201测量，以控制烧结胚料升温曲线控制在合理的区间。7)烧结后合金还检验。其检验结果为
a)板坯的表面有金属光泽，没有裂纹、气孔等缺陷；
b)采用排水测重法，检测钨镍铁合金板枉整体密度状况，经检测密度符合GB/T26038-2010标准要求；
c)运用合金分析仪分析烧结合金坯不同部位的化学成分，分析显示各部位成分相
同；
c)通过显微镜观察金相磨片来检验板坯的晶体组织，检验结果晶体组织均匀、没有过大或过小的晶粒，参考标准国家钨钥金属金相检验标准GB/T4197-84，晶粒之间没有空洞。具体的步骤如下
①取样从钨镍铁合金前端预留部分，取边长大约为IOmm的立方体试件；
②粗磨由于试件表面的凹凸不平，用砂轮将试件的表面初步磨平；
③细磨在粒度不同的砂纸上按由粗到细的顺序进行；
④抛光将细磨之后的试件放在抛光机上进行抛光；
⑤侵蚀将试件的抛光面浸入侵蚀剂中，由于磨面原子被溶于侵蚀剂中，在溶解中，晶粒与晶粒之间，晶粒和晶界之间的溶解速度不同，显微组织就显现出来；
⑥将制备好的金相磨片试件放在显微镜下进行观察其晶体组织均匀、没有过大或过小的晶粒、晶粒之间没有空洞；
d)通过超声无损探伤设备检测，没有发现内部有明显的裂纹(裂纹长度小于O. 4mm)0钨镍铁合金属于典型的液相烧结，但液相烧结过程中的坍塌和变形时高比重合金生产过程中存在的一个严重问题，这是由于钨相与液相密度相差大，重的钨颗粒在液相中向下作剪切运动的结果；虽然液相烧结过程中的坍塌和变形可以通过固相烧结达到全致密而加以克服。但是通常情况下固相烧结不能满足高比重合金的密度和性能要求。故综合固相烧结和液相烧结的优点，在液相烧结前，首先在固溶度线下1400°C进行固相烧结，然后再采用液相烧结的“二步烧结法”烧结工艺。采用本发明工艺制备的钨镍铁合金试样的检测结果为试样没有变形，试样各个方向的成分均匀；且比重高，密度达到18. 4，致密度达到97%以上。实施例2
具体烧结工艺过程如下
a)预烧结室温升温至700°C，用时3h，保温l 2h;
b)固相烧结继续加热至1070°C，用时4h，保温I 2h；
c)液相烧结继续加热至1470°C，用时lh，保温l 2h； d)停炉冷却一段时间后出炉。其它过程同实施例I。实施例3
具体烧结工艺过程如下
a)预烧结室温升温至800°C，用时4h，保温l 2h;
b)固相烧结继续加热至1200°C，用时6h，保温I 2h；
c)液相烧结继续加热至1550°C，用时2h，保温I 2h；
d)停炉冷却一段时间后出炉。其它过程同实施例I。实施例4:
具体烧结工艺过程如下
a)预烧结室温升温至8501，用时3.5h，保温l 2h;
b)固相烧结继续加热至1350°C，用时5h，保温I 2h；
c)液相烧结:继续加热至1500。。，用时2h，保温I 2h；
d)停炉冷却一段时间后出炉。其它过程同实施例I。实施例5 :直接液相烧结
其它参数同实施例1，直接液相烧结，没有固相烧结保温时间，直接加热到液相。有两个温度段预烧结700°C 900°C，保温lh 2h，然后直接加热到1470°C 1530°C，保温lh 2h。制备的钨镍铁合金测试结果是试样变形严重、且成份不均匀，镍、铁沉入试样底部。实施例6 :没有液相烧结，只烧结到固相温度
其它参数同实施例1，没有液相烧结，只烧结到固相温度有两个温度段预烧结7000C 900。。，保温lh 2h，然后加热到13500C 1400。。，保温lh 2h。制备的钨镍铁合金测试结果是虽然试样不变形，成分也比较均匀，但是密度很低，仅为17. 0，且致密度只能达到85%，不满足要求。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于包括如下步骤1)备料钨粉的W含量>99. 95 % ;镍粉的Ni含量> 99. 8% ;铁粉的Fe含量> 99. 5% ； 2)选粉使用200目的筛子，对原材料粉末进行筛选；3)配粉； 4)装模将上述混合后的合金粉，填充在橡胶模袋中； 5)冷等静压压制成型； 6)烧结采用两步烧结法在通氢气保护的中频感应炉内烧结，分为预烧结、固相烧结、液相烧结三个阶段，具体工艺过程如下 a)预烧结室温升温至70(T90(TC，用时3 4h，保温f 2h ； b)固相烧结继续加热至10700C 1420°C，用时4 6h，保温I 2h； c)液相烧结:继续加热至14700C 1550°C，用时I 2h，保温I 2h； d)停炉冷却后出炉。
