一种穿甲弹芯用含稀土氧化物高密度钨合金及其制备方法

摘要

本发明涉及一种穿甲弹芯用含稀土氧化物的高密度钨合金，其成分及其含量按重量份计为：钨90份—95份；氧化镧和或氧化铈0.05份—2.0份；粘结相镍和铁4.95份-9.95份。本发明还涉及上述高密度钨合金的制备方法，将氧化钨与稀土氧化物混合均匀还原获得复合钨粉，再与粘结相混合，将上述混合料依次进行压制，烧结，氩气热处理，形变强化，预应变时效热处理等工序的处理。本发明通过合理的成分配比以及制备方法，使本发明的高密度钨合金材料具有高强度和高塑性的优良综合力学性能，且性能稳定，为新型号、新功能的穿甲弹的设计开发提供广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种穿甲弹芯用含稀土氧化物的高密度钨合金及其制备方法。

背景技术

    高密度钨合金是一类以钨为基(钨的质量分数通常为80%-97%),并添加有Ni、Fe、Co、Cu、Mo、Cr等元素组成的合金,其密度高达16.5-19.0g/cm³,而被人们通称为高密度钨合金、高比重合金、重合金。高密度钨合金不仅密度大,而且还具有一系列优异的性能:强度高,硬度高,延性好,机加工性能好,热膨胀系数小,导热系数大,抗氧化和抗腐蚀性能好,可焊性好等等。这些优异性能在尖端科学领域、军事工业和民用工业中得到了广泛的应用。这类合金在杆式动能穿甲弹的弹芯材料、平衡配重元件、惯性元件、射线屏蔽材料等方面得到了广泛应用。随着主战坦克、舰船装甲及各种军用工事的日益强化,对穿甲武器的性能提出了越来越高的要求。高密度钨合金杆式动能穿甲弹,不仅具有良好的穿甲威力,而且与贫铀合金穿甲弹相比具有无毒性、无放射性污染等优点,是当今世界各国装备的主要穿甲武器,也是穿甲武器今后发展的主要方向。但穿甲弹芯用的高密度钨合金还存在粘结相分布不均、氢脆、金属间化合物偏析、残余孔隙等诸多造成性能不稳定的缺陷，而且烧结态高密度钨合金毛坯强度和塑性较低，常规的钨-镍-铁系高密度钨合金的动态拉伸性能还需进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对穿甲弹芯用高密度钨合金材料现有技术的不足之处，提供一种改进的具有优异综合性能的高密度钨合金，以解决上述诸多性能不稳定及综合力学性能不高等不足。

本发明的另一目的是提供一种上述高密度钨合金的制备方法。

为了解决以上问题，本发明的高密度钨合金成分及其含量按重量份计为：

钨  90份—95份；

氧化镧和或氧化铈 0.05份—2.0份；

粘结相 镍和铁 4.95份-9.95份 。

上述高密度钨合金的粘结相成分可替换为镍加铁加钴 ，其含量按重量份计为4.95份-9.95份,其中钴小于等于1份 。

上述高密度钨合金粘结相成分可替换为镍加铁加钴加锰，其含量按重量份计为4.95份-9.95份,其中钴小于等于1份，锰小于等于0.1份。

上述第一种成分的高密度钨合金按照如下步骤制备：

（1）   复合钨粉的制备：将兰色氧化钨（WO_2.9）与稀土氧化物氧化镧和或氧化铈按照重量份112.7-118.9份：0.05-2份的比例混合6—18小时；然后将混合物在十五管氢气还原炉内进行还原，还原炉分3个温度区，每个温度区温度依次设置为：700-750℃，820-880℃，900-980℃，氢气流量为：2-5m³/h，推舟速度5-10 mm/分钟；将还原的复合钨粉过120目—200目筛网；

（2）   混合料的制备：将复合钨粉与粘接相 镍和铁按照重量份90.05-95.05份：4.95-9.95份的比例混合6—12小时，然后混合粉过80目—140目筛网；

