法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-04-19
授权
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2018-06-01
实质审查的生效 IPC(主分类):C22C30/02 申请日:20171130
实质审查的生效
2018-05-04
公开
公开
技术领域
本发明属于合金材料技术领域,具体涉及一种高铜W-Ni-Cu合金材料及其制备方法。
背景技术
W-Ni-Cu合金是一种常用的合金,工业上广泛应用的高密度合金主要有W-Ni-Fe系列和W-Ni-Cu系列合金,W-Ni-Cu合金因为具有高的密度,没有磁性,被用作破甲弹的药型罩、导航陀螺仪、电接触器、电极等重要材料。其中导航材料被广泛地应用在导弹、飞机、运载火箭、人造卫星、舰艇的惯性导航陀螺仪上,并取得了很好的效果。在某些特殊场合还会用到低密度的W-Ni-Cu合金。目前生产这类合金的方法主要由熔渗法、湿法、液相烧结法。
熔渗法是将W粉压制成坯块,在一定温度下烧结成预烧制成具有一定密和强度的多孔W基体骨架,然后将熔点较低的金属Cu、Ni熔化,渗入到W骨架中从而得到较为致密的合金的方法。但熔渗过程易造成成分偏析,组织不均匀,且工艺较为繁复。
湿法即采用硝酸镍、硝酸铜溶液与钨混合,经还原制得钨镍铜包覆粉,再进行压制、烧结。此方法的优点是获得钨镍铜合金的各项性能均衡,但在还原过程中产生大量的有毒化合物,对环境及人体健康造成很大影响。
液相烧结法是制备W-Ni-Cu合金的一种简单常用的方法,因而得到了广泛的应用。但是常规的W-Ni-Cu合金中Cu的质量含量<22%时,才采用液相烧结的方法制备,而当W-Ni-Cu合金中Cu的质量含量≥22%后,W-Ni-Cu合金很难使用烧结法生产,较高的Cu含量烧结后会导致制品坍塌、Cu渗出、组织不均匀等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足,提供了一种高铜W-Ni-Cu合金材料。该高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99%,理论密度为10g/cm3~14g/cm3,能够保证合金材料的形状尺寸和致密度,因而具有良好的塑性和机加工性能,并且制备该高铜W-Ni-Cu合金材料的方法采用粉末冶金液相烧结工艺,通过分阶段升温保温,使合金中的液相含量控制在一定范围内,从而避免Cu的渗出,保证了合金材料的形状尺寸。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种高铜W-Ni-Cu合金材料,其特征在于,由以下质量百分数的原料制成:Ni 8%~18%,Cu 22%~57%,余量为W和不可避免的杂质;所述高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99%,所述高铜W-Ni-Cu合金材料中Cu的质量含量≥22%。
上述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料,其特征在于,由以下质量百分数的原料制成:Ni 12%~13%,Cu 28%~50%,余量为W和不可避免的杂质。
上述的一种高铜W-Ni-Cu合金材料,其特征在于,由以下质量百分数的原料制成:Ni 13%,Cu 50%,余量为W和不可避免的杂质。
另外,本发明还提供了一种制备上述高铜W-Ni-Cu合金材料的方法,该方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉混合均匀,得到混合料;
步骤二、采用模压法将步骤一中得到的混合料在压强为180MPa~300MPa条件下,保压0.5min~2min压制成坯料;
步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于真空炉中,在真空条件下从室温依次升温至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃,每个温度点均保温18min~22min,在炉内自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料。
上述的方法,其特征在于,步骤一中所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm。
上述的方法,其特征在于,步骤一中所述W粉、Ni粉、Cu粉通过球磨混合,球磨混合的球料比为(2~0.5):1,时间为18h~24h。
上述的方法,其特征在于,步骤二中所述压强为190MPa,保压时间为1min。
上述的方法,其特征在于,步骤三中所述升温的速率为3℃/min~18℃/min。
本发明采用的技术原理如下:
在高Cu含量W-Ni-Cu合金烧结的烧结初期,随着温度升高,Cu液流动能力增大,伴随润湿角减小,空隙被填充和颗粒重排得以充分进行,合金密度硬度上升。若不采用阶段保温而直接升温,就会使Cu的液相量过多而来不及与Ni结合导致Cu的聚集,而使W-Ni-Cu坯料坍塌或者Cu的渗出,严重影响高铜W-Ni-Cu合金材料的尺寸与形状。因此在在烧结压制成型的W-Ni-Cu坯料时,应在Cu熔点之下(Cu熔点的1083℃)保温一定时间后再升温进行变温液相烧结,即:要进行控制液相含量的固—液两相烧结。随烧结时间延长,Ni、Cu互溶,随Ni在Cu中的固溶度增加,固相线温度升高因此可以进一步提高烧结温度(见图1)。根据Cu、Ni比例,以及由图1所述的Cu-Ni相图,可知烧结选择的1070℃、1090℃、1120℃、1160℃四个温度点均在液相线以内,且经过多次试验这四个温度点可使烧结顺利进行,且烧结后的合金密度、形状最佳,如果超出最高烧结温度1160℃,Cu将渗出,坯料变形严重。总而言之,对于此类高铜含量W-Ni-Cu坯料,保持最高烧结温度应不大于液相线温度,正是基于上述的考虑,本发明设计了高铜含量的高铜W-Ni-Cu合金材料的制备方法,并且制备的高铜W-Ni-Cu合金材料的相对密度不低于99%,具有良好的塑性和机加性能。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明采用真空烧结的方法简单易行,不需要氢气保护,安全可靠同时也不会对环境造成危害。
