專利名稱：一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鎢鎳鐵合金的燒結工藝，特別是涉及一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝。
背景技術：
鎢鎳鐵合金是一種以鎢為基體(鎢含量為85%_98%)，加入少量Ni、Fe兩種元素組成的合金，其密度高達16. 5-19. Og/cm3,又被稱為重合金或高密度合金。鎢鎳鐵合金具有密度高、強度和硬度高、導電性和導熱性好、熱膨脹系數小、抗腐蝕和抗氧化性好、機械加工性和焊接性好等一系列優異的物理力學性能和使用性能，因此鎢鎳鐵合金在國防工業和民用工業中都得到了廣泛的應用，特別是W-Ni-Fe合金在國防工業上用作強毀傷戰斗部材料，它被認為是取代貧鈾彈最具有潛力的環保性軍用新材料。
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鎢鎳鐵合金由高熔點的鎢相和具有較低熔點的Y相(Ni-Fe)兩相組成，兩相熔點相差很大(鎢相熔點為3410°C，Y相的熔點極低)，因此鎢鎳鐵合金是一種典型的液相燒結合金。在液相燒結中，固相在液相中的溶解度、固相與液相的界面能以及液相沿固-固晶界的滲透性在很大程度上影響燒結速度和顯微組織的變化。燒結工藝參數如顆粒尺寸、燒結溫度、燒結時間、燒結氣氛和壓坯密度對材料的性能也有較大影響。
發明內容
本發明的目的在于提供一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，采用通氫氣保護的中頻感應爐間接加熱燒結法代替傳統的高溫鑰絲燒結爐加熱燒結法，并提出“二步燒結法”燒結工藝以控制鎢鎳鐵合金在液相燒結階段的變形，從而保證鎢鎳鐵合金棒材的密度、純度、內部顯微組織等各種性能要求。本發明采用如下技術方案
一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，包括如下步驟
1)備料鎢粉的W含量>99. 95 % ;鎳粉的Ni含量> 99. 8% ;鐵粉的Fe含量> 99. 5% ；
2)選粉使用200目的篩子，對原材料粉末進行篩選；3)配粉；
4)裝模將上述混合后的合金粉，填充在橡膠模袋中；
5)冷等靜壓壓制成型；
6)燒結采用兩步燒結法在通氫氣保護的中頻感應爐內燒結，分為預燒結、固相燒結、液相燒結三個階段，具體工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至70(T90(TC，用時3 4h，保溫f 2h ；
b)固相燒結繼續加熱至10700C 1420°C，用時4 6h，保溫I 2h；
c)液相燒結:繼續加熱至14700C 1550°C，用時I 2h，保溫I 2h；
d)停爐冷卻后出爐。作為優選，所述配粉步驟為
a)按重量比W :95，Ni :3. 5，Fe :1. 5稱取相應重量篩選過的的鎢粉、鐵粉、鎳粉；b)將鎢粉、鎳粉、鐵粉在不銹鋼盤里進行初步混合； c)將初步混合后的合金粉裝入混料機內混合，混合時間為24h 48h。作為優選，所述的初步混合步驟為在不銹鋼的容器中先進行人工混合。作為優選，所述的冷等靜壓壓制成型步驟為
a)將夾緊的橡膠模袋，放入等靜壓機的高壓工作容器內；
b)開動壓力泵把液體介質壓入高壓工作容器直至充滿并從放氣孔中冒出為止；
c)隨即開動增壓泵使壓力以5MPa/min的速度升至200Mpa，然后保壓1_2分鐘，最后卸壓過程速度為8MPa/min ； d)壓力去除后，將橡膠套從高壓工作容器中取出，打開橡膠套，即可將壓制成型的鎢鎳鐵合金板坯取出，以便于中頻設備的燒結。作為優選，所述的二步燒結法的具體操作步驟為
I)將等靜壓壓制成型的鎢鎳鐵合金坯調入中頻爐內，并排列好，不能有互相擠壓，各料之間間距IOmm以上；
2)蓋好爐蓋，并開啟循環冷卻水，通入氫氣作為保護氣氛，然后啟動中頻爐電源開
始加熱；
3)按照設定的溫度、升溫速度及保溫時間進行操作；
4)整個加熱工藝完成后關閉加熱電源，但繼續通入氫氣及循環冷卻水直至室溫。作為優選，所述燒結步驟6中，具體工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至700°C，用時3 4h，保溫f 2h ；
b)固相燒結繼續加熱至1070°C，用時4 6h，保溫I 2h；
c)液相燒結繼續加熱至1470°C，用時f2h，保溫f2h；