（3）   压制成型：将混合粉末压制成型，获得半成品压坯；

压制成型优选用等静压制，将混合粉末装入橡胶套中在等静压机中压制成型，压制压力为140MPa—200 MPa，保压时间：3-分钟；

（4）   烧结：将压坯装入钼舟皿或刚玉舟皿内，填料采用氧化铝粉，将舟皿在氢气烧结炉内烧结，烧结温度为1450-1540℃，舟皿推速为：5-10mm/分钟，氢气流量为：4-8m³/h；

（5）   氩气热处理：将烧结获得的钨合金毛坯在氩气保护下在加热炉中进行脱氢处理，温度为：1100-1300℃，保温1-8小时；

（6）   形变强化：将脱氢后钨合金毛坯加热到400-900℃，在挤压设备或旋锻设备上进行10%-70%变形量的热挤压或旋锻变形；

（7）   预应变时效热处理：将形变后的高密度钨合金材料在400-900℃下预应变时效1-24小时。

本发明通过研究和实验，发现稀土元素对高密度钨合金材料力学性能的影响与具体稀土元素的选用、稀土元素在合金中的添加量和它的添加形态以及添加的方式有很大的关系，本发明采用的氧化镧和氧化铈能抑制杂质元素在钨合金晶界处的偏聚，使钨颗粒与粘接相的界面净化，同时稀土氧化物在粘接相中的弥散分布，使粘接相得到强化，防止材料在受到冲击、剪切时裂纹的产生和扩展。同时，稀土氧化物含量过高或过低都会造成稀土氧化物在晶界分布不均，产生大的孔隙，使组织结构产生缺陷，形成断裂源，导致合金性能下降。本发明采取先用蓝色氧化钨与稀土氧化物经充分混合后进行共还原制备复合粉，然后再与其他粘结相金属混合制备钨合金混合料的方法与其他常规的采用直接将钨粉与其他成分一次性混合有很大的不同，具有明显的先进性，因为兰色氧化钨与钨粉的形貌有很大的差异，兰钨比表面大，表面有很多裂纹和孔隙，而钨粉表面规则平滑，正是这种形貌的差异，使稀土氧化物与兰钨的混合过程中更易被均匀吸附在兰钨表面，在随后的氢气气氛的共还原过程中，按照一般的氧化钨水合物的挥发与沉积机理，即在约500℃以上的温度时，钨的氧化物能与水蒸汽生成较一般氧化钨挥发性更大的水合氧化钨WOx·nH₂O，然后挥发至气相的水合氧化钨，在氢气的还原作用下，被还原后再沉积在稀土氧化物和较粗的钨颗粒上，从而形成均匀分布的稀土复合钨粉，然后再与粘接相金属粉末混合制备混合料，这样的工艺方法保证了各成分的均匀一致性，这是采用一次性将所有组分进行机械混合无法实现的。

本发明的高密度钨合金的制备方法步骤（2）中，复合钨粉与粘结相组分和重量份可替换为：复合钨粉与粘结相 镍、铁和钴按照重量份90.05-95.05份：4.95-9.95份的比例配制，其中钴重量份小于等于1份。

本发明的高密度钨合金的制备方法步骤（2）中，复合钨粉与粘结相组分和重量份还可替换为：复合钨粉与粘结相 镍、铁、钴和锰按照重量份90.05-95.05份：4.95-9.95份的比例配制，其中钴重量份小于等于1份，锰小于等于0.1份。

本发明方法，由于合理的成分配比以及通过严格控制各个步骤的工艺参数，从而解决了高密度钨合金的致密度、组织结构、力学性能等诸多问题，从而使本发明的高密度钨合金材料具有高强度的同时，还可以保持较高的塑性，具有优良的综合力学性能，而且性能能得到稳定控制。

