[发明专利]一种硬度梯度变化的钨基重合金棒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬度梯度变化的钨基重合金棒及其制备方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

研制具有自锐性的重合金是穿甲弹芯材料的发展方向。贫铀复合材料因具有优异的自锐性是目前侵彻能力最优异的穿甲弹芯材料。在上世纪九十年代初，基于贫铀材料的毒性所引起的国际舆论与环保压力，美国开始研制替代贫铀穿甲弹芯材料。研究人员在W-Ni-Fe系重合金的基础上，通过合金显微结构的改变，如在一定范围内通过增加钨晶粒尺寸、改善相界面结构设计、弹芯几何外形的设计与强化粘结相的强度和韧性等技术措施提高钨基重合金的绝热剪切敏感性以提高其自锐性，虽取得了一些进展，但与贫铀合金的自锐化效果还存在较大差距。同时，通过设计新的钨合金弹芯材料体系，如美国研制的W-Ni-Mn合金，具有与贫铀合金相近的自锐化性能，是一种较理想的穿甲弹芯材料。但制备的W-Ni-Mn合金的抗拉强度通常在1000MPa以下，需进一步解决其强度偏低问题。北京理工大学、中南大学等也开展过液相烧结制备W-Ni-Mn合金的研究，但因合金烧结致密化程度不够高，力学性能很低，难以工程应用。K.J.Park等人的研究发现，W-Ni-Fe重合金中出现钨颗粒尺寸的显著变化易于实现自锐化。他们设计了一种具有钨晶粒尺寸差异的复合结构钨合金棒，即利用冷等静压技术将97.4W(Mo)-1.1Ni-1.5Fe重合金芯棒镶嵌在90W-7Ni-3Fe生坯外套中并烧结成复合结构。显微结构分析结果显示，芯部与外层组织中难熔金属晶粒尺寸分别为30μm、46μm。该复合结构的钨合金的侵彻能力比传统93W-Ni-Fe重合金提高10％，几乎与贫铀复合材料相当。但该技术工艺复杂，过程控制困难，特别是在液相烧结时因外层坯体出现的巨大收缩存在复合结构开裂的可能性，难以实现工程化应用。

目前，提高传统的W-Ni-Fe系重合金的穿甲威力的主要途径是将烧结态合金进行旋锻，实施变形强化以提高钨基重合金的动态屈服强度，进而达到提高其绝热剪切敏感性即强化钨合金的自锐能力的目的。但大变形量通常造成钨基重合金棒材的整体延伸率(即韧性)急剧降低，增加穿甲弹弹芯材料在发射与着靶时断弹风险。

随着现代装甲防护日益强化，穿甲弹的发展方向是采用高膛压、高初速的发射条件及大长径比弹芯材料。为了满足上述要求，必须发展高动态屈服强度(高硬度)与高韧性的钨基重合金弹芯材料。

发明内容

为了解决钨合金自锐能力与其韧性之间的矛盾，本发明提供一种在合金棒径向硬度梯度变化的梯度结构钨基重合金及其制造方法，将传统W-Ni-Fe重合金棒材沿径向的力学性能(如硬度)设计成梯度结构，即高韧性的芯部区域而高硬度(高动态屈服强度)的外层区域，以满足穿甲弹芯用钨基重合金的自锐能力与高韧性要求。

本发明一种硬度梯度变化的钨基重合金棒，所述钨基重合金棒沿棒材的径向存在硬度连续变化的梯度分布区域。

本发明一种硬度梯度变化的钨基重合金棒，所述钨基重合金棒表面的硬度大于芯部的硬度。

本发明一种硬度梯度变化的钨基重合金棒，所述钨基重合金棒中硬度连续变化的梯度分布区域内硬度最大的区域为所述钨基重合金棒表层区域。

本发明一种硬度梯度变化的钨基重合金棒，所述硬度连续变化的梯度分布区域在棒材径向上的厚度是可以调控的，其主要取决于棒材的直径、包渗时间等因素。一般优选为3-20mm。

本发明一种硬度梯度变化的钨基重合金棒的制备方法，以W-Ni-Fe合金棒为包渗对象，在真空条件下，通过包渗处理，将固溶强化元素包渗至W-Ni-Fe合金棒内，得到硬度梯度变化的钨基重合金棒；所述固溶元素能固溶强化W-Ni-Fe合金棒，且固溶元素不与W-Ni-Fe合金棒中任意一种或多种元素反应生成脆性中间相。

本发明一种硬度梯度变化的钨基重合金棒的制备方法，以W-Ni-Fe合金棒为包渗对象，将W-Ni-Fe合金棒包埋在由固溶元素单质和/或合金粉末与惰性氧化粉末所组成的混合粉末中，在绝对真空度小于等于5Pa的条件下；于1300-1400℃进行包渗处理，将固溶元素包渗至W-Ni-Fe合金棒内，得到硬度梯度变化的钨基重合金棒；所述固溶元素能固溶强化W-Ni-Fe合金棒，且固溶元素不与W-Ni-Fe合金棒中任意一种或多种元素反应生成脆性中间相。

由于钨基重合金通常在含氢气氛中烧结，通常引起氢脆。作为用于穿甲弹芯材料时一般都需对钨基重合金棒进行真空脱氢处理。为了降低制造成本与简化制造工艺，合金棒的包渗处理时，需严格控制其真空度。