2、本发明采用阶段升温保证了高液相量合金的尺寸,而且使用该方制备出的合金密度、塑性,可机械加工性能均比较高。
3、本发明解决了高铜W-Ni-Cu合金很难使用烧结法进行加工生产的技术问题,克服了合金烧结过程中产生的坍塌、Cu渗出、组织不均匀等问题,制备的高铜W-Ni-Cu的相对密度不低于99%,因而具有良好的结构。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
附图说明
图1是Cu-Ni相图。
图2是本发明实施例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的宏观照片。
图3是本发明实施例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的金相显微照片。
图4是本发明对比例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的侧视图。
图5是本发明对比例1制备高铜W-Ni-Cu合金材料的俯视图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成:Ni 8%,Cu 22%,余量为W和不可避免的杂质。
本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按70:8:22的质量比混合,置于混料机中通过球磨混合,其中球料比1:1,球磨时间为18h,混合均匀后得到混合料;所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm;
步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制,将步骤一中得到的混合料在压强为300MPa条件下,保压2min,脱模得到圆柱形的坯料;
步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中,填入氧化铝粉,置于真空炉中进行烧结,加热到600℃时,关闭真空阀,防止挥发,继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃,依次保温的时间为22min、22min、22min和22min,保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料;所述真空炉为真空电阻炉。
经测试,本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ=13.88g/cm3,相对密度99.1%。
图2是本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的光学照片。从图可知,本实施例制备的高铜W-Ni-Cu合金材料的表面光滑,棱角分明尺寸外形保持很好。图3是本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的金相显微照片,从图可知,本实施例制备的高铜W-Ni-Cu合金材料的组织均匀无偏聚,合金材料上的孔洞较少,因而具有良好的外观形貌和塑性,易于进行加工。
对比例1
本对比例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成:Ni 18%,Cu 22%,余量为W和不可避免的杂质。
本对比例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按70:8:22的质量比混合,置于混料机中通过球磨混合,其中球料比1:1,球磨时间为18h,混合均匀后得到混合料;所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm;
步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制,将步骤一中得到的混合料在压强为300MPa条件下,保压2min,脱模得到圆柱形的坯料;
步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中,填入氧化铝粉,置于真空炉中进行烧结,加热到600℃时,关闭真空阀,防止挥发,直接升温至1160℃,保温的时间为88min,保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料;所述真空炉为真空电阻炉。
经测试,本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ=13.70g/cm3,相对密度97.8%。
图4是本对比例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的侧视图,图5是本对比例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的俯视图,从图4和图5可知:在高Cu含量W-Ni-Cu合金烧结的烧结初期,随着温度升高,Cu液流动能力增大,伴随润湿角减小,空隙被填充和颗粒重排得以充分进行,合金密度硬度上升。若不采用阶段保温而直接升温,就会使Cu的液相量过多而来不及与Ni结合导致Cu的聚集,而使W-Ni-Cu坯料坍塌或者Cu的渗出,严重影响高铜W-Ni-Cu合金材料的尺寸、形状和组织均匀性,与图1相比较,本发明的方法所采用的分四阶段升温的方法,能够保证高铜W-Ni-Cu合金材料的烧结质量,使制备的高铜W-Ni-Cu合金材料具有更好的合金密度和材料塑性,进而具有更好地机械加工性能。
实施例2
本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成:Ni 13%,Cu 37%,余量为W和不可避免的杂质。
本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按50:13:37的质量比混合,置于混料机中通过球磨混合,其中球料比2:1,球磨时间为12h,混合均匀后得到混合料;所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm;
