固溶淬火钨镍铁合金力学性能与镍铁比关系

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.01.039 第24卷第1期 北京科技大学学报 VoL24 No.1 2002年2月 Journal of Unlversity of Sqience and Technology Beijing Feb.2002 固溶淬火钨镍铁合金力学性能与镍铁比关系 李荣华”张立春)黄继华”般声)杨民让)苗江梅) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)西安华山粉末治金有限公司西安710043 摘要研究了固溶淬火条件下NiFe比（质量分数）对W-Ni-Fe高密度钨合金力学性能的影 响规律.拉伸测试表明，周溶淬火条件下WN-Fe合金的最佳N/Fe比发生偏移，随Ni/Fe比增 加，钨合金的强度和韧性同步提高，当镍铁比达到91时强度和韧性都达到最大值，其后合金的 强韧性随Fe比增加而同步降低.通过X射线和TEM分析发现，缓冷条件下W-Ni-Fe合金 中有脆性B相析出，固溶淬火工艺能有效抑制P相析出， 关缱词W-Ni-Fe;Ni/Fe比；力学性能；热处理 分类号TF125.2 W-Ni-Fe系高密度钨合金以其高密度、高 原钨粉、羰基镍粉，羰基铁粉的品质参数见表1. 强度和较好的韧性在反坦克动能穿甲弹制造等 表1原料粉末的品质参数 行业中应用广泛川.目前国内外在该类合金中大 Table 1 Composition of the raw material 都采用4/6~82的Ni/Fe比Ni,Fe质量分数)，其 元素的质量分数/% 平均粒 中尤以73最为常用，原因是这种成分的钨合金 粉末 W Ni Fe 0 s度m 经液相烧结后缓冷条件下没有金属间化合物析 钨粉99.980.00060.0010.0790.0017- 2.60 出，具有较好的性能Ni/Fe比小于4/6时，由 镍粉 -99.7-0.1600.0850.0012.80 于N含量太少，合金不能很好地实现烧结致密 铁粉一-99.80.1300.0077一 7.58 化，而当Ni/Fe比大于8/2后，易生成脆性的WNi 原料粉末干混8h后静液压制成形（压制压 相（β相），降低合金的力学性能.最近研究表 力170MPa),然后在氢气气氛下钼丝推杆炉中 明，相同烧结条件下随粘结相中镍铁比的增加 烧结，烧结时间均为0.5h,其中73比的对比样 钨合金的相对烧结密度增加，致密化速率提高， 在1480℃烧结，其他试样在1500℃下烧结成 而且有研究发现固溶淬火后W-Ni-Fe合金的力 形.烧结后在1100℃经1h真空除氢处理，最后 学性能有所变化，同时最佳Ni/Fe比发生偏移 氮气保护气氛下在1200℃经1h固溶淬火. ,但没有进一步研究其内在原因.因此，本文 采用LJ-5000A型拉伸实验机测试合金力 将研究固溶淬火条件下Ni/Fe比对W-Ni-Fe合 学性能，X射线衍射仪分析物相组成，Hitachi800 金力学性能的影响规律，寻求热处理条件下的 型透射电镜分析微观结构 最佳i/Fe比，分析其微观组织. 2试验结果与讨论 1试验材料与处理 表2给出了固溶淬火条件下不同镍铁比钨 试验用钨合金中钨质量分数为93%，NiFe 合金的力学性能，从表中可以看出镍铁比显著 比分别为7/3,8.5/1.5,9/1,9.5/0.5和10/0（质量分 影响钨合金的力学性能.固溶淬火条件下，镍 数)5种，其中7/3的传统Ni/Fe比试样为对比样 铁比为91试样的抗拉强度、延伸率和冲击功比 品，l0/0为不含Fe的纯W-Ni二元样品.钨合金 73试样分别高出5%，25%和81%.可见，提高 采用粉末冶金液相烧结方法制备，试验所用还 镍铁比可以显著改善钨合金的综合性能：在提 高强度的同时也使合金的韧性同步大幅度提 收稿日期20010305李荣华月，27岁，博士 *国家自然科学基金资助课题No.59971007) 高.固溶淬火条件下镍铁比对钨合金强度、塑性

