穿甲弹芯高强度、高塑性钨基合金及其制造方法

1.               于适合穿甲弹芯用的高强度、高塑性钨基合金及其制造方法的改进。该

合金的组成(重量％)为：钨85～95％、镍10 .5～3 .5％、铁1 .4～4 .5％、钴0 .2～1 .0％、锰
0 .03～0 .1％。添加钴和锰后的合金在较宽的烧结温度范围下仍保持性能的一致性，从而便
于烧结过程中的温度控制，容易实现工业规模生产。采用室温静液挤压的冷加工方式及连
续烧结方式可缩短生产周期，提高成品率，改善合金性能。                                                                                       1 .一种钨合金，它由钨、镍、铁粉末加工而成，镍/铁＝5∶5～8∶2(重量比)，其特征是所
说的合金中还含有钴和锰；其中钨的含量为85～95％、镍为10 .5～3 .5％、铁1 .4～4 .5％、钴
0 .2～1 .0％、锰0 .03～0 .1％(重量％)。
2.按权利要求1所说的钨合金，其特征是钨的含量为90～95％、镍3 .5～7 .0％、铁1 .5～
3 .0％、钴0 .4～0 .6％、锰0 .03～0 .05％(重量％)，镍/铁＝7∶3(重量比)。
3 .一种钨合金的制造工艺，包括：
(1).将W、Ni、Fe粉末混合；
(2).压制成型；
(3).压块在还原性气氛中，低于液相温度下予烧结；
(4).在还原性气氛中液相烧结；
(5).真空退火；
(6).冷加工；
其特征是：
①.所说的粉末中还有钴和锰，其中钨85～95％、镍10 .5～3 .5％、铁1 .4-4 .5％、钴0 .2
～1 .0％、锰0 .03～0 .1％(重量％)，镍/铁＝5∶5～8∶2(重量比)；
②.所说的液相烧结温度为液相以上0 .1～40℃；
③.所说的冷加工为室温静液挤压。
4 .按权利要求3所说的钨合金的制造工艺，其特征是所说的烧结采用连续烧结方式。
5 .按权利要求3所说的钨合金的制造工艺，其特征是所说的静液挤压挤压模模角为15
～60°，挤压加工率为10～50％。高强度、高塑性钨合金及其制造工艺
[0001] 本发明属于适合穿甲弹弹芯用的高强度、高塑性钨合金及其制造方法的改进。
[0002] 穿甲弹弹芯用的钨合金必需具有高强度、高比重、高硬度及高塑性，同时要保证材
料均匀性。钨具有高熔点、高比重和其他优异的物理性能，是制造穿甲弹的最有希望的材
料。但钨太脆，烧结温度高。为改善其机械性能，发展了有各种添加元素的钨基合金。
[0003] US3988118提出一种含镍、铁、钼、钴、锰的钨基合金。这种合金的室温性能差，尤其
是室温塑性太差，不适合制做穿甲弹弹芯。
[0004] US 3，979，234提出一种含镍和铁的钨基合金。它是将85～95％(重量)钨其余为镍
∶铁＝5∶5～8∶2(重量比)的粉末均匀混合后，经压制、烧结、退火、冷加工、机加工制成零件。
为了保证产品性能均匀及防止烧结过程中制品塌陷，液相烧结温度需限止在合金的液相温
度以上20℃以内。为此，使用的烧结炉必 须有大的均温区，小的温度梯度，这就不易实现工
业规模的生产，需要较长时间的烧结，生产效率低。该文献中所说的冷加工为冷旋锻。由于
钨基合金硬度高，采用冷旋锻需要大功率的旋锻机，而且制件容易产生裂纹、破碎等缺陷。
[0005] 采用温加工可降低对设备能力的要求，但加工后制品的表面质量差机加工量大、
材料利用率低。
[0006] 本发明的目的是要提出一种适合于穿甲弹弹芯用的、具有高比重、高强度、高硬
度、高塑性的钨基合金。它有较宽的烧结温度范围，适合工业规模生产。
[0007] 本发明的另一个目的是提出一条适合本发明的钨基合金的制造工艺。
[0008] 本发明又一个目的是提出的制造工艺能缩短生产周期，提高生产率。
