技术领域
[0001] 本
发明属于钨合金材料领域,具体涉及一种面向精密仪器的添加有陶瓷颗粒的高耐磨钨合金
粉末冶金材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 高
密度钨合金是一类以钨为基体(钨含量为85%~99%),并添加有少量Ni、Cu、Fe、Co、Mo等元素组成的合金。高密度钨合金不仅熔点高,强度高、硬度高,而且
热膨胀系数小,导电导热性能好,塑性好,具有一定的加工性能。这些优异的性能使其在民用工业特别是在现代国防、核工业中得到广泛应用,如高端
手表中的
飞轮以及兵器工业中的穿甲弹和破甲弹,航空航天中导航仪表的
陀螺仪外缘
转子等。随着精密仪器与医疗器械需求的飞速增长,对精密仪器用材料的生产和应用提出了越来越高的要求。高密度钨合金比重大,相比于其他传统结构材料更为耐磨、耐蚀,且强韧性好、吸收射线能
力强,是十分理想的精密仪器用材料。但目前精密仪器用钨合金材料的
耐磨性能仍有待进一步提高,以期解决精密仪器中关键零部件长期使用过程中
精度失效的难题。
氧化
铝和氧化锆陶瓷具有高硬度、优良的耐磨性、热性能和高温力学性能等,在冶金工业、
机械加工、医学工程、航空航天等领域得到广泛应用。但目前鲜有将氧化铝和氧化锆同时用于改善高密度钨合金的报道。
[0003]
专利CN105603235A介绍了一种耐磨钨合金及其制备方法,其采用
硝酸铝、
柠檬酸和偏钨酸铵为原料,配制成溶液并混合,溶胶凝胶化,对凝胶烘干、
焙烧、还原后使用行星式
球磨机进行球磨,最后经过
烧结获得钨合金。整个制备过程复杂难以控制,且成本高,不适合进行工业化生产。此外该钨合金不含有粘结相,
变形加工能力差,难以满足高精度零部件的成形要求。Hu Ke等于2015年636卷452~458页《Materials Science&Engineering A》上发表的论文“Fabrication,characterization,and mechanical properties of 93W–4.9Ni–2.1Fe/95W–2.8Ni–1.2Fe–1Al2O3heavy alloy composites”中研究了Al2O3对95W显微组织和力学性能的影响。研究表明,Al2O3降低了钨晶粒的尺寸,在高温压缩下具有更高的变形抗力。然而该论文未能对材料中的W、Ni、Fe和Al2O3的成分配方进行优化。
发明内容
[0004] 针对以上
现有技术存在的缺点和不足之处,本发明的首要目的在于提供一种精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0005] 本发明的另一目的在于提供上述精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料的制备方法。
[0006] 本发明目的通过以下技术方案实现:
[0007] 一种精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料,以
质量百分数计,合金成分如下:
[0008]
[0009] 以及不可避免的微量杂质。
[0010] 优选地,所述粘结相镍和
铁的质量比为7:3。
[0011] 优选地,所述氧化铝为α-Al2O3,所述氧化锆是指3mol.%Y2O3部分稳定ZrO2。
[0012] 上述精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料的制备方法,包括如下步骤:
[0013] (1)将钨、镍、铁、氧化铝和氧化锆粉末按质量百分数计进行配比,混合均匀后进行低能球磨,获得均匀的复合钨合金粉末;
[0014] (2)将所得复合钨合金粉末采用冷
等静压压制成生坯,然后在还原氢气气氛下1450~1550℃保温烧结,冷却后取出烧结坯,再在氮气保护下加热至1050~1250℃保温30~60min,然后淬火处理,得到所述精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0015] 优选地,所述钨粉纯度≥99.95%,平均粒度2.4~2.6μm;镍粉纯度≥99.90%,平均粒度2.2~2.5μm;铁粉纯度≥99.50%,平均粒度3.0~5.0μm;氧化铝和氧化锆粉末纯度≥99.9%,平均粒度0.08~0.1μm。
[0016] 优选地,所述钨粉与粘结相镍粉和铁粉的质量比为93:7;镍粉与铁粉的质量比为7:3;氧化铝与氧化锆粉末的质量比为29:21。
[0017] 优选地,步骤(1)中所述低能球磨是指卧式球磨,球磨转速为100r/min,球磨时间24h,球料比为5:1;球磨罐和磨球均为YG8硬质合金,且球磨过程中无需惰性气体保护。
[0018] 优选地,步骤(2)中所述
冷等静压压制的压力为150~300MPa,保压时间5~20min;更优选压力为200~250MPa,时间为10~15min。在该压力和保压时间下,获得的生坯致密度较高,孔隙分布均匀,有利于后续的液相烧结。