附图说明

附图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

   本发明的穿甲弹芯用含稀土氧化物的高密度钨合金制备方法包括如下步骤（以制备100公斤高密度钨合金为例，以下同）：

    步骤一：含稀土氧化物的复合钨粉的制备

 将115.2公斤兰色氧化钨（折金属W：92.0公斤）和1公斤稀土氧化物氧化镧在混合器中混合12小时，然后将混合氧化物在温度依次为750℃、850℃、960℃的三温区十五管氢气还原炉中进行还原，氢气流量为： 3m³/h，推舟速度8mm/分钟；将还原后的包含钨粉和稀土氧化物的复合钨粉进行120目筛网过筛。

 步骤二：混合料的制备

将93公斤复合钨粉和粘结相4.2公斤镍粉、1.8公斤铁粉、1公斤钴粉在混合器中混合6小时，然后将混合料过80目筛网。

 步骤三：压制成型

 将混合粉末装入橡胶套中在等静压机中压制成型，压制压力为140MPa，保压时间：5分钟。

 步骤四：氢气烧结

将压坯装入钼舟皿，氧化铝粉作填料，在钼丝加热连续推杆炉中进行烧结；烧结温度为1480℃，推速为：5mm/分钟，氢气流量为：4m³/h。

所获得的高密度钨合金重量百分比组分为：

W(钨) 92.0%；La₂O₃ (氧化镧)1%；Ni(镍)4.2%；Fe(铁) 1.8%；Co(钴) 1%。

    步骤五：氩气热处理

 将烧结态钨合金毛坯在氩气保护的钼丝加热炉中进行脱氢处理，加热温度为：1200℃，保温时间4小时

 步骤六：形变强化

 将热处理后的钨合金加热到700℃，保温30分钟，在旋锻机上进行40%的径向变形。

 步骤七：预应变时效热处理

 将变形后的钨合金在钼丝炉中进行预应变时效处理，温度600℃，时间8小时

实施例2

     步骤一：含稀土氧化物的复合钨粉的制备

将118.9公斤兰色氧化钨（折金属W：95.0公斤）和0.05公斤氧化铈在混合器中混合18小时，然后将混合氧化物在温度分别为700℃、820℃、900℃的三温区十五管氢气还原炉中进行还原，氢气流量为： 2m³/h，推舟速度5 mm/分钟；将还原后的包含钨粉和稀土氧化物的复合钨粉进行200目筛网过筛。

 步骤二：混合料的制备

将95.05公斤复合钨粉和粘结相3.95公斤镍粉、1.0公斤铁粉在混合器中混合12小时，然后将混合料过140目筛网。

 步骤三：压制成型

 将混合粉末装入橡胶套中在等静压机中压制成型，压制压力为200MPa，保压时间：3分钟。

 步骤四：氢气烧结

钼舟皿，氧化铝粉作填料。

将压坯装入钼舟皿，氧化铝粉作填料，在氢气保护的钼丝加热连续推杆炉中进行烧结；烧结温度为1540℃，推舟速度为：10mm/分钟，氢气流量为： 8m³/h。

所获得的高密度钨合金重量百分比组分为：

W(钨) 95.0%；CeO₂(氧化铈)0.05%；Ni(镍)3.95%；Fe(铁) 1.0%；

 步骤五：氩气热处理

 将烧结态钨合金毛坯在氩气保护的钼丝加热炉中进行脱氢处理，加热温度为：1100℃，保温时间8小时

 步骤六：形变强化

 将热处理后的钨合金加热到900℃，保温20分钟，在旋锻机上进行50%的径向变形。

 步骤七：预应变时效热处理

 将变形后的钨合金在钼丝炉中进行预应变时效处理，温度900℃，时间1小时

    实施例3

      一种穿甲弹芯用含稀土氧化物的高密度钨合金制备方法包括如下步骤：

 步骤一：含稀土氧化物的复合钨粉的制备

将113.3公斤兰色氧化钨（折金属W：90.5公斤）和1公斤氧化铈、1公斤氧化镧在混合器中混合14小时，然后将混合氧化物在温度分别为730℃、880℃、980℃的三温区十五管氢气还原炉中进行还原，氢气流量为： 5m³/h，推舟速度10mm/分钟；将还原后的包含钨粉和稀土氧化物的复合钨粉进行200目筛网过筛。

