專利名稱：極高機械性能的鎢鎳鐵重合金及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及極高機械性能的鎢鎳鐵重合金及其生產(chǎn)方法。
該技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員已知，意欲用來制造平衡錘，振動吸收屏與X、α、β、γ射線吸收屏，以及高穿透能力的砲彈，其材料必須具有相當大的密度。
鑒于此原故，生產(chǎn)這些東西要借助于所謂“重”合金的合金。該類合金主要含有鎢，鎢均質(zhì)分散在通常由結(jié)合元素，例如鎳和鐵所形成的金屬基體中。在大多數(shù)情況下，這類合金含有90-98%(重量比)的鎢，比重為15.6-18。該類合金主要用粉末冶金法制造，即其各組分均以粉末狀態(tài)使用，并壓制成適宜的形狀，燒結(jié)并穩(wěn)定化，以賦予其機械密實性，并可能經(jīng)受加工和熱處理，以使其具有適合其用途的機械性能強度、延伸率和硬度。
該類合金的技術(shù)規(guī)范，舉例來說，在美國專利NO.3979234中作了規(guī)定，該專利敘述了一種生產(chǎn)W-Ni-Fe合金的方法，包括-制備一種含有85-96%(重量比)鎢，余量為鎳和鐵且Ni/Fe重量比為5.5-8.2的粉末均勻混合物，-將該混合物壓制成壓制件形狀，-在還原氣氛中于至少1200℃，并低于出現(xiàn)液相的溫度下燒結(jié)足夠長的時間，以產(chǎn)生一種密度至少為理論密度95%的產(chǎn)品，-將產(chǎn)品在高于液相產(chǎn)生溫度0.1與20℃之間的溫度下，加熱一段足以使液相產(chǎn)生而不足以使產(chǎn)品變形的時間，-將產(chǎn)品在真空中于700-1420℃加熱足夠時間，使之脫氣，以及-將產(chǎn)品機械加工到所需尺寸，該工序可至少經(jīng)過一道加工來進行以提高產(chǎn)品強度。
在這些條件下所得到的，譬如是一種產(chǎn)品，它在一種使表面積減少31%的加工作業(yè)之后，極限抗拉強度RM為1220MPa，屈服強度R0.2為1180MPa，延伸率E為7.8%，而且洛氏C級硬度為HRc41。這些性質(zhì)足以適合某些用途，但對于載荷水平高的用途而言，這是明顯不夠的，因為目前對極限抗拉強度等級的要求是大于1600MPa，并可高達2000MPa。
本發(fā)明涉及一類重合金，其比重在15.6和18之間，含有80-99%(重量比)的鎢和鎳、鐵(Ni/Fe重量比大于或等于1.5)，并可選擇性地含有其它元素如鉬、鈦、鋁、錳、鈷及錸，該類合金具有極高的機械性能，尤其極限抗拉強度至高可達2000Pa，延伸率至少為1%。
本發(fā)明的這類合金，其特征在于，其組織中α相呈蝶翅狀，位錯晶胞尺寸為0.01-1μm，結(jié)合劑γ相的平均自由程小于15μm。
本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員已知，鎢-鎳-鐵合金有一種由純鎢球節(jié)所形成的組織，在燒結(jié)工序中球節(jié)或多或少地球化，構(gòu)成α相，該球節(jié)由該合金的三元素組成的γ相所包圍，γ相在球節(jié)間起結(jié)合作用。
申請人發(fā)現(xiàn)，要達到極高的機械性能，鎢合金必須具有特殊的織織。
因此，從形態(tài)學(xué)的角度來看，如果在由這類合金制得的試樣上觀察垂直于加工方向的表面，會發(fā)現(xiàn)-α相不再為球化的形狀，而稍呈楕球形，并在長軸的一端附近成對連接在一起，長軸間成銳角，上述排列較普遍地被稱為“蝶翅”，以及-結(jié)合γ相的平均自由程尤其隨極限抗拉強度的提高而成比例地減小。因此，平均自由程小于15μm時，極限抗拉強度達1600MPa以上。
本文中所用的平均自由程一詞，系指一定方向上分隔兩個順次γ相區(qū)的平均距離。
從顯微組織的角度來看，如果取薄蘑片，會在α相中發(fā)現(xiàn)有尺寸為0.01-1μm的位錯晶胞存在，它隨材料機械性能的提高而成比例地減少。與材料機械性能的提高相一致，晶胞互相之間相對的混亂取向也被觀察到，據(jù)認為，正是那些晶胞使該類合金具有發(fā)生變形時所必需的塑性。此外，在表面平行于加工方向的試樣上所進行的觀察還揭示了隨機械性能提高而成比例變得更為明顯的纖維織構(gòu)。上述纖維以其特定取向為特征，該種取向按密勒指數(shù)，對于試樣中心部的極點｛110｝相當于〈110〉方向然而，機械性能的提高超過1500MPa水平會發(fā)生α相的多邊形化。作為附帶的情況，有關(guān)γ相的析出網(wǎng)在α相球節(jié)鄰接區(qū)域中發(fā)展。
本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)合金的方法，所生產(chǎn)的合金具有這樣一種組織，在該組織中可按需要調(diào)節(jié)所需的機械性能值，尤其可使斷裂強度接近2000MPa。
為達到上面所述，考慮到α相通常具有脆性，但彈性極限高，申請人改進了該類合金的處理，使之有可能促進α相的塑性變形。
該方法包含已知的工藝步驟并由下列步驟組成
-使用各合金元素的粉末，每種粉末均具有1-15μm的FISHER直徑，-將上述粉末以相當于所需合金組成的比例加以混合，-將上述粉末混合物壓成壓制件的形狀，-在1490-1650℃下將壓制件燒結(jié)2-5小時，-在真空中于1000-1300℃處理燒結(jié)過的壓制件，以及-使所得到的壓制件至少經(jīng)受一道加工。
