稀有金属 2011,35(03),378-382
熔渗法制备W-Yb合金及其性能的研究
刘志国 崔舜
北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所
摘 要：
稀土元素镱活性极高, 极易氧化, 且蒸汽压很高, 在钨铜、钨银合金的研究基础上对钨镱假合金进行了研究, 通过前期对钨粉粒度、实验工艺等的优化后, 采用冷等静压 (200 MPa压力) 压制烧结制备钨骨架, 1000℃氢气还原预烧结、1800℃真空烧结, 氩气气氛保护熔渗稀土镱制备钨镱合金, 综合其密度, 硬度等基本实验数据, 分析了钨镱合金的组织。结果表明:制备出了高致密度的钨镱合金, 钨镱合金密度为15.30.gcm-3, 相对密度达到99.5%以上, 硬度值低于HRB82, 所制备的钨骨架其通道分布均匀, 经熔渗法制备的钨镱合金中镱元素的分布呈现大面分布均匀, 高倍状态下出现局部富集的情况, 其富集情况与钨骨架通道分布情况相符合。所制备的钨镱合金能够满足特殊要求应用于配套材料。
关键词：
钨镱 ;密度 ;硬度 ;熔渗浊 ;
中图分类号： TB331
作者简介： 刘志国 (E-mail:zhiguoliu9@hotmail.com) ;
收稿日期： 2010-03-30
Performance and Preparation of W-Yb Alloy with Melt Penetration Method
Abstract：
Rare earth elements Yb was highly active, easy oxidation, and had high vapor pressure.Based on study on W-Cu and W-Ag, W-Yb alloys were studied.Tungsten powder size and the test process optimization, the tungsten framework was prepared by cold isostatic pressing (200 MPa pressure) , sintered at 1000 ℃ in hydrogen reduction atmosphere, then sintered at 1800 ℃ in vacuum, finally the W-Yb alloy was prepared with melt penetration method under argon protection, its structure was analyzed on the basis of the basic experimental data like density, hardness, etc.The results showed that highly compacted W-Yb alloys was prepared with density of 15.30 g · cm-3.Its relative density reached 99.5%, and hardness was lower than HRB82.The channels in the tungsten skeleton distributed uniformly.Yb distributed evenly in general but enriched in some area locally;its enrichment was in agreement with the channel distribution in the tungsten skeleton.The W-Yb alloy could meet the special requirements applied in supporting materials.
Keyword：
W-Yb;density;hardness;melt penetration method;
Received： 2010-03-30
钨及钨合金具有高密度、 高强度、 低的热膨胀系数、 优良的抗腐蚀和良好的加工性能等, 已在航空航天、 电子、 化工等许多领域中得到了广泛的应用。 如切削刀具、 焊接电极、 喷涂原料、 电灯灯丝、 电子管阴极、 高温电阻炉加热元件、 穿甲弹和药型罩等。 但钨的比重大、 塑一脆转变温度高、 加工困难和抗氧化性差, 这些缺陷又限制了它的应用, 因此提高钨及钨合金的塑性、 降低其塑脆转变温度、 进一步改善其高温热强性能, 一直是钨及钨合金材料领域研究的热点。 围绕这些内容所进行的研究和开发主要有: 纯化、 强化、 强韧化合复合化, 并通过技术改造及引进和吸收国外的先进技术, 根据不同应用领域对材料的性能要求, 对钨及钨合金材料的加工工艺做进一步的开发以及优化和改进
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ]
。 稀土元素镱在钨合金中的应用一般是以少量稀土氧化物的形式存在于钨中形成钨电极或者作为合金掺杂元素微量的添加在钨铜等合金中以提高合金的性能。 本文对稀土钨合金进行了实验研究, 制备出能够满足特殊要求的应用于特殊材料的稀土钨合金。