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加 盯 固溶淬火钨镍铁合金力学性能与镍铁比关系 李荣华 ‘， 张立春 ‘， 黄继 华 ‘， 殷 声 ” 杨 民让 ” 苗江梅 ” 匕京科技大学材料科学与工程学院 ，北京 西安华山粉末冶金有限公司 西安 摘 要 研究 了固溶悴火条件下 用 比 质 分数 对 一 一 高密度钨合金 力学性能 的影 响规律 拉伸测试表明 固溶淬火条件下 ‘ 一。 合金的最佳 下。 比发生偏移 ， 随 用。 比增 加 ， 钨合金 的强度和韧性 同步提高 ， 当镍铁 比达到 时强度和韧性都达到最大值 ， 其后合金 的 强韧性随 评 比增加而同步降低 通过 射线和 分析发现 ， 缓冷条件下 ‘ 一 合金 中有脆性 相析 出 ， 固滚淬火工艺能有效抑制 相析 出 关拉词 书 一 。 邝。 比 力学性能 热处理 分类号 一 系高密度钨合金 以 其高密度 、 高 强度和较好的韧性在反 坦克动能穿 甲弹制造 等 行业 中应 用广泛‘’ 目前 国内外在该类合金 中大 都采用 一 的 用 比伽 ， 质量 分数 ， 其 中尤以 最为常用 ， 原 因是这种成分的钨合金 经 液相烧结后 缓冷条件下 没有 金属 间 化合物析 出 ， 具有较好 的性 能 ’， 评 比小 于 时 ， 由 于 含量太少 ， 合金不 能很 好地实现烧结致密 化 ， 而 当 许 比大于 后 ， 易生成脆性 的 相 相 ， 降低合金 的力学性能 ‘卜习 最 近研究表 明传，， 相 同烧结条件下 随粘结相 中镍铁 比的增加 钨合金的相对烧结密度增加 ， 致密化速率提高 ， 而 且有研究 发现 固溶淬火后 一 合金 的力 学性 能有 所变 化 ， 同时最佳 评 。 比发生偏移 阳，， 但没 有进 一 步研 究其 内在原 因 因此 ， 本文 将研究 固溶淬火 条件下 用 比对 一 一 。 合 金力 学性 能的影 响规律 ， 寻求热处 理条件下 的 最佳 比 ， 分析其微观组织 原钨粉 、 拨基镍粉 、 拨基铁粉的品质参数见表 衰 原料粉末的品 质参数 血 粉末 元素的质量分数 平均粒 度 小 钨粉 一 · 镍粉 一 一 · 铁粉 一 一 一 原料 粉末 干混 后 静液压 制成形 压 制压 力 ， 然后 在氢气气氛下 铝 丝推杆炉 中 烧结 ， 烧结时间 均为 ， 其 中 比的对 比样 在 ℃ 烧结 ， 其他试样在 ℃ 下 烧结成 形 烧结后在 ℃ 经 真空 除氢 处理 ， 最后 氮气保护 气氛下 在 ℃ 经 固溶淬火 采用 一 型 拉伸实验机测试合金 力 学性能 ， 射线衍射仪分析物相组成 ， 型 透射电镜分析微观结构 试验材料与处理 试验用 钨合金 中钨质量分数 为 ， 评 比分别为 ， ， 八 ， 和 质量分 数 种 ， 其中 的传统 下 比试样 为对 比样 品 ， 为不 含 的纯 ‘ 二元样品 钨合金 采用 粉末冶金液相烧结方法制备 ， 试验所用还 收稿 日期 一 一 李荣华 男 ， 岁 ， 博士 国家 自然科学基金资助课题 试验结果与讨论 ‘ 表 给出了 固溶淬火 条件下不 同镍铁 比钨 合金 的 力 学性能 ， 从表 中可 以 看 出镍铁 比显 著 影 响钨合金 的力 学性能 固溶淬火 条件下 ， 镍 铁 比为 试样的抗拉强度 、 延伸率和 冲击功 比 试样分别高出 ， 和 可见 ， 提高 镍铁 比可 以显 著改善钨合金的综合性能 在提 高强 度 的 同时也 使合 金 的韧性 同步 大幅度 提 高 固溶淬火 条件下镍铁 比对钨合金强度 、 塑性 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．039

