鎢合金
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鎢合金的定義分為兩種：廣義的鎢合金和狹義的鎢合金。廣義的鎢合金：含有鎢元素的金屬材料統稱為鎢合金，如鎢鐵合金、鎢銅合金、鎢鎳合金等；狹義的鎢合金：以鎢為基體材料（其中含鎢量為85%~99%）加入少量鎳（Ni）、銅（Cu）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鉬（Mo）、鉻（Cr）等金屬黏結劑組成的一種合金材料，也被稱之為高比重鎢合金或高密度鎢合金或重合金[1]。 鎢合金的密度可達16.5~19.0g/cm^3。較常用的主要有：W-Ni-Cu和W-Ni- Fe兩大系列。這種材料在密度、強度、硬度、延展性、導電/熱性等物理性能中都有顯著的特點，因而在國防工業、航空航天工業，醫療行業、電氣行業等行業中得到廣泛的應用。
鎢合金的發展簡史 編輯
從鎢合金材料的製備技術方面，其研究發展大致可以分為四個階段和四次研究高潮。詳情見下表：
| 時期 | 發起原因 | 主要研究方向 | 主要應用方向 | |
|---|---|---|---|---|
| 第一次研究高潮 [2] | 自第二次世界大戰至20世紀80年代中後期 | 由於鎢合金在航空航天、國防軍工中的應用 | 通過添加和改變合金元素來研究鎢合金材料對合金性能的影響 | 航空航天、國防軍工 |
| 第二次研究高潮 | 20世紀80年代末至90年代 | 由於鎢合金用做穿甲彈彈芯材料具有很多優點 | 採用鍛造、擠壓等形變強化技術和時效、循環熱處理等方法提高合金性能[3] | 武器材料、穿甲彈彈芯材料 |
| 第三次研究高潮 [4] | 20世紀90年代中期 | 粉末注射成型技術的出現，使得製備三維形狀非常複雜的鎢合金精細零部件成為可能 | 異形鎢合金零部件的注射成形技術 | 民用工業和軍工行業 |
| 第四次研究高潮 | 20世紀90年代末期至21世紀初 | 納米材料的出現使人們從原子、分子水平認識和製備材料 | 納米鎢基複合粉末的製備技術和用納米粉體材料製備高性能的細晶鎢合金塊體材料的製備技術 | 軍工行業 |
鎢合金的分類 編輯
鎢合金根據其成分的不同可分為 W-Ni-Cu、W-Ni- Fe兩大系列以及W-Ni-Cr、W-Ni-Mo、 W-Ni-Co等合金。
- W-Ni-Cu合金
W-Ni-Cu合金主要由W、Ni、Cu粉末經混合壓制燒結而成。其中，W含量一般是80%~90%，加入Ni和Cu黏結劑，在液相燒結後形成兩相合金，密度接近理論密度。該合金中，除W、Ni外剩餘含量就是銅的含量。銅在合金中可提高鎢合金的強度和塑性。在性能方面，該合金沒有磁性可做特殊的應用，其他物理性質與鎢合金總體性能相同。
- W-Ni- Fe合金
W-Ni- Fe合金是由W、Ni、Fe粉末經混合壓制燒結而成。其中鎢的含量最多，達到80%~90%而鎳、鐵起到黏結劑的作用。在液相燒結後形成兩相合金，密度與理論密度相近。鎳是液相燒結工藝中必不可少的元素，一般含量為0.5%~12%，如果大於12%，則合金的耐熱性和耐腐蝕性均將降低。鐵的含量一般在0.5%~8%之間，如果大於8%該合金的脆性會升高。鐵在該合金中可提高強度和塑性，這類合金有一定的磁性，可用做穿甲彈彈芯材料、子母彈等高動量殺傷碎片、配重以及其他工業領域。與W-Ni-Cu合金相比該合金的強度和塑性均更優良。
- W-Ni-Cr合金
W-Ni-Cr合金中的Cr元素在該合金中作為固溶強化添加元素，具有提高抗腐蝕性和抗高溫氧化性，還可以提高合金的高溫強度和硬度。一般含量為0.2%~5%。這種合金的硬度非常高（HV=600，而W-Ni- Fe合金的硬度為HV=310）。該合金的力學性能取決於Cr/Ni的比，當比值低時塑性較好，硬度較高；比值低時硬度高，抗拉強度低，幾乎沒有塑性。
- W-Ni-Mo合金
該合金中Mo元素與W-Ni-Cr合金中Cr元素的作用基本相同，都是作為固溶強化添加劑元素，含量在0~25%。在液相燒結時可溶於黏結相中，起到固溶強化、細化晶粒的作用，有效地改善了合金的力學性能，提高高溫強度和抗熱衝擊助力。研究表明，隨着Mo含量的增加，合金的屈服強度、極限抗拉強度和硬度都會有所提高，而延性和燒結密度則會下降。
- W-Ni-Co合金
Co元素在該合金中作為協同強化添加元素，可改善合金的高溫性能，特別是強化黏結相，避免生成合金間化合物，明顯提高合金的高溫強度和硬度，一般含量為0.5%~5%。研究表明當溫度高於500攝氏度時，該合金的強度和塑性明顯高於W-Ni- Fe合金合金。[5]
鎢合金的性能 編輯
鎢合金的物理力學性能，主要有以下九個方面。
- 密度高：高密度鎢合金的密度一般為16.5~19.0g/cm^3，即相當於鋼密度的兩倍以上。
- 抗拉強度高：燒結態W-Ni- Fe高密度合金的抗拉強度為800~1000MPa，熱處理和形變加工處理後其強度可提高到1300~1500 MPa。
- 延性好：W-Ni-Fe高密度合金具有很好的延性，其燒結態的伸長率可以達到10%~15%，經真空或氣氛脫氫處理後，伸長率可提高到20%~30%。
- 良好的吸收射線的能力：高密度合金的吸收射線的能力比鉛高30%~40%，其穩定性也比鉛好。
- 良好的電性能：W-Ni-Cu、W-Ni-Fe高密度合金具有較好的導電性、耐電蝕性、耐高壓等電性能。
- 良好的導熱性及較低的線脹係數：其導熱係數為模具鋼的5倍，其線脹係數只有鐵或鋼的1/2~1/3.