[0019] 优选地,步骤(2)中所述烧结
温度为1450~1550℃,保温时间为30~120min,更优选烧
结温度为1480~1520℃,保温时间为60~90min。烧结温度过低或保温时间过短,粘结相无法充分的渗透到钨颗粒间,致使合金致密度低;烧结温度过高或保温时间过长,钨晶粒粗大,W-W连接度增加,且试样变形塌陷严重。
[0020] 优选地,步骤(2)中所述淬火介质为
水。
[0021] 本发明的合金材料及制备方法具有如下优点及有益效果:
[0022] (1)本发明钨合金配方中的各原料都易获取,且氧化铝和氧化锆粉末价格低廉,可部分取代较为昂贵的镍粉和铁粉,有利于降低生产成本。
[0023] (2)本发明采用混粉-低能球磨制取
复合粉末,并结合冷等静压工艺,可获得高致密的均匀的生坯。
[0024] (3)向钨合金中加入纳米氧化铝和氧化锆,降低了钨颗粒的尺寸,促进烧结致密化,有利于提高合金的硬度与
屈服强度,同时氧化铝和氧化锆作为陶瓷材料具有优异的耐磨性,有助于提高钨合金的耐磨性能。
[0025] (4)高温下氧化锆
相变以及弥散微区ZrO2-Al2O3-Y2O3共晶相可改善钨合金的强韧性。
[0026] (5)本发明提供的高耐磨钨合金材料及其制备方法,有望解决精密仪器中关键零部件长期使用过程中精度失效的难题,推进民用精密仪器产业的发展,并拓宽高密度钨合金的应用范围。
附图说明
[0027] 图1为
实施例2中所用Al2O3和ZrO2陶瓷颗粒的EDS谱图。
[0028] 图2为实施例5所得高耐磨钨合金的显微硬度坑测试结果图。
[0029] 图3为实施例6所得高耐磨钨合金的压缩
应力-应变曲线图。
具体实施方式
[0030] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
[0031] 实施例1
[0032] 按表1的配比称取各原料粉末共500g。
[0033] 表1钨合金的原料配方
[0034]
[0035] (1)将按上述比列称取的粉末倒入在V形混粉机中,调节转速为25r/min,混合10h,随后将均匀混合后的粉末倒入YG8硬质合金球磨罐中,磨球材质为YG8硬质合金,球磨转速为100r/min,球磨时间为24h,球料比为5:1;最后采用100目的金属筛对球磨后的粉末进行过筛处理,得到成分均匀、无明显团聚的复合钨合金粉末。
[0036] (2)将复合钨合金粉末装入软包套中后置于冷等静压机压制,压制压力为150MPa,保压时间为5min,得到钨合金生坯。将钨合金生坯置于
推杆式烧结炉进行液相烧结,烧结温度为1450℃,保温时间为30min,烧结气氛为还原氢气,烧结后随炉冷却得到烧结态钨合金。将烧结态钨合金置于推杆式烧结炉中进行淬火处理,气氛为氮气,淬火温度为1200℃,保温时间为60min,淬火方式为水淬。得到精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0037] 本实施例制备的高耐磨钨合金的致密度为98.0%,硬度和压缩屈服强度分别为302HV和742MPa。
[0038] 实施例2
[0039] 按表2的配比称取各原料粉末共500g。
[0040] 表2钨合金的原料配方
[0041]
[0042] (1)将按上述比列称取的粉末倒入在V形混粉机中,调节转速为25r/min,混粉10h,随后将均匀混合后的粉末倒入YG8硬质合金球磨罐中,磨球材质为YG8硬质合金,球磨转速为100r/min,球磨时间为24h,球料比为5:1;最后采用100目的金属筛对球磨后的粉末进行过筛处理,得到成分均匀、无明显团聚的复合钨合金粉末。
[0043] (2)将复合钨合金粉末装入软包套中后置于冷等静压机压制,压制压力为250MPa,保压时间15min,得到钨合金生坯。将钨合金生坯置于推杆式烧结炉进行液相烧结,烧结温度为1500℃,保温时间为90min,烧结气氛为还原氢气,烧结后随炉冷却得到烧结态钨合金。将烧结态钨合金置于推杆式烧结炉中进行淬火处理,气氛为氮气,淬火温度为1200℃,保温时间为60min,淬火方式为水淬。得到精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0044] 本实施例制备的高耐磨钨合金的致密度为99.3%;硬度和压缩屈服强度分别为345HV和870Mpa。
[0045] 本实施例所用Al2O3和ZrO2陶瓷颗粒的EDS图谱如图1所示。由图1可以看出仅存在Al,Zr,O三种元素,且Al元素的强度高于Zr。
[0046] 实施例3
[0047] 按表3的配比称取各原料粉末共500g。
[0048] 表3钨合金的原料配方
[0049]
[0050] (1)将按上述比列称取的粉末倒入在V形混粉机中,调节转速为25r/min,混粉10h,随后将均匀混合后的粉末倒入YG8硬质合金球磨罐中,磨球材质为YG8硬质合金,球磨转速为100r/min,球磨时间为24h,球料比为5:1;最后采用100目的金属筛对球磨后的粉末进行过筛处理,得到成分均匀、无明显团聚的复合钨合金粉末。