Vol.24 No.1 李荣华等：固溶淬火钨镍铁合金力学性能与镍铁比关系 ·39。 和冲击功的影响规律大致相似：从73开始随镍 10 (a)固体淬火 铁比的增大，钨合金的强度和韧性均逐渐同步 提高，当镍铁比达到9/1时，钨合金的各项力学 越 h 性能指标都达到最大值，此后随镍铁比的减小 合金的性能降低，即固溶淬火条件下W-Ni-Fe 合金中的镍铁比存在一个最优值.与缓冷条件 (0000g 22 相比，固溶淬火后W-Ni-Fe合金的最佳Ni/Fe比 0 发生了偏移，从73提高到了9/1 人 20 40 60 80 100 表2镍铁比对钨合金力学性能的影响 28/) Table 2Effect of nickel to iron ratio on mechanical proper- 10 b)烧结缓冷 ties of the alloy tested 镍铁比固溶淬火态力学性能 合金成分 (质量分数)a,MPa6/%A月 93W4.9Ni-2.1Fe 7/3 950 24 55.2 93W-5.95-1.05Fe 8.5/1.5985 28 72.2 2 93W-6.3Ni-0.7Fe 9/1 1000 30 99.8 (010 93W6.65Ni0.35Fe9.5/0.5960 27 名 0 20 40 60 80 93W-7Ni 10/0 930 10 13.7 100 20/() 为考察固溶淬火的作用，采用比较法研究 图1镍铁比9：1钨合金的X射线衍射谱 了Ni/Fe比为7/3和9/1的W-Ni-Fe合金在2种 Fig.1 x-ray diffraction analysis on the alloy tested at Ni to 不同热处理条件下的力学性能，见表3. Fe ratio 表3不同Ni/Fe比和不同热处理状态钨合金的力学性能 标定后发现缓冷态钨合金中除W和Y两相 Table 3 Mechnical properties of alloy tested under Ni to 外，还有B相，而固溶淬火态钨合金中只有W和Y Feratio and heat treatment 两相，没有B相.这表明固溶淬火能有效抑制β相 镍铁比 热处理状态a,MPa8/%g% 的析出.进一步透射电镜分析发现缓冷条件下 73(传统镍铁比)烧结后缓冷96019.015.5 钨合金中脆性金属间化合物β相既存在于粘结 9/1(高镍铁比) 烧结后缓冷 895 5.03.0 相y中，也分布于钨颗粒与粘结相的界面上，尺 9/1(高镍铁比) 固溶淬火100030.025.0 寸较大，形状不规则，呈长条状、粒状（图2(a)或 可以看出相同热处理条件下（均为烧结后缓冷）， 断续网状，衍射花样见图2(b).标定后发现β相 高镍铁比钨合金的抗拉强度、延伸率和断面收 属于四方晶系，透射斑附近2个斑点的指数为 缩率均低于传统镍铁比钨合金；相同Ni/Fe比条 (321)和(202)，晶带轴为(301)，a=0.573nm,c 件下，经过固溶淬火处理后，这种高镍铁比钨合 =0.3553nm.而固溶淬火条件下高镍铁比钨合 金的各项力学性能指标均大幅度提高，抗拉强 金的粘结相中和钨颗粒与粘结相界面上均未发 度、延伸率和断面收缩率与烧结后缓冷态相比， 现有任何析出物存在. 分别提高了0.117倍、5倍和7.3倍；高镍铁比钨 根据W-Ni-Fe3元合金相图，W-Ni-Fe合金 合金经固溶淬火处理后，其各项力学性能指标 的基本组成相为W相和粘结相(y相)，某些情况 全面优于传统镍铁比钨合金，抗拉强度、延伸率 (b) 和冲击功分别提高了0.04倍、0.58倍和0.67倍. 这说明固溶淬火能有效提高高镍铁比钨合金的 力学性能，尤其是塑性能得到很大程度改善；但 烧结后缓冷条件下高镍铁比钨合金的力学性能 反而不如传统镍铁比钨合金 图2缓冷条件下高镍铁比钨合金中阝相(a)、衍射花样(b) 对固溶淬火W-Ni-Fe合金进行X射线图1 Fig.2 B-phase (a)and diffraction pattern(b)of high Ni to 和透射电子显微镜（图2）微观分析. Fe ratio under slow cooling