- 良好的耐腐蝕性和抗氧化性。
- 良好的可焊接性：高密度合金可以用銅、銀焊接料進行釺焊，可進行電鍍。
- 良好的機加工特性：由於W-Ni- Fe高密度合金具有很好的延性，可以進行車、銑、刨、車螺紋和攻絲等機加工，還可以進行軋制、旋鍛和鍛造加工等大形變強化處理。
鎢合金的用途 編輯
- 在航空航天等尖端科學技術中主要用於以下幾個方面
1、陀螺儀的轉子材料。陀螺儀是飛機、人造衛星、各種導彈和宇宙飛船核潛艇的導航和控制系統的大腦：陀螺儀的穩定性隨着迴轉體重量的增加而提高，採用高密度合金作為陀螺儀轉子，可使其穩定性和控制精度大大提高。
2、飛機的慣性旋轉元件。
3、各種儀表及發動機上的平衡配重元件。如「斯貝」發動機上用的配重元件以及在高速運轉下控制分分油門可調節油量的配重元件等。
此外，還大量地用於副翼、轉向舵兩側的靜態及動態平衡配重和直升機旋轉葉片的平衡配重等。
- 在軍事領域中，主要用於以下幾個方面
1、具有很高密度、強度、塑性和硬度的W-Ni-Fe高密度合金在軍事工業中是一種很關鍵的材料，被用做槍彈中集束箭彈的小箭，聚能彈中的「火藥性罩」，散彈，子母彈，屏幕彈，穿甲彈，具有很大的殺傷威力。
2、在導彈中，用做導彈儀的陀螺轉子，配重螺釘、調整片以及重達數十公斤的高密度合金導彈彈體。
3、在坦克發動機中用做調速器中的配重塊。
4、在核潛艇中用做配重塊和核反應堆的屏蔽材料。
- 在電氣工業中的應用
鎢合金具有良好的高溫強度、硬度、導電性和抗腐蝕性，所以在電熱加工中具有廣泛的運用前景。採用鎢合金製造的電氣設備種類繁多，如：電熱鐓粗的砧子材料 [6]，電鉚中的鉚釘材料，電火花加工用電極材料，電焊材料，高壓開關的電接觸材料等。
- 在機械製造和壓力鑄造等工業中的應用
在機械、儀表製造業中被用做平衡的元件，如在石油鑽機的鑽杆上安裝鎢合金的配重塊可以大大提高鑽井的垂直度，提高石油鑽深效率。鎢合金的高溫性能，使其在壓鑄件工業中可以作為很好的模具材料。
- 在醫療器械工業的應用
因為鎢合金對X射線的衰減能力很強，是用做各种放射性源的屏蔽元件或容器的一種理想材料。在醫療中用做防輻射屏蔽材料和γ射線刀。
- 在體育用品工業中的應用
在體育用品中，鎢合金製造賽車的曲軸可使賽車的性能大大提高。高爾夫球與網球拍的邊緣鑲上鎢合金配重，可使球拍具有更強的攻擊能力；在重箭比賽中，當箭頭採用鎢合金製造時，可大大提高重箭的命中率。
- 在其他工業中的應用
由於鎢合金的密度和黃金的密度相近（金的密度：19.3 g/cm3，鎢合金的密度： 19.0g/cm^3），所以在紀念品以及首飾行業中被用於製作戒指、項鍊以及紀念幣等。在電子通訊行業中用做BP機、手機振子材料。此外，還廣泛用於捕魚業中的漁墜製造。
鎢合金圖冊 編輯
參考來源 編輯
- ^ Riley D J. Nano-sizedparticles and structures. Chemistry and Industry (London),2001,18:570~571
- ^ 范愛國，師一華. 國外彈用高性能鎢基重合金研究進展. 兵器材料科學與工程， 1999，22（1）：45~48
- ^ 范景蓮，黃伯雲，汪登龍。PCA對機械合金化納米粉末的SEM結構與成分分佈均勻性的影響。中國有色金屬學報，2003，13（1）：116~121
- ^ 范景蓮，黃伯雲，汪登龍. 過程控制劑對機械合金化過程與粉末特徵的影響。粉末冶金工業，200，12（2）：7~12
- ^ 鎢材及其加工/王發展等編著.-北京：冶金工業出版社，2008.10,490~502
- ^ 鍾俊輝. 納米粉末的製取方法. 粉末冶金技術，1995，13 （1）：48~56