2.根据权利要求I所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述配粉步骤为a)按重量比W95，Ni :3. 5，Fe :1. 5称取相应重量筛选过的的钨粉、铁粉、镍粉； b)将钨粉、镍粉、铁粉在不锈钢盘里进行初步混合； c)将初步混合后的合金粉装入混料机内混合，混合时间为24h 48h。
3.根据权利要求2所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述的初步混合步骤为在不锈钢的容器中先进行人工混合。
4.根据权利要求I或2所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述的冷等静压压制成型步骤为 a)将夹紧的橡胶模袋，放入等静压机的高压工作容器内； b)开动压力泵把液体介质压入高压工作容器直至充满并从放气孔中冒出为止； c)随即开动增压泵使压力以5MPa/min的速度升至200Mpa，然后保压1_2分钟，最后卸压过程速度为8MPa/min ； d)压力去除后，将橡胶套从高压工作容器中取出，打开橡胶套，即可将压制成型的钨镍铁合金板坯取出，以便于中频设备的烧结。
5.根据权利要求I或2所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述的二步烧结法的具体操作步骤为 I)将等静压压制成型的钨镍铁合金坯调入中频炉内，并排列好，不能有互相挤压，各料之间间距IOmm以上；2)盖好炉盖，并开启循环冷却水，通入氢气作为保护气氛，然后启动中频炉电源开始加热；3)按照设定的温度、升温速度及保温时间进行操作； 4)整个加热工艺完成后关闭加热电源，但继续通入氢气及循环冷却水直至室温。
6.根据权利要求I所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述烧结步骤6中，具体工艺过程如下 a)预烧结室温升温至700°C，用时3 4h，保温f 2h ； b)固相烧结继续加热至1070°C，用时4 6h，保温I 2h； c)液相烧结继续加热至1470°C，用时f2h，保温f2h；d)停炉冷却后出炉。
7.根据权利要求I所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述烧结步骤6中，具体工艺过程如下 a)预烧结室温升温至900°C，用时3 4h，保温f 2h ； b)固相烧结继续加热至1400°C，用时4 6h，保温I 2h； c)液相烧结继续加热至1520°C，用时l 2h，保温l 2h； d)停炉冷却后出炉。
8.根据权利要求I所述的一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，其特征在于所述烧结步骤6中，具体工艺过程如下 a)预烧结室温升温至800°C，用时3 4h，保温f 2h ； b)固相烧结继续加热至1200。。，用时4 6h，保温I 2h； c)液相烧结继续加热至1550°C，用时I 2h，保温l 2h； d)停炉冷却后出炉。
全文摘要
本发明公开了一种制备高密度钨镍铁合金的烧结工艺，包括如下步骤1)备料钨粉的W含量＞99.95%；镍粉的Ni含量＞99.8%；铁粉的Fe含量＞99.5%；2)选粉使用200目的筛子，对原材料粉末进行筛选；3)配粉；4)装模将上述混合后的合金粉，填充在橡胶模袋中；5)冷等静压压制成型；6)烧结采用两步烧结法在通氢气保护的中频感应炉内烧结，分为预烧结、固相烧结、液相烧结三个阶段。采用本发明生产工艺方法所加工的高比重钨镍铁合金具有如下性能钨镍铁合金没有变形、内部化学成分及显微组织均匀、相对密度≥99%；内部无裂纹、气泡及大结晶、机械加工性能优良。
文档编号C22C27/04GK102787249SQ20121032898
公开日2012年11月21日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者王健, 赵文普, 高建杰 申请人:洛阳高新四丰电子材料有限公司