·40 北京科技大学学报 2002年第1期 下还会出现β相、ε相，μ相等，其中B相高温下不 大优于传统镍铁比钨合金 稳定，可以发生B一Y转变，而ε相和μ相则高温稳 (2)在固溶淬火条件下，随镍铁比增加，钨合 定，难以通过固溶处理消除.B一γ的相变温度约 金的强度和韧性同步提高，当镍铁比达到9/1时 为970℃，同时B相只出现在Ni/Fe比大于82以 鹤合金的各项力学性能指标都达到最大值，其 后，即Ni含量足够高的时候.这样，高Ni/Fe比 后随Ni/Fe比的继续提高合金的性能反而降低. Ni/Fe>8/2)钨合金在烧结后的缓冷过程中970℃ 最佳Ni/Fe比从7/3提高到9/1. 附近会发生Y一B相变，这种条件下析出的β相是 (③)高镍铁比钨合金烧结后缓冷时合金的粘 非弥散的脆性金属间化合物，严重危害钨合金 结相中及钨与粘结相界面上都有非弥散β相析 的力学性能.但这种Y一B转变是可逆的，可以通 出，严重危害合金的力学性能：固溶淬火热处理 过固溶处理使缓冷过程中析出的B相发生B一Y 工艺能够抑制β相在粘结相中沉淀析出，使得合 转变，使之回溶，从而消除非弥散B相对钨合金 金的强度和韧性均得到大幅提高 力学性能的不利影响. 参考文献 上述观察结果都表明缓冷条件下高镍铁比 【赵幕岳，范景莲，王伏生，我国钨基高密度合金的发展 钨合金中有非弥散B相析出，表2中力学性能数 现状与展望.中国钨业，1999,14(5,6)：38 据说明非弥散β相的析出对高镍铁比钨合金的 2 Steven G,Caldwell.Variation of Ni/Fe ratio W-Ni-Fe hea- 力学性能是不利的.1200℃（高于B,Y转变温度） vey alloys[J].Proceedings of the First Inter Confon Tung- 的固溶处理能使β相回溶，随后的淬火可以抑制 sten and Tungsten Alloys,1992,(12):89 其在钨颗粒与粘结相界面上及粘结相中析出， 3 James R S.Spencer[C].Proceedings ofthe First Inter Conf 提高界面结合强度，减少粘结相中的应力集中， on Tungsten and Tungsten Alloys,1992,(12):111 4 Srikanth V.Sintered Heavy Alloys:A Review Internal[J]. 从而避免这种脆性金属间化合物对钨合金性能 Journal of Refractory and Hard Metals,1986,5(1):49 的影响，获得离强韧性的高镍铁比钨合金. 5王玉金.合金元素及第二相对鹤的影响[.宇航材料 工艺，1998(5)：11 3结论 6黄继华，张立春，高Ni/Fe比W一Ni一Fe系重合金烧结 行为U].北京科技大学学报，2000,22(2)：149 (I)烧结后缓冷条件下，高镍铁比钨合金的 力学性能显著低于传统镍铁比钨合金；而固溶 淬火条件下高镍铁比钨合金的综合力学性能大 The Relationship between Mechanical Properties and Nickel to Iron Ratios of Resolutionized/Quenched W-Ni-Fe Alloys LI Ronghua",ZHANG Lichun",HUANG Jihua",YIN Sheng",YANG Minrang",MIAO Jiangmei 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083 2)Xian Huashan Powder Metallurgy Co.Ltd.,Xian 710043,China ABSTRACT The relationship between mechanical properties and nickel to iron ratios of W-Ni-Fe tungsten heavy alloys(WHAs)heat treated by solid-solution and quenching was studied.It was found that under solid- solution and quenching state the best nickel to iron ratio moved from 7/3 to 9/1.And it was also found that the tensile