[发明专利]高比重钨合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高比重钨合金，以及高比重钨合金的制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

高比重钨合金是一种高密度、高强度、高延展性材料，然而由于钨具有低温脆性、韧脆转变温度较高、再结晶温度低等特性，限制了钨的更广泛应用。氧化物(ZrO₂、La₂O₃、Y₂O₃)具有熔点高、高温稳定性好、在钨基体中固溶度小等特点，因此常被用作钨的弥散强化相。传统的钨合金制备工艺为固+固(液)制粉、压制、烧结，但是采用该工艺生产的钨合金普遍存在强化相在钨粉中分布不均，导致存在于钨合金晶粒中的弥散相过大以及存在晶界偏聚的问题，而且烧结态的钨合金也存在硬度值不高、塑性较低、冲击韧性较差等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种以ZrO₂为强化相的高密度、高强度钨合金。

同时，本发明还提供一种高比重钨合金的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

高比重钨合金，以质量百分数计，合金成分如下：

钨(W)95.0％～99.0％，

氧化锆(ZrO₂)1.0％～5.0％，

以及不可避免的杂质。

高比重钨合金的制备方法，包括以下步骤：

1)分别将偏钨酸铵(AMT)、硝酸锆(Zr(NO₃)₄·5H₂O)溶于水中，混合，混合液干燥得粉末，粉末经煅烧、还原得到复合钨粉；

2)复合钨粉球磨后经压制成型、烧结得到烧结坯料，烧结坯料脱氢处理后经变形、热处理得到高比重钨合金。

步骤1)中偏钨酸铵与硝酸锆的质量比为130～136:3.4～17.5，优选为130.22～135.69:3.48～17.42。偏钨酸铵的纯度大于99.7％，粒度小于200目；硝酸锆的纯度大于99.5％，粒度小于120目。

步骤1)中煅烧的温度为400～600℃，煅烧时间4～5h。

步骤1)中还原分两段进行，第一段还原温度500～600℃，还原时间1～2h，第二段还原温度850～950℃，还原时间2～4h。

步骤1)中复合钨粉的颗粒尺寸为500～1000nm。

步骤2)中球磨的转速为120～180rpm，球磨时间6～12h。球磨在惰性气氛(如纯度99.99％以上的高纯氩气)中进行，以防粉末被氧化。球磨材料可采用GCrl5小球(直径如6mm)，球料比(质量比)为5～15:1。

步骤2)中压制成型的压力为300～400MPa，保压时间30～60min。在该压力下可获得密度较高、增强相均匀分布、孔隙度均匀的冷压坯料，其在后续的烧结工艺中可均匀填充孔隙，不易造成成分偏析。

步骤2)中烧结为热压烧结与真空烧结的结合，热压烧结的温度为1350～1550℃，压力4～5吨，保温时间25～35min，真空烧结的温度为2300～2500℃，烧结时间120～180min。热压烧结的升温速率为10～30℃/min，升温阶段所加压力为设定压力的一半，达到预定温度后压力升至预定压力，加压时间与保温时间一致。

步骤2)中脱氢处理的温度为1000～1250℃，在惰性气氛(如氩气)中保温6～8h。

步骤2)中变形前将脱氢处理的钨合金加热到1900～2000℃，保温4～6h。

步骤2)中热处理的温度为800～1000℃，保温7～10h。

本发明的有益效果：

钨合金中氧化物的成分、添加量及添加方式对合金的力学性能有着重要影响。本发明以液液掺杂方式，将偏钨酸铵溶液与硝酸锆溶液充分混合后蒸干获得干燥粉末，然后进行煅烧、还原处理，在还原过程中WO₃在氢气气氛中挥发并转入气相，以蒸气形式被还原并沉积在低价氧化钨或掺杂相ZrO₂表面，形成成分均匀分布的复合钨粉。这种液-液掺杂和共还原工艺，保证了复合钨粉中各成分的均匀一致性。

本发明在传统的一次烧结工艺基础上，采用热压烧结，使得冷等静压坯在加热加压环境中处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散和流动传质，同时能促进材料致密化。由于氢原子具有较小的半径且活性较高，易进入晶体中高能部分，为防止旋锻过程中产生氢脆现象，特将烧结坯进行脱氢处理。