d)停爐冷卻后出爐。作為優選，所述燒結步驟6中，具體工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至900°C，用時3 4h，保溫f 2h ；
b)固相燒結繼續加熱至1400。。，用時4 6h，保溫I 2h；
c)液相燒結繼續加熱至1520°C，用時l 2h，保溫l 2h；
d)停爐冷卻后出爐。作為優選，所述燒結步驟6中，具體工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至800°C，用時3 4h，保溫f 2h ；
b)固相燒結繼續加熱至1200。。，用時4 6h，保溫I 2h；
c)液相燒結繼續加熱至1550°C，用時I 2h，保溫I 2h；
d)停爐冷卻后出爐。在整個燒結過程中，當爐內產生溫區后，操作人員在每15分鐘進行一次溫度檢測，使用光學高溫計，上海自動化儀表三廠生產WGG2-201測量，以控制燒結胚料升溫曲線控制在合理的區間。本發明的有益效果為
本發明適用于由純度大于99. 5 %的高純鎢粉、鎳粉、鐵粉制備高比重鎢鎳鐵合金的燒結過程，采用通氫氣保護的中頻感應爐間接加熱燒結法代替傳統的高溫鑰絲燒結爐加熱燒結法，并提出“二步燒結法”燒結工藝以控制鎢鎳鐵合金在液相燒結階段的變形。鎢鎳鐵合金在固相燒結階段致密度可達90 93%，液相燒結可達全致密，且由于在固相燒結階段形成了堅固的十四面體性三維連通網絡骨架，阻礙了液相燒結階段的鎢顆粒偏析，合金的性能和顯微組織的均勻性大大提高。本發明工藝綜合固相燒結和液相燒結的優點，在液相燒結前，首先在固溶度線下1400°C進行固相燒結，然后再采用液相燒結的“二步燒結法”燒結工藝；并運用先進的通氫氣保護的中頻感應爐設備代替傳統高溫鑰絲爐，從而對燒結過程的氣氛、升溫速率、保溫時間等燒結參數實行完全可控操作。采用本發明生產工藝方法所加工的高比重鎢鎳鐵合金具有如下性能鎢鎳鐵合金沒有變形、內部化學成分及顯微組織均勻、相對密度> 99% ;內部無裂紋、氣泡及大結晶、機械加工性能優良。本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書所特別指出的結構來實現和獲得。
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具體實施例方式 下面結合實施例對本發明作進一步描述
實施例I:
本發明的工藝步驟如下
I)原材料化學成分分析采用ICP原子吸收光譜法分析鎢粉、鎳粉、鐵粉的純度，滿足如下要求
鎢粉的W含量> 99. 95 % ;鎳粉的Ni含量> 99. 8% ;鐵粉的Fe含量> 99. 5%。2)選粉使用200目的篩子，對原材料粉末進行篩選；
3)配粉:
a)首先在潔凈的工作環境中按要求的重量比稱取相應重量篩選過的的鎢粉、鐵粉、鎳粉，鎢鎳鐵重量比為W :95 , Ni 3.5, Fe 1. 5 ；
b)將鎢粉、鎳粉、鐵粉在不銹鋼盤里進行初步混合，初步混合的目的是為了下一步的機械混合更加均勻，先在清潔的工作環境中在不銹鋼的容器中進行人工混合一層鎢粉一層鎳粉一層鐵粉；
c)將初步混合后的合金粉裝入混料機進行機械混合，混合時間為24h 48h。4)裝模將上述混合后的合金粉，填充在橡膠模袋中；
5)冷等靜壓壓制成型
a)將夾緊的橡膠模袋，放入等靜壓機的高壓工作容器內；
b)開動壓力泵把液體介質壓入高壓工作容器直至充滿并從放氣孔中冒出為止；
c)隨即開動增壓泵使壓力以5MPa/min的速度升至200MPa，然后保壓1_2分鐘，最后卸壓過程速度為8MPa/min ；
d)壓力去除后，將橡膠套從高壓工作容器中取出，打開橡膠套，即可將壓制成型的鎢鎳鐵合金板坯取出，以便于中頻設備的燒結。6)燒結采用兩步燒結法在通氫氣保護的中頻感應爐內燒結，代替傳統高溫鑰絲爐，從而對燒結過程的氣氛、升溫速率、保溫時間等燒結參數實行完全可控操作。分為預燒結、固相燒結、液相燒結三個階段，具體工藝過程如下a)預燒結室溫升溫至900°C，用時4h，在900°C保溫I 2h ；
b)固相燒結從900°C加熱至1400°C，用時6h，在1400。。保溫I 2h；
c)液相燒結從1400°C加熱至15200C 1530°C，用時lh，保溫Γ .5h ；
d)停爐冷卻一段時間后出爐，冷卻時間為9h。兩步燒結法的具體操作步驟為
I)將等靜壓壓制成型的鎢鎳鐵合金坯調入中頻爐內，并排列好，不能有互相擠壓，各料之間間距IOmm以上；
2)蓋好爐蓋，并開啟循環冷卻水，通入氫氣作為保護氣氛，然后啟動中頻爐電源開 始加熱；