strength and ductility of resolutionized/quenched WHAs have the same changing tendency with incre- asing nickel to iron ratios,namely the mechanical properties increased with increasing nickel to iron ratios,re- aching the maximum when the ratio approached to 9/1,and then decreased as the ratios getting higher.X ray diffraction and TEM analysis showed that there were brittle B(WNi)phase precipitated in slow-cooled after sintering WHAs,and that the solid-solution and quenching heat treatment was effective to inhibit the precipi- tation of WNi. KEY WORDS tungsten heavy alloys;nickel to iron ratio;mechanical properties;heat treatment

北 京 科 技 下 还 会 出现 相 、 。 相 、 林相等 ， 其中 相高温下不 稳定 ， 可 以发生 一丫转变 ， 而。 相和林相则高温稳 定 ， 难 以通 过 固溶处理消除 丫的相变温度约 为 ℃ ， 同时 相 只 出现在 许 比大于 以 后 ， 即 含量足够高的时候 这样 ， 高 评 比 困 压 钨合金在烧结后 的缓冷过程 中 ℃ 附近会发生丫一 相变 ， 这种条件下 析 出的 相是 非弥散 的脆性金属 间化合物 ， 严重危害钨合金 的力学性能 但这种丫一 转变是可逆 的 ， 可 以通 过 固溶处 理使缓 冷过 程 中析 出的 相发生 一 转变 ， 使之 回溶 ， 从而 消除非弥散 相对钨合金 力学性能的不 利影 响 上述观察结果都表明缓冷条件下 高镍铁 比 钨合金 中有非弥散 相析 出 ， 表 中力学性能数 据说 明非弥散 相 的析 出对高镍铁 比钨合金 的 力学 性能是 不利 的 ℃ 高于 ， 转变温度 的固溶处理能使 相 回溶 ， 随后 的悴火可 以抑制 其在钨颗 粒 与粘结相 界 面上 及 粘结相 中析 出 ， 提高界面结合强度 ， 减少粘结相 中的应力集中 ， 从 而避免这种脆性金属 间化合物对钨合金性能 的影 响 ， 获得离强 韧性 的高镍铁 比钨合金 结论 烧结后缓冷条件下 ， 高镍铁 比钨合金 的 力学性能显 著低于 传统镍铁 比钨合金 而 固溶 淬火 条件下高镍铁 比钨合金 的综合力学性能大 大 学 学 报 年 第 期 大优于传统镍铁 比钨合金 在 固溶淬火条件下 ， 随镍铁 比增加 ， 钨合 金 的强度和韧性同步提高 ， 当镍铁 比达 到 时 钨合金 的各项 力 学性能指标都达到最 大值 ， 其 后 随 评 。 比的继续提高合金 的性能反 而 降低 最佳 许 比从 提 高到 高镍铁 比钨合金烧结后缓冷时合金的粘 结相 中及钨与粘结相界面 上 都有非弥散 相析 出 ， 严重危害合金 的力学性能 固溶淬火热处理 工艺能够抑制 相在粘结相 中沉淀析出 ， 使得合 金 的强度 和韧性均得 到大幅提高 参考文献 赵幕岳 ， 范景莲 ， 王 伏生 我 国钨墓高密度合金 的发展 现状与展 望 中国钨业 ， ， ， ， 一 · 几 ， ， 知 ， ， 川 咖比 ， ， 王 玉 金 合金元家及第二相对钨的影 响 宇航材料 工 艺 黄继 华 ，张立 春 高 比 一 一 系重合金烧结 行为 北京科技 大学学 报 ， ， 山 一 一 动 刀 ， 刀侧刀 加砂 ， 浏刃 ， 刀万 ” 刀 ， 扩 ， 赵例 脚 叩 ， ‘ 回 ， ， 一 一 加 一 址 茂 ， ， ， 价 传 一 ， 一