但是，表征該方法的是，經(jīng)真空處理后，壓制件經(jīng)受至少三個操作周期，每個周期包含一個加工步驟并后隨熱處理。
因此，本發(fā)明由順次的周期所組成，周期數(shù)目與所要獲得的與有關(guān)機械性能最高值相當?shù)慕M織成比例地增加。從而，三個循環(huán)即可使其達到1400-1450MPa的極限抗拉強度水平，而在四個循環(huán)結(jié)束時，達到接近1850MPa的值。每個循環(huán)依次包括一個加工步驟，例如用鍛造法進行的加工步驟，以便將燒結(jié)壓制件表面積的減小程度提高10-50%，以及隨其之后將壓制件放入加熱到低于1300℃的爐中，在惰性氣氛中持續(xù)4-20小時所進行的退火。
在開始兩個周期中，以加工程度小于后隨周期而溫度高于后隨周期為佳。在第四個周期中，例如在進行熱處理之前，至少在鍛造設(shè)備中進行連續(xù)的兩道加工，以達到適當?shù)募庸ざ取?br> 本發(fā)明可用附圖來闡明，附圖中涉及一種含有93%(重量)鎢5%(重量)鎳和2%(重量)鐵的合金，其中

圖1、2及3示出分別具有極限抗拉強度1100、1540及1850MPa的試樣橫截面在放大200倍時的組織。
圖4、5及6示出由相同試樣得到的抗拉強度時，有關(guān)斷口分別放大1000、1000及2600倍時的顯微組織形貌，以及圖7、8及9示出電子顯微鏡下分別放大35000、30000及60000倍觀察薄磨片所見的顯微組織，顯示了使其可能達到所需性能的α相的特定狀態(tài)。
圖1示出了白色鎢α相的球狀組織，以及平均自由程接近20μm的結(jié)合γ相。
圖2示出平均自由程減到約10-14μm時形成蝶翅。
圖3中，在圖2中所見的趨勢增強，平均自由程在3-7μm范圍內(nèi)。
圖4中，合金斷裂基本上發(fā)生在球節(jié)間和γ相的頂部(CuPular)。
圖5及6中的試樣比圖4中所示者具有更高的機械性能，可以看到，整個斷口型式變?yōu)榇┣蚬?jié)(transnodular)。偶見有球節(jié)間的斷裂起始。在α相顯微組織范圍內(nèi)，亞組織狀態(tài)有所發(fā)展。
圖7示出尺寸為0.4-0.8μm的重新排列的晶胞復(fù)原組織。
圖8示出多邊形化步驟，該步驟是達到最高性能所必需的。
圖9示出最高性能的典型組織，伴有0.05-0.01μm的位錯微晶胞發(fā)展。
本發(fā)明可以參照下列使用該方法的實施例來闡明將FISHER直徑為1.4-10μm的各元素狀態(tài)粉末加以混合，以制得具有下列組成的產(chǎn)物(重量比)W93%-Ni5%-Fe2%。
經(jīng)在230MPa壓力下等靜壓壓制后，將直徑90mm、長500mm的壓制件在隧道爐中于1490℃溫度下燒結(jié)5小時，然后在部分真空中于加熱到900-1300℃的爐中保持25小時。
這樣制得的產(chǎn)品再按本發(fā)明所述進行處理。周期處理進行的特定條件，以及在不同處理周期中所達到的機械性能Rm(極限抗拉強度)、R0、2(延伸率為0.2%的屈服強度)、E(延伸率)、VH30(維氏硬度)及RHc(洛氏硬度)列于下表

因此可見，周期數(shù)增多時斷裂強度大大提高，延伸率保持得足夠允許合金變形。
權(quán)利要求
1.機械性能極高的重合金，其比重為15.6-18，含有80-99%(重量比)構(gòu)成α相的球節(jié)狀鎢及Ni/Fe重量比大于或等于2的鎳和鐵，鎳和鐵起結(jié)合作用并構(gòu)成γ相，并且可含選擇性元素如鉬、鈦、鋁、錳、鈷、及錸，其特征在于，鎢α相呈蝶翅形，其位錯晶胞尺寸為0.01-1μm，而結(jié)合γ相具有小于15μm的平均自由程。
2.權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，α相具有〈110〉方向的纖維織構(gòu)。
3.權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，極限抗拉強度水平大于1500MPa時，α相多邊形化。
4.權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，γ相在鄰接α相球節(jié)區(qū)形成析出網(wǎng)。
5.生產(chǎn)權(quán)利要求1所述合金的方法，包括-使用1-15μmFISHER直徑的各元素的粉末，-將所述粉末以相當于所需合金組成的比例混合，-將粉末壓成壓制件形狀，-在1490-1650℃的溫度下將壓制件燒結(jié)2-5小時，-在真空中將燒結(jié)過的壓制件在1000-1300℃下處理，以及-使壓制件至少經(jīng)受一道加工，其特征在于，壓制件經(jīng)真空處理后，至少使其經(jīng)受三個操作周期，每個周期包括一個加工步驟和后隨的熱處理。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在開始的兩個周期中，加工度小于后隨的周期，熱處理溫度高于后隨的周期。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在第四個周期中，加工操作至少進行兩道。
全文摘要
本發(fā)明涉及機械性能極高的鎢鎳鐵重合金及其生產(chǎn)方法。
文檔編號C22C27/04GK1033651SQ88107568
公開日1989年7月5日 申請日期1988年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月23日
發(fā)明者居伊·尼古拉 申請人:西蒙·鮑庫茨