3)在操作過程中合理設定加熱電流，嚴格按工藝設定的升溫速度、及保溫時間進行操作，每15分鐘做好操作記錄；
4)整個加熱工藝完成后關閉加熱電源，但繼續通入氫氣及循環冷卻水直至室溫。在整個燒結過程中，當爐內產生溫區后，操作人員在每15分鐘進行一次溫度檢測，使用光學高溫計，上海自動化儀表三廠生產WGG2-201測量，以控制燒結胚料升溫曲線控制在合理的區間。7)燒結后合金還檢驗。其檢驗結果為
a)板坯的表面有金屬光澤，沒有裂紋、氣孔等缺陷；
b)采用排水測重法，檢測鎢鎳鐵合金板枉整體密度狀況，經檢測密度符合GB/T26038-2010標準要求；
c)運用合金分析儀分析燒結合金坯不同部位的化學成分，分析顯示各部位成分相
同；
c)通過顯微鏡觀察金相磨片來檢驗板坯的晶體組織，檢驗結果晶體組織均勻、沒有過大或過小的晶粒，參考標準國家鎢鑰金屬金相檢驗標準GB/T4197-84，晶粒之間沒有空洞。具體的步驟如下
①取樣從鎢鎳鐵合金前端預留部分，取邊長大約為IOmm的立方體試件；
②粗磨由于試件表面的凹凸不平，用砂輪將試件的表面初步磨平；
③細磨在粒度不同的砂紙上按由粗到細的順序進行；
④拋光將細磨之后的試件放在拋光機上進行拋光；
⑤侵蝕將試件的拋光面浸入侵蝕劑中，由于磨面原子被溶于侵蝕劑中，在溶解中，晶粒與晶粒之間，晶粒和晶界之間的溶解速度不同，顯微組織就顯現出來；
⑥將制備好的金相磨片試件放在顯微鏡下進行觀察其晶體組織均勻、沒有過大或過小的晶粒、晶粒之間沒有空洞；
d)通過超聲無損探傷設備檢測，沒有發現內部有明顯的裂紋(裂紋長度小于O. 4mm)0鎢鎳鐵合金屬于典型的液相燒結，但液相燒結過程中的坍塌和變形時高比重合金生產過程中存在的一個嚴重問題，這是由于鎢相與液相密度相差大，重的鎢顆粒在液相中向下作剪切運動的結果；雖然液相燒結過程中的坍塌和變形可以通過固相燒結達到全致密而加以克服。但是通常情況下固相燒結不能滿足高比重合金的密度和性能要求。故綜合固相燒結和液相燒結的優點，在液相燒結前，首先在固溶度線下1400°C進行固相燒結，然后再采用液相燒結的“二步燒結法”燒結工藝。采用本發明工藝制備的鎢鎳鐵合金試樣的檢測結果為試樣沒有變形，試樣各個方向的成分均勻；且比重高，密度達到18. 4，致密度達到97%以上。實施例2
具體燒結工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至700°C，用時3h，保溫l 2h;
b)固相燒結繼續加熱至1070°C，用時4h，保溫I 2h；
c)液相燒結繼續加熱至1470°C，用時lh，保溫l 2h； d)停爐冷卻一段時間后出爐。其它過程同實施例I。實施例3
具體燒結工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至800°C，用時4h，保溫l 2h;
b)固相燒結繼續加熱至1200°C，用時6h，保溫I 2h；
c)液相燒結繼續加熱至1550°C，用時2h，保溫I 2h；
d)停爐冷卻一段時間后出爐。其它過程同實施例I。實施例4:
具體燒結工藝過程如下
a)預燒結室溫升溫至8501，用時3.5h，保溫l 2h;
b)固相燒結繼續加熱至1350°C，用時5h，保溫I 2h；
c)液相燒結:繼續加熱至1500。。，用時2h，保溫I 2h；
d)停爐冷卻一段時間后出爐。其它過程同實施例I。實施例5 :直接液相燒結
其它參數同實施例1，直接液相燒結，沒有固相燒結保溫時間，直接加熱到液相。有兩個溫度段預燒結700°C 900°C，保溫lh 2h，然后直接加熱到1470°C 1530°C，保溫lh 2h。制備的鎢鎳鐵合金測試結果是試樣變形嚴重、且成份不均勻，鎳、鐵沉入試樣底部。實施例6 :沒有液相燒結，只燒結到固相溫度
其它參數同實施例1，沒有液相燒結，只燒結到固相溫度有兩個溫度段預燒結7000C 900。。，保溫lh 2h，然后加熱到13500C 1400。。，保溫lh 2h。制備的鎢鎳鐵合金測試結果是雖然試樣不變形，成分也比較均勻，但是密度很低，僅為17. 0，且致密度只能達到85%，不滿足要求。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于包括如下步驟1)備料鎢粉的W含量>99. 95 % ;鎳粉的Ni含量> 99. 8% ;鐵粉的Fe含量> 99. 5% ； 2)選粉使用200目的篩子，對原材料粉末進行篩選；3)配粉； 4)裝模將上述混合后的合金粉，填充在橡膠模袋中； 5)冷等靜壓壓制成型； 6)燒結采用兩步燒結法在通氫氣保護的中頻感應爐內燒結，分為預燒結、固相燒結、液相燒結三個階段，具體工藝過程如下 a)預燒結室溫升溫至70(T90(TC，用時3 4h，保溫f 2h ； b)固相燒結繼續加熱至10700C 1420°C，用時4 6h，保溫I 2h； c)液相燒結:繼續加熱至14700C 1550°C，用時I 2h，保溫I 2h； d)停爐冷卻后出爐。