[0051] (2)将复合钨合金粉末装入软包套中后置于冷等静压机压制,压制压力为200MPa,保压时间10min,得到钨合金生坯。将钨合金生坯置于推杆式烧结炉进行液相烧结,烧结温度为1480℃,保温时间为60min,烧结气氛为还原氢气,烧结后随炉冷却得到烧结态钨合金。将烧结态钨合金置于推杆式烧结炉中进行淬火处理,气氛为氮气,淬火温度为1200℃,保温时间为60min,淬火方式为水淬。得到精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0052] 本实施例制备的高耐磨钨合金的致密度为98.8%;硬度和压缩屈服强度分别为323HV和780Mpa。
[0053] 实施例4
[0054] 按表4的配比称取各原料粉末共500g。
[0055] 表4钨合金的原料配方
[0056]
[0057] (1)将按上述比列称取的粉末倒入在V形混粉机中,调节转速为25r/min,混粉10h,随后将均匀混合后的粉末倒入YG8硬质合金球磨罐中,磨球材质为YG8硬质合金,球磨转速为100r/min,球磨时间为24h,球料比为5:1;最后采用100目的金属筛对球磨后的粉末进行过筛处理,得到成分均匀、无明显团聚的复合钨合金粉末。
[0058] (2)将复合钨合金粉末装入软包套中后置于冷等静压机压制,压制压力为300MPa,保压时间20min,得到钨合金生坯。将钨合金生坯置于推杆式烧结炉进行液相烧结,烧结温度为1520℃,保温时间为120min,烧结气氛为还原氢气,烧结后随炉冷却得到烧结态钨合金。将烧结态钨合金置于推杆式烧结炉中进行淬火处理,气氛为氮气,淬火温度为1200℃,保温时间为60min,淬火方式为水淬。得到精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0059] 本实施例制备的高耐磨钨合金的致密度为98.1%;硬度和压缩屈服强度分别为359HV和980Mpa。
[0060] 实施例5
[0061] 按表5的配比称取各原料粉末共500g。
[0062] 表5钨合金的原料配方
[0063]
[0064] (1)将按上述比列称取的粉末倒入在V形混粉机中,调节转速为25r/min,混粉10h,随后将均匀混合后的粉末倒入YG8硬质合金球磨罐中,磨球材质为YG8硬质合金,球磨转速为100r/min,球磨时间为24h,球料比为5:1;最后采用100目的金属筛对球磨后的粉末进行过筛处理,得到成分均匀、无明显团聚的复合钨合金粉末。
[0065] (2)将复合钨合金粉末装入软包套中后置于冷等静压机压制,压制压力为200MPa,保压时间10min,得到钨合金生坯。将钨合金生坯置于推杆式烧结炉进行液相烧结,烧结温度为1520℃,保温时间为60min,烧结气氛为还原氢气,烧结后随炉冷却得到烧结态钨合金。将烧结态钨合金置于推杆式烧结炉中进行淬火处理,气氛为氮气,淬火温度为1200℃,保温时间为60min,淬火方式为水淬。得到精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0066] 本实施例制备的高耐磨钨合金的致密度为98.9%;硬度和压缩屈服强度分别为386HV和1180Mpa。
[0067] 本实施例制备的高耐磨钨合金的显微硬度坑如图2所示,测量时
载荷为1kgf,保持时间为20s,由图可看出纳米陶瓷粉末分布均匀,显微硬度坑宽度为60μm左右,硬度较添加0.2wt.%的纳米陶瓷粉末时提高了27.5%。
[0068] 实施例6
[0069] 按表6的配比称取各原料粉末共500g。
[0070] 表6钨合金的原料配方
[0071]
[0072] (1)将按上述比列称取的粉末倒入在V形混粉机中,调节转速为25r/min,混粉10h,随后将均匀混合后的粉末倒入YG8硬质合金球磨罐中,磨球材质为YG8硬质合金,球磨转速为100r/min,球磨时间为24h,球料比为5:1;最后采用100目的金属筛对球磨后的粉末进行过筛处理,得到成分均匀、无明显团聚的复合钨合金粉末。
[0073] (2)将复合钨合金粉末装入软包套中后置于冷等静压机压制,压制压力为250MPa,保压时间15min,得到钨合金生坯。将钨合金生坯置于推杆式烧结炉进行液相烧结,烧结温度为1550℃,保温时间为90min,烧结气氛为还原氢气,烧结后随炉冷却得到烧结态钨合金。将烧结态钨合金置于推杆式烧结炉中进行淬火处理,气氛为氮气,淬火温度为1200℃,保温时间为60min,淬火方式为水淬。得到精密仪器用高耐磨钨合金粉末冶金材料。
[0074] 本实施例制备的高耐磨钨合金的致密度为98.5%;硬度和压缩屈服强度分别为431HV和1452Mpa。
[0075] 本实施例制备的高耐磨钨合金的
压缩应力-应变曲线图如图3所示,以产生0.2%残余变形的应力值做为其屈服强度可得该实施例的屈服强度为1452Mpa。
[0076] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。