[0009] 本发明的再一个目的是提出一种适合本发明的钨基合金的冷加工方法，可以减少
加工缺陷，提高成品率，提高制品表面质量和材料利用率。
[0010] 本发明提出的钨基合金包括钨、镍、铁、钻、锰元素。各元素的重量百分比为钨85～
03％、镍10 .5～3 .5％、铁1 .4～4 .5％、钻0 .2～1 .0％、锰0 .03～0 .1％。镍和铁的重量比为5∶
5～8∶2。根据比重和延伸率的要求确定钨含量，钨量偏低比重下降，延伸率增加；提高钨含
量可提高比重，但合金脆性增加，一般不宜超过35％。添加钴和锰可在较宽的烧结温度范围
内得到稳定的机械性能。钴和锰低于给定的下限，机械性能偏低，接近上限和达到上限后，
合金性能都稳定在最好状态。成份为90～93％钨、3 .5～7 .0％镍、1 .5～3 .0％铁、0 .4～
0 .6％钴、0 .03～0 .05％锰、镍和铁的重量比为7∶3的合金具有较好的综合性能。
[0011] 本发明的钨基合金采用粉末冶金工艺。包括混粉、压制、烧结、真空退火、冷加工、
机加工等工序。将钨85～93％、镍10 .5～3 .5％、铁1 .1～4 .5％、钴0 .2～1 .0％、锰0 .03～
0 .1％(重量％)，镍和铁的重量比为5∶5～8∶2的各种粉末均匀混合；随后压成压块；在还原
性气氛中先以低于液相温度但高于1100℃下预结，再加热到液相温度以上0 .1～40℃进行
烧结，以形成基体相，烧结后的制品在700～1400℃真空下退火去除残留的气体，通过室温
静液挤压的冷加工方式进一步提高合金的强度。
[0012] 本发明合金的制造工艺中，采用的原材料为钨粉、镍粉、铁粉、钻粉和锰粉。最好用
高纯粉末。粉末粒度应使各种粉末能采用一般方法均匀混合，在最后产品中不会有富钨区。
[0013] 混合好的粉末装入弹性模套内，压制成型，压坯密度应大于9克/厘米3。去掉弹性模套后，把压块放在炉舟中装入烧结炉内，先在还原性气氛中加热，温度至少在1100℃以
上，但低于液相温度。最好在氢气气氛中采用连续烧结，炉舟速度为5～10毫米/分，预结温
度为1200℃时一般约4～6小时。坯料尺寸越大、温度偏低，则加热时间应越长。予烧结后坯
料长度的收缩量ΔL/L约为5～10％。随后提高炉温到液相温度以上0 .1～40℃，采用连续推
舟的方法烧结。加热温度和时间的选择应保证坯料不会塌陷。烧结后坯料的长度收缩量Δ
L/L约为15～20％，钨颗粒充分球化。
[0014] 烧结后的坯料进行真空退火可明显提高塑性，这是由于真空退火可以消除使合金
致脆的残留气体，尤其是氢气。在700～1400℃温度范围内退火可不同程度地提高坯料的强
度和塑性，退火时间随温度和坯料尺寸而异。退火后坯料的延伸率可达25％以上。
[0015] 退火后的坯料进一步冷加工可提高其硬度和强度。按照不同的需要确定其冷加工
率。室温静液挤压是制造穿甲弹弹芯用钨合金棒较好的冷加工方式。采用室温静液挤压可
显著减少加工过程中坯料产生微裂纹，甚至断裂，而且整根棒材变形均匀。冷加工后的棒材
稍经机加工即可成为制品。
[0016] 本发明的W-Ni-Fe-Co-Mn合金兼具有高比重、高强度、高塑性，特别适合用于制作
穿甲弹弹芯。尤其是该合金在较宽的烧结温度范围下仍保持性能的一致性，便于烧结过程
中的温度控制，容易实现工业规模生产。
[0017] 本发明提出一条适合该合金的制造工艺，可以缩短生产周期、提高生产效率。
[0018] 本发明提出的钨基合金的制造工艺中，采用室温静液挤压的冷加工方式，可提高
合金的强化效果和成品率，提高合金性能的均匀性和表面光洁度。
[0019] 图1为本发明的合金与三元合金经1490～1530℃温度烧结后的抗拉强度。图中纵
座标为抗拉强度值(MPa)，横座标是烧结温度(℃)。