 步骤二：混合料的制备

将92.5公斤复合钨粉和粘结相4.9公斤镍粉、2.1公斤铁粉、0.44公斤钴粉、0.06公斤锰粉在混合器中混合8小时，然后将混合料过120目筛网。

步骤三：压制成型

 将混合粉末装入橡胶套中在等静压机中压制成型，压制压力为180MPa，保压时间：4分钟。

 步骤四：氢气烧结

将压坯装入钼舟皿，氧化铝粉作填料，在钼丝加热连续推杆炉中进行烧结；烧结温度为1520℃，推速为：9mm/分钟，氢气流量为：7m³/h。。

所获得的高密度钨合金重量百分比组分为：

W(钨) 90.5%；La₂O₃ (氧化镧)1 %；CeO₂(氧化铈) 1%；Ni(镍)4.9%；Fe(铁) 2.1%；Co(钴) 0.44%；Mn(锰) 0.06%；

 步骤五：氩气热处理

 将烧结态钨合金毛坯在氩气保护的钼丝加热炉中进行脱氢处理，加热温度为：1300℃，保温时间1小时

 步骤六：形变强化

 将热处理后的钨合金加热到400℃，保温40分钟，在旋锻机上进行10%的径向变形。

 步骤七：预应变时效热处理

 将变形后的钨合金在钼丝炉中进行预应变时效处理，温度400℃，时间24小时

实施例4

   步骤一：含稀土氧化物的复合钨粉的制备

将112.7公斤兰色氧化钨（折金属W：90.0公斤）和0.05公斤氧化铈在混合器中混合6小时，然后将混合氧化物在温度分别为720℃、860℃、950℃的三温区十五管氢气还原炉中进行还原，氢气流量为：4m³/h，推舟速度7 mm/分钟；将还原后的包含钨粉和稀土氧化物的复合钨粉进行140目筛网过筛。

 步骤二：混合料的制备

将90.05公斤复合钨粉和粘结相6.5公斤镍粉、3.45公斤铁粉在混合器中混合6小时，然后将混合料过120目筛网。

 步骤三：压制成型

 将混合粉末装入橡胶套中在等静压机中压制成型，压制压力为160MPa，保压时间：3.5分钟。

 步骤四：氢气烧结

将压坯装入钼舟皿，氧化铝粉作填料，在钼丝加热连续推杆炉中进行烧结；烧结温度为1480℃，推速为：10mm/分钟，氢气流量为：4m³/h。。

所获得的高密度钨合金重量百分比组分为：

W(钨) 90.0%；CeO₂(氧化铈)0.05%；Ni(镍)6.5%；Fe(铁) 3.45%；

 步骤五：氩气热处理

 将烧结态钨合金毛坯在氩气保护的钼丝加热炉中进行脱氢处理，加热温度为：1200℃，保温时间4小时

 步骤六：形变强化

 将热处理后的钨合金加热到800℃，保温25分钟，在旋锻机上进行70%的径向变形。

 步骤七：预应变时效热处理

 将变形后的钨合金在钼丝炉中进行预应变时效处理，温度800℃，时间7小时。

上述实施例中所配制的稀土氧化物氧化镧与氧化铈可以互换。

本发明 采用上述实施例所获得的高密度钨合金力学性能如下表： 

   从上述数据可以看出，本发明所制备的一种穿甲弹芯用含稀土氧化物的高密度钨合金强度比常规钨合金高出40-90%，特别符合穿甲弹体的设计要求，必将为新型号、新功能的穿甲弹的设计开发提供广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。