步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制,将步骤一中得到的混合料在压强为220MPa条件下,保压1.5min,脱模得到圆柱形的坯料;
步骤三、、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中,填入氧化铝粉,置于真空炉中进行烧结,加热到600℃时,关闭真空阀,防止挥发,继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃,依次保温的时间为20min、20min、20min和20min,保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料;所述真空炉为真空电阻炉。
经测试,本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ=11.9g/cm3,相对密度99.1%。
实施例3
本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成:Ni 13%,Cu 50%,余量为W和不可避免的杂质。
本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按37:13:50的质量比混合,置于混料机中通过球磨混合,其中球料比0.5:1,球磨时间为24h,混合均匀后得到混合料;所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm;
步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制,将步骤一中得到的混合料在压强为190MPa条件下,保压1min,脱模得到圆柱形的坯料;
步骤三、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中,填入氧化铝粉,置于真空炉中进行烧结,加热到600℃时,关闭真空阀,防止挥发,继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃,依次保温的时间为20min、20min、20min和20min,保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料;所述真空炉为真空电阻炉。
经测试,本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ=10.98g/cm3,相对密度99.8%。
实施例4
本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成:Ni 18%,Cu 57%,余量为W和不可避免的杂质。
本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按25:18:57的质量比混合,置于混料机中通过球磨混合,其中球料比2:1,球磨时间为18h,混合均匀后得到混合料;所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm;
步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制,将步骤一中得到的混合料在压强为180MPa条件下,保压0.5min,脱模得到圆柱形的坯料;
步骤三、、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中,填入氧化铝粉,置于真空炉中进行烧结,加热到600℃时,关闭真空阀,防止挥发,继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃,依次保温的时间为18min、18min、18min和18min,保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料;所述真空炉为真空电阻炉。
经测试,本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ=9.96g/cm3,相对密度99.6%。
实施例5
本实施例的高铜W-Ni-Cu合金材料由以下质量百分数的原料制成:Ni 12%,Cu 28%,余量为W和不可避免的杂质。
本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的方法包括以下步骤:
步骤一、将W粉、Ni粉、Cu粉按60:12:28的质量比混合,置于混料机中通过球磨混合,其中球料比1:1,球磨时间为20h,混合均匀后得到混合料;所述W粉的质量纯度不小于99.8%,Ni粉的质量纯度不小于99.5%,Cu粉的质量纯度不小于99.8%;所述W粉的粒径为34μm,Ni粉的粒径不大于15μm,Cu粉的粒径不大于74μm;
步骤二、选用直径40mm的圆柱形模具使用双立柱压机压制,将步骤一中得到的混合料在压强为280MPa条件下,保压1.5min,脱模得到圆柱形的坯料;
步骤三、、将步骤二中压制成的坯料置于烧舟中,填入氧化铝粉,置于真空炉中进行烧结,加热到600℃时,关闭真空阀,防止挥发,继续升温依次至1070℃、1090℃、1120℃和1160℃,依次保温的时间为20min、20min、20min和20min,保温结束后随炉自然冷却后得到高铜W-Ni-Cu合金材料;所述真空炉为真空电阻炉。
经测试,本实施例制备高铜W-Ni-Cu合金材料的密度ρ=12.89g/cm3,相对密度99.2%。
本发明的高铜W-Ni-Cu合金材料应用于一种梯度材料,实施例1~实施例5制备的高铜W-Ni-Cu合金材料经数控加工中心加工成复杂的形状后组合使用。实施例1~实施例5制备的高铜W-Ni-Cu合金材料不但满足了该梯度材料的密度要求(呈阶梯变化)也具有非常良好的塑性机加工性能(易切削)。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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