2.根據權利要求I所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述配粉步驟為a)按重量比W95，Ni :3. 5，Fe :1. 5稱取相應重量篩選過的的鎢粉、鐵粉、鎳粉； b)將鎢粉、鎳粉、鐵粉在不銹鋼盤里進行初步混合； c)將初步混合后的合金粉裝入混料機內混合，混合時間為24h 48h。
3.根據權利要求2所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述的初步混合步驟為在不銹鋼的容器中先進行人工混合。
4.根據權利要求I或2所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述的冷等靜壓壓制成型步驟為 a)將夾緊的橡膠模袋，放入等靜壓機的高壓工作容器內； b)開動壓力泵把液體介質壓入高壓工作容器直至充滿并從放氣孔中冒出為止； c)隨即開動增壓泵使壓力以5MPa/min的速度升至200Mpa，然后保壓1_2分鐘，最后卸壓過程速度為8MPa/min ； d)壓力去除后，將橡膠套從高壓工作容器中取出，打開橡膠套，即可將壓制成型的鎢鎳鐵合金板坯取出，以便于中頻設備的燒結。
5.根據權利要求I或2所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述的二步燒結法的具體操作步驟為 I)將等靜壓壓制成型的鎢鎳鐵合金坯調入中頻爐內，并排列好，不能有互相擠壓，各料之間間距IOmm以上；2)蓋好爐蓋，并開啟循環冷卻水，通入氫氣作為保護氣氛，然后啟動中頻爐電源開始加熱；3)按照設定的溫度、升溫速度及保溫時間進行操作； 4)整個加熱工藝完成后關閉加熱電源，但繼續通入氫氣及循環冷卻水直至室溫。
6.根據權利要求I所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述燒結步驟6中，具體工藝過程如下 a)預燒結室溫升溫至700°C，用時3 4h，保溫f 2h ； b)固相燒結繼續加熱至1070°C，用時4 6h，保溫I 2h； c)液相燒結繼續加熱至1470°C，用時f2h，保溫f2h；d)停爐冷卻后出爐。
7.根據權利要求I所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述燒結步驟6中，具體工藝過程如下 a)預燒結室溫升溫至900°C，用時3 4h，保溫f 2h ； b)固相燒結繼續加熱至1400°C，用時4 6h，保溫I 2h； c)液相燒結繼續加熱至1520°C，用時l 2h，保溫l 2h； d)停爐冷卻后出爐。
8.根據權利要求I所述的一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，其特征在于所述燒結步驟6中，具體工藝過程如下 a)預燒結室溫升溫至800°C，用時3 4h，保溫f 2h ； b)固相燒結繼續加熱至1200。。，用時4 6h，保溫I 2h； c)液相燒結繼續加熱至1550°C，用時I 2h，保溫l 2h； d)停爐冷卻后出爐。
全文摘要
本發明公開了一種制備高密度鎢鎳鐵合金的燒結工藝，包括如下步驟1)備料鎢粉的W含量＞99.95%；鎳粉的Ni含量＞99.8%；鐵粉的Fe含量＞99.5%；2)選粉使用200目的篩子，對原材料粉末進行篩選；3)配粉；4)裝模將上述混合后的合金粉，填充在橡膠模袋中；5)冷等靜壓壓制成型；6)燒結采用兩步燒結法在通氫氣保護的中頻感應爐內燒結，分為預燒結、固相燒結、液相燒結三個階段。采用本發明生產工藝方法所加工的高比重鎢鎳鐵合金具有如下性能鎢鎳鐵合金沒有變形、內部化學成分及顯微組織均勻、相對密度≥99%；內部無裂紋、氣泡及大結晶、機械加工性能優良。
文檔編號C22C27/04GK102787249SQ20121032898
公開日2012年11月21日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者王健, 趙文普, 高建杰 申請人:洛陽高新四豐電子材料有限公司