1 实 验
钨镱合金中镱和钨互不固溶形成和钨铜一样典型的假合金, 所以钨镱合金和钨铜、 钨银
[6 ,7 ,8 ,9 ]
合金合金在制备方法上具有相通之处。 本文就是借鉴于钨铜、 钨银合金的制备方法和实验工艺, 同时结合稀土元素镱的高活性、 高蒸汽压的特殊性能经过实验探索采用熔渗法制备出钨镱合金。 通过选择合适粒度的原料钨粉, 通过熔渗的方法制备出W-Yb合金, 并对所制备的W-Yb合金进行了性能研究。
1.1实验方法
在前期实验的基础上合理的选择粒度合适的钨粉, 粒度为6.5 μm钨粉, 进行冷等静压成型 (所有的实验过程中压力和保压时间一致) , 制备出钨骨架
[10 ,11 ,12 ,13 ]
, 对所制备的钨骨架进行1000 ℃氢气还原、 1800 ℃真空烧结, 最后在氩气气氛保护下进行稀土镱的熔渗, 最后对所制备的W-Yb合金进行Yb含量、 密度、 硬度、 组织进行观察研究。
1.2制备方法
由于WYb合金和WCu合金一样均为复合材料是典型的假合金, W和Yb之间的熔点、 比重差距很大, 普通方法很难制备, 只有用特殊的粉末冶金方法, 例如本实验所采取的熔渗法, 才能制备出具有一定密度、 无偏析的假合金, 合金的密度与组织的均匀性决定了其性能的优劣
[14 ]
。 熔渗Yb的骨架材料由W粉压制成的生坯在适当的条件下进行适当的温度、 时间、 烧结而成, 是具有一定强度、 有固体颗粒或晶粒的网络组成的连通孔隙或孔道系统
[15 ]
, 图1所示为烧结后的钨骨架形态。
2 结果与讨论
2.1合金的物理性能
用阿基米德法测量样品的实际密度, 并结合合金的理论密度计算样品的相对密度。 测量样品熔渗前后的实际重量, 取得样品的增重即为所制备的钨镱合金中镱元素的含量。
表1所示显示了不同尺寸的WYb合金的密度相对密度以及用增重法测得的钨镱合金中镱元素的含量, 镱元素的含量在12.3%～12.9%之间。 从表中可以看出所制备的不同尺寸 (1# ～6# 分别为直径5, 10, 15, 20, 25, 30 mm) 的WYb合金其实际密度处在15.26～15.32 g·cm-3 之间, 达到了理论密度的99%以上, 且尺寸愈大密度愈小。
2.2W-Yb合金的硬度性能
用HRB-150DT型洛压硬度计对制备的钨镱合金进行米字型硬度测试, 其测量结果如图2所示, 结果表明钨镱合金的硬度值约为HRB79.4, 同一样品的硬度值分布较为均匀, 硬度值差值不大, 且其硬度不高均在HRB85以下。
表1W-Yb合金的密度、 相对密度和镱含量
Table1 Density and Yb element content of W-Yb alloy
No.
Theory density/-3 )
Actual density/-3 )
Relative density/-3 )
Yb
# 15.37
15.32
99.67
12.6
# 15.37
15.30
99.55
12.9
# 15.37
15.31
99.61
12.6
# 15.37
15.26
99.28
12.7
# 15.37
15.29
99.48
12.5
# 15.37
15.27
99.34
12.3
2.3合金的组织形貌
2.3.1 合金的EDS分析
图3为放大500和10000倍数下的钨镱合金的EDS分析。 图中有亮、 暗和黑3个不同区域, 其中黑色区域和亮色区域为镱元素区域, 黑色是因为镱为稀土元素, 其很高的活性导致在磨制试样时镱元素氧化造成的, 灰色区域为钨骨架区域, 图中可以看出钨骨架通道分布较为均匀。
图4 (a) , (b) , (c) 分别为钨镱合金中镱元素在250, 1000, 10000倍状态下的分布图, 从图4 (a) 中可以看出低倍 (×250) 状态下镱元素分布较为均匀, 没有明显的富集区, 在图4 (b) , (c) 中可以看出在高倍 (×1000, ×10000) 状态下钨镱元素出现富集区, 而这种情况其富集区域状态与钨骨架里面的通道相吻合, 反映出了钨镱假合金内部的组织状态。
2.3.2 合金的SEM分析
在图5中从低倍到高倍状态下的6张SEM照片 (图中灰色部分为钨骨架部分, 黑色部分为镱元素, 发亮的部分为钨镱合金经过腐蚀液腐蚀后显示的出晶界) 中, 低倍照片可以看出钨骨架的通道全部被镱所填充, 钨镱合金中没有孔隙, 合金的致密度比较好, 高倍图中出现镱元素富集区域, 而在镱元素的富集区域中没有空隙, 钨骨架通道内全部被镱元素所填充, 这表明钨镱合金的致密度很好。
3 结 论
1. 粒度6.5 μm的钨粉在固定的压力和保压时间下经过1000 ℃还原、 1800 ℃烧结、 1000 ℃熔渗后制备出的钨镱合金, 其密度达到15.30 g·cm-3 以上, 相对密度最高可达到理论密度的99.5%以上。
2. 通过熔渗法所制备的钨镱合金, 其硬度值约为HRB79.4。
3. 所制备的钨骨架其通道分布均匀, 经熔渗法制备的钨镱合金中镱元素的分布呈现大面分布均匀, 高倍状态下出现局部富集的情况, 其富集情况与钨骨架通道分布情况相符合。
4. 钨骨架通道内全部被镱元素所填充, 钨镱合金致密度较好。
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