[0020] ( 1 )代表三元合金( 90W-7Ni-3Fe )，( 2 )代表本发明的合金( 90W-6 .7Ni-2 .9Fe-
0 .4Co-0 .05Mn)。
[0021] 图2为本发明的合金与三元合金经1490～1530℃温度烧结后的相对延伸率。图中
纵座标为相对延伸率(％)，横座标是烧结温度(℃)。(1)代表三元合金，(2)代表本发明的合
金，其成份与图1中的相同。
[0022] 图3为不同锻造变形量对本发明合金的机械性能的影响。图中横座标为锻造变形
量，左边纵座标为抗拉强度(MPa)，右边纵座标为相对延伸率(％)。曲线3代表抗拉强度，曲
线4代表相对延伸率。
[0023] 图4为本发明合金的室温静液挤压加工硬化曲线。曲线43为抗拉强度，曲线44为相
对延伸率。图中横座标为挤压变形量，左纵座标为抗拉强度(MPa)，右纵座标为相对延伸率
(％)。
[0024] 用下述实施例进一步描述本发明的特点。
[0025] 一.所用原料的纯度均为99％以上。各种粉末的粒度分别为：还原钨粉-320目、还
原镍粉-320目、还原钴粉-300目、羰基铁粉-200目、电解锰粉-300目。将45公斤钨粉、3 .35公
斤镍粉、1 .45公斤铁粉、0 .20公斤钻粉及0 .025公斤锰粉在混料筒内干混12小时，混合均匀
的料装入乳胶囊中，经受等静压制，最高压力为196MPa，得到Ф50×400毫米的坯料。
[0026] 坯料装在炉舟中在钨丝氢气炉中予烧结，炉内均温区为1150±10℃，炉舟以10毫
米/分的速度连续推进，每隔60分钟往炉内加一次坯料，每一坯料在炉内时间为6小时。随后在1510±5℃，以同样速度在炉内连续烧结6小时。由于采用连续加料、连续烧结的方法可明
显提高生产率，适合批量生产。本实施例的合金与不含钴、锰的三元合金(90W-7Ni-3Fe)相
比，具有较宽的烧结温度范围，经1490～1530℃不同温度下烧结后具有较一致的强度和延
伸率值(见图1、2)。
[0027] 烧结后合金棒的真空退火制度为1200℃、保温1小时，真空度为10
-4 数量级。经
处理后，合金中氢的含量明显下降，机械性能明显提高(表1)。
[0028] 表1 .真空退火对合金性能的影响[0030] 合金棒采用两种形变加工方式。一种是热旋锻加工，加热温度为 ～750℃。加
工后棒材的抗拉强度随加工量的增大而增加，塑性相应下降(见图3)。这种加工方式表面
差、机加工量大、容易产生裂纹，成品率约为60～70％。另一种是室温静液挤压加工。静液挤
压是在350吨静液挤压机上进行的，使用蓖麻油作为液体介质，棒坯表面涂有二硫化钼润滑
剂，在压力为6000～13000巴及挤压模模角为15～60°范围内合金可经受10～50％的挤压加
工率。挤压速度在10～30毫米/秒范围内。从不同变形量对合金机械性能的影响曲线(见图
4)可看出室温静液挤压比旋锻有更好的强化效果。旋锻加工的变形量超过20％时，强度已
无明显增加而室温静液挤压加工在40％变形量范围内硬化曲线呈直线上升。
[0031] 测量了挤压棒材的横断面上各部位的硬度值，结果表明棒材边部的洛氏硬度为
42.2，中心为41 .5，相差仅为1 .7％，而旋锻加工的相差高达12.2％。
[0032] 静液挤压加工的棒材表面光滑。变形量为25～30％时，棒材成品率可达30％以上，
抗拉强度为1335 .74MPa，延伸率为8.0％。
[0033] 二.用例一相同的原料，按钨93％、镍4 .6％、铁2 .0％、钴0 .4％、锰0 .05％比例配制
50公斤粉末，采用例一相同工艺加工成的合金棒具有例一相同的特性。经1530±5℃烧结，
承受31 .5％室温静液挤压变形的合金棒材的抗拉强度为1391 .6MPa，延伸率为6～8％。
[0034] 三.用例一相同的原料，配制一组五元合金，除了采用不同的烧结温度外，按例一
的工艺流程制成棒材，各种成份的棒材性能见