[科普中國(guó)]-高密度合金

概述

高密度合金，其含鎢量通常在90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上，其密度通常在17 以上。由于純鎢粉的燒結(jié)性能不好，即使在接近其熔點(diǎn)的溫度進(jìn)行燒結(jié)也難達(dá)到理論密度。此外由于鎢的性質(zhì)脆，所以需要向鎢中添加少量的其他金屬，最早出現(xiàn)的高密度合金是W-Ni二元合金，但仍比較脆。20世紀(jì)30年代發(fā)展了W-Ni-Cu系高密度合金，后來(lái)發(fā)現(xiàn)W-Ni-Fe系合金的強(qiáng)度和塑性優(yōu)于W-Ni-Cu系合金。因此，50年代后，除特殊用途外，主要研究、生產(chǎn)和應(yīng)用的是W-Ni-Fe系合金。80年代后，又研究了W-Ni-Cr、W-Ni-Co和W-Ni-Mn等系合金。

由于高密度合金具有密度高、強(qiáng)度和硬度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕和抗氧化性好、機(jī)械加工性和焊接性好等一系列優(yōu)異的物理力學(xué)性能和使用性能，因此在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域、國(guó)防工業(yè)和民用工業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在航天航空工業(yè)中用作陀螺轉(zhuǎn)子和慣性旋轉(zhuǎn)元件；在軍事工業(yè)中用作穿甲彈、動(dòng)能彈和導(dǎo)彈彈頭；在醫(yī)療衛(wèi)生部門(mén)中用作屏蔽材料；在電氣工業(yè)中用作電熱鐓粗砧塊材料、焊嘴材料、電極材料和觸頭材料；在機(jī)械工業(yè)中用作壓鑄模材料等。1

基本性質(zhì)一般生產(chǎn)的高密度鎢合金的基本性質(zhì)如下。

(1)密度高。一般密度在17.0～18.5 之間范圍變化，是鋼密度的2倍以上，是鉛密度的1.5倍。

(2)強(qiáng)度和彈性模量高。通常燒結(jié)狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度為680～930MPa，如果經(jīng)熱處理或加工變形之后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1350MPa以上，接近和達(dá)到優(yōu)質(zhì)鋼的水平。

(3)具有良好的塑性。它可承受一般的加工變形，可軋制成板材，也可鍛壓或擠壓成棒材、圓板等制品。

(4)可加工性能好。全部的高密度合金切削性能類似于工具鋼，稍脆，均可進(jìn)行車、刨、鉆、銑等的機(jī)械加工，而且表面光潔度好。

(5)具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和低的膨脹系數(shù)，還具有良好的抗電侵蝕性能。其導(dǎo)熱系數(shù)為模具鋼的5倍，因此散熱快，膨脹系數(shù)只有鋼的左右，適用于做熱加工模具材料。

(6)耐腐蝕性和抗氧化性能好。合金在食鹽水中長(zhǎng)期浸漬后也不會(huì)有明顯的銹蝕斑痕。在硫酸、硝酸和鹽酸中有良好的耐蝕性能，在溫度500℃的情況下沒(méi)有明顯的氧化現(xiàn)象。

(7)焊接性能良好。此合金可采用銅、銀焊料等進(jìn)行焊接，也可采用擴(kuò)散焊接，其焊接處十分堅(jiān)實(shí)牢固。

(8)對(duì) 射線和 射線有極好的吸收能力。其吸收能力比鉛高30%~40%，是理想的屏蔽材料。

(9)合金表面可進(jìn)行涂鍍。在表面上可涂鍍耐腐蝕和抗氧化的涂層(如鍍鉻)，以延長(zhǎng)其使用壽命，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

(10)具有較高的硬度和剛性，可進(jìn)行熱處理。如采用快速冷卻，獲得細(xì)而分散均勻的組織，可進(jìn)一步改善性能，由于剛性好，形狀尺寸穩(wěn)定，使用時(shí)不變形。2

廢舊高密度合金的回收(1)氧化-還原法

氧化-還原法回收高密度合金工藝是在高溫將合金氧化，將氧化物球磨后用氫氣還原，得到含W、Fe、Ni的混合料，然后直接用于高密度合金的生產(chǎn)。這種再生工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，是一種很有前途的生產(chǎn)再生鎢基高密度合金的方法。

(2)熔浴法

熔浴法主要用來(lái)回收大塊的高密度合金。采用這種方法回收高密度合金鎢的回收率為90%～93%。熔浴法可回收大塊的、難破碎的高密度合金零件，能根據(jù)需要得到不同的物料，可連續(xù)生產(chǎn)并且實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用；但缺點(diǎn)是使用溫度極高、能耗巨大，與氧化還原法相比，工藝復(fù)雜，回收費(fèi)用較高，有環(huán)境污染問(wèn)題。

(3)濕法冶金法

濕法冶金法是廢高密度合金與硝酸鈉在高溫下反應(yīng)，合金形成的 與硝酸鈉的分解產(chǎn)物氧化鈉反應(yīng)生成鎢酸鈉；用氫氧化鈉溶液溶解高溫反應(yīng)產(chǎn)物，濾去 和 沉淀，得到鎢酸鈉溶液；然后，再

