專利名稱：極高機(jī)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(jī)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(dòng)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(dāng)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(jī)械密實(shí)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(jī)械性能強(qiáng)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(shí)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(shí)間，-將產(chǎn)品在真空中于700-1420℃加熱足夠時(shí)間，使之脫氣，以及-將產(chǎn)品機(jī)械加工到所需尺寸，該工序可至少經(jīng)過一道加工來進(jìn)行以提高產(chǎn)品強(qiáng)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(qiáng)度RM為1220MPa，屈服強(qiáng)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?yàn)槟壳皩O限抗拉強(qiáng)度等級的要求是大于1600MPa，并可高達(dá)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(jī)械性能，尤其極限抗拉強(qiáng)度至高可達(dá)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(cuò)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(dá)到極高的機(jī)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(huì)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(qiáng)度的提高而成比例地減小。因此，平均自由程小于15μm時(shí)，極限抗拉強(qiáng)度達(dá)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(gè)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(huì)在α相中發(fā)現(xiàn)有尺寸為0.01-1μm的位錯(cuò)晶胞存在，它隨材料機(jī)械性能的提高而成比例地減少。與材料機(jī)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(rèn)為，正是那些晶胞使該類合金具有發(fā)生變形時(shí)所必需的塑性。此外，在表面平行于加工方向的試樣上所進(jìn)行的觀察還揭示了隨機(jī)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?yàn)樘卣?，該種取向按密勒指數(shù)，對于試樣中心部的極點(diǎn)｛110｝相當(dāng)于〈110〉方向然而，機(jī)械性能的提高超過1500MPa水平會(huì)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(jī)械性能值，尤其可使斷裂強(qiáng)度接近2000MPa。
為達(dá)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(jìn)了該類合金的處理，使之有可能促進(jìn)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(dāng)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(shí)，-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(gè)操作周期，每個(gè)周期包含一個(gè)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(jī)械性能最高值相當(dāng)?shù)慕M織成比例地增加。從而，三個(gè)循環(huán)即可使其達(dá)到1400-1450MPa的極限抗拉強(qiáng)度水平，而在四個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，達(dá)到接近1850MPa的值。每個(gè)循環(huán)依次包括一個(gè)加工步驟，例如用鍛造法進(jìn)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(shí)所進(jìn)行的退火。
在開始兩個(gè)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(gè)周期中，例如在進(jìn)行熱處理之前，至少在鍛造設(shè)備中進(jìn)行連續(xù)的兩道加工，以達(dá)到適當(dāng)?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(qiáng)度1100、1540及1850MPa的試樣橫截面在放大200倍時(shí)的組織。
圖4、5及6示出由相同試樣得到的抗拉強(qiáng)度時(shí)，有關(guān)斷口分別放大1000、1000及2600倍時(shí)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(dá)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(shí)形成蝶翅。
圖3中，在圖2中所見的趨勢增強(qiáng)，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(jī)械性能，可以看到，整個(gè)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(dá)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(cuò)微晶胞發(fā)展。
本發(fā)明可以參照下列使用該方法的實(shí)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(shí)，然后在部分真空中于加熱到900-1300℃的爐中保持25小時(shí)。
這樣制得的產(chǎn)品再按本發(fā)明所述進(jìn)行處理。周期處理進(jìn)行的特定條件，以及在不同處理周期中所達(dá)到的機(jī)械性能Rm(極限抗拉強(qiáng)度)、R0、2(延伸率為0.2%的屈服強(qiáng)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(shí)斷裂強(qiáng)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(jī)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(cuò)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(qiáng)度水平大于1500MPa時(shí)，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(dāng)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(shí)，-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(gè)操作周期，每個(gè)周期包括一個(gè)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(gè)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(gè)周期中，加工操作至少進(jìn)行兩道。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)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