向溶液中加入 ，沉淀出某些高密度合金中含有的Mn、Mg等元素；再向溶液中加入水和 ，用溶劑萃取法分離鎢酸銨和 ；最后，蒸發(fā)結(jié)晶得到仲鎢酸銨(APT)。這種回收方法工藝復(fù)雜，容易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。3

應(yīng)用航空航天工業(yè)陀螺儀是飛機(jī)、衛(wèi)星、各種導(dǎo)彈和宇宙飛船的導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的心臟，陀螺儀轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，需要一種既有高的密度，又有足夠高強(qiáng)度的材料，高密度鎢合金是最理想的材料。世界各國(guó)所研制的各種衛(wèi)星、導(dǎo)彈的導(dǎo)航儀器中，轉(zhuǎn)子材料已普遍采用高密度合金，陀螺儀中調(diào)整片、配重螺絲、導(dǎo)向裝置平衡錘都是由高密度合金制成的。

在現(xiàn)代飛機(jī)制造工業(yè)中，為了保證飛機(jī)具有優(yōu)良的性能，很多關(guān)鍵零部件部采用了各種類型的高密度合金。除了陀螺儀轉(zhuǎn)子外，自動(dòng)駕駛儀及方向平衡配重塊、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡錘、高速旋轉(zhuǎn)下控制分油門(mén)調(diào)節(jié)油量的質(zhì)量塊等都是采用高密度鎢合金制成的。在飛機(jī)的減振力面，高密度合金也起著重大的作用。在美國(guó)有些類型的飛機(jī)上，每一架飛機(jī)中用于配重的高密度合金競(jìng)達(dá)數(shù)百公斤。

軍事工業(yè)隨著現(xiàn)代軍事工業(yè)的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高武器的威力，對(duì)制造各種武器的材料提出了越來(lái)越高的要求，高密度鎢合金因此而受到重視，并大量地被采用。

(1)動(dòng)能穿甲彈彈芯材料。

在第二次世界大戰(zhàn)中，曾大量使用WC-Co合金制造各種穿甲彈頭，隨著坦克設(shè)計(jì)的改進(jìn)和新型裝甲的出現(xiàn)，使用WC-Co制造的穿甲彈頭已不能勝任，從而開(kāi)始廣泛地改用高密度合金作為穿甲彈彈芯材料，用高密度合金制造的穿甲彈彈芯可以穿透178 mm厚的裝甲鋼板。

(2)聚能彈中的材料。

隨著坦克型式的更新，原來(lái)的裝甲改為用復(fù)合結(jié)構(gòu)，外形也更進(jìn)一步地特殊化，用一般的穿甲彈已不能勝任，因此而研制出一種聚能彈。聚能彈用的藥型罩材料采用高密度合金制造，它產(chǎn)生的射流集中且動(dòng)能大，其穿透能力大大提高。

(3)導(dǎo)彈中的材料。

高密度合金除了用作導(dǎo)彈導(dǎo)航儀的陀螺轉(zhuǎn)子、配重螺絲、調(diào)整片之外，還用來(lái)制造導(dǎo)彈彈體。有些類型的彈頭，使用幾十公斤的鎢合金半球體。

在機(jī)械制造、儀表及輕工業(yè)(1)機(jī)械制造業(yè)。

在機(jī)械制造業(yè)最有代表性的應(yīng)用是制造壓鑄模。壓鑄模的工作條件非?？量?，它必須承受高溫、高壓和金屬液流的沖刷，又必須抗氧化、抗腐蝕和耐熱沖擊。

實(shí)踐證明，與使用鋼模相比，使用高密度合金作為壓鑄模材料的使用壽命可以提高數(shù)倍至數(shù)十倍，美國(guó)通用電氣公司已用高密度合金壓鑄模壓鑄灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、低碳鋼、合金鋼、不銹鋼和工具鋼等壓鑄件，取得了較好的效果。

使用高密度合金也可以制造擠壓模具。在機(jī)械加工中采用高密度鎢合金制作刀夾、刀桿、鏜桿可以進(jìn)行大的切削量，減少刀具在切削時(shí)的振動(dòng)，從而大大提高零件的加工精度。電火花加工及電化學(xué)機(jī)床的電極可以選用高密度合金制造。在焊接領(lǐng)域使用W-Ni-Cu合金制作的電焊嘴，性能優(yōu)良，可以克服原來(lái)易崩裂的問(wèn)題。伐木鏈鋸用的小型發(fā)動(dòng)機(jī)中使用高密度鎢合金配重，可以增大慣性，減小機(jī)器體積。

(2)儀表制造業(yè)。

在儀表制造業(yè)中，高密度鎢合金可以制造加速計(jì)質(zhì)量塊，空中攝影照相機(jī)及雷達(dá)天線的平衡器等元件。

(3)輕工業(yè)。

自動(dòng)手表的擺錘使用高密度鎢合金制造，可以使手表走時(shí)準(zhǔn)確并且耐用。2