高密度钨合金在工业化批量生产中常见问题研究

王帅

摘 要：高密度钨合金在航空航天、武器装备和民用工业中被广泛应用，其在工业化批量生产过程中，会出现各种各样质量问题，本文对高密度钨合金的常见问题进行汇总并详细分析了产生原因和机理，为今后其他人员分析类似问题提供参考。

关键词：高密度钨合金;工业化;批量生产;质量问题;

Abstract：High-density tungsten alloys in aerospace， military equipment and is widely used in civilian industry， its in the process of industrialized mass production， will appear all sorts of quality problems， in this paper， the common problems of high-density tungsten alloy summary and detailed analysis of the causes and mechanism， as to provide reference for other researchers analyzed.

Key words：High density tungsten alloy; Industrialization; Mass production; Quality issues;

高密度钨合金是一种以钨为基体，加入镍、铁、铜、钴、锰等合金元素组成的合金，形成钨颗粒和粘结相复合结构。高密度钨合金的烧结过程采用的是液相烧结，正是由于采用粉末冶金这一特有的工艺，使其具有熔点高、密度大、热膨胀系数低、射线吸收能力好等一系列优异的性能，因此，被广泛应用于航空航天、常规武器弹药和民用工业等尖端领域[1]。

工业化大批量生产高密度钨合金工艺流程通常为：制备或采购原材料粉末并按照预先设计的配比进行称料，称好的各种粉料装入混料机内按照设定好的混合方式和时间进行混合，为便于后续成型工序精准成型和脱模，通常在混料时加入一定比例的成型剂。在成型工序后再设置一脱脂工序，将混料时加入成型剂脱去，通常采用溶剂脱脂或热脱脂工艺。将脱脂完成的毛坯产品放入氢气烧结炉或真空烧结炉内进行液相烧结，使其接近完全致密。将烧结完成的产品进行精整处理或直接按照成品图机加工处理，最终获得成品。

高密度钨合金生产过程由于具有材料利用率高、加工流程短、生产效率高等优势，近十年来企业数量迅速攀升，许多之前只生产硬质合金的企业纷纷加入高密度钨合金的制造行列之中。在伴随着高密度钨合金行业产量猛增的同时，生产加工过程中的问题也逐渐暴露出来，本文以结果为导向，对高密度钨合金在工业化大批量生产过程中的常见问题进行分析和研究，为同行业制造者在分析相同或类似问题时提供参考，以便问题及时解决。

1.高密度钨合金成品密度超差

密度值是高密度钨合金的主要物理性能指标，其特性主要是在烧结过程中形成。在工业化批量生产过程中，密度超差出现偏高或偏低现象均较为常见。密度超差可能原因有以下几点：一是配料人员直接将配方计算错误;二是称料人员秤错原料粉，将某种元素金属粉多称或少称。三是混料人员在往混料机内倒灌原料粉时不小心将某种元素金属粉撒漏，造成该元素金属粉缺失。四是当高密度钨合金采用真空烧结工艺时，由于炉体内真空度过高，造成粘结相金属在液相时蒸发过量，导致成品密度偏高。五是高密度钨合金环体在烧结过程中，为避免环体与装载物钼舟发生粘连，会在钼舟底层撒上一层白刚玉砂作为隔绝物，当环体中间部位白钢玉砂数量过多时，环体在高温液相时会产生收缩，此时由于砂子堆积阻力过大，造成环体不收缩，最终高密度钨合金环密度偏低。六是当烧结炉温度过低时，粘结相镍、铁、钴等金属在高温时液相不充分，导致高密度钨合金处于欠烧状态，未能完全收缩，致使最终产品密度偏低。

在工业化量产过程中，如想避免以上问题，可以从以下几方面采取控制措施：一是在配方计算时有其他人员符合校核确认;二操作人员在称料和灌装粉料时全程有检验人员监督，以防出现差错。三是当采用真空烧结时，应合理设置炉内真空度和烧结温度，在保证炉内产品不发生氧化时尽可能降低真空度。四是摆舟过程中严格控制白刚玉砂数量，并应尽量采用较平整的钼舟，防止产品在液相时发生塌陷变形。

2.高密度钨合金成品外观缺陷

高密度钨合金在烧结完成后，通常需要进行一定的机械加工才能达到客户要求尺寸精度。通常高密度钨合金环体需要对两个断面和内外圆进行车削或磨削，在工业化生产时，批量加工后的环体往往有的存在缺肉、局部加工不到等问题，主要原因有几个方面。一是环体在设计过程中预留的加工余量较小，产品在烧结过程中会由于炉温均匀性差异造成环体厚度不一，高度或壁厚尺寸较小的地方加工余量不够，后续机加工不到的地方则存在黑皮等缺陷。二是压制过程中原料粉在环体圆周方向落料不均，造成不同部位粉体致密性不一，在烧结完成时环体高度差会较大，尺寸小的部位则同样存在缺陷。三是毛坯件在完成压制后其强度较低，在周转过程中，若操作人员不轻拿轻放，产品则很容易出现掉碴或缺肉现象，在烧结前如不能被挑选出，环体在机加工后则很可能存在缺陷。

在产品设计和制造过程中可以采取以下几个方面避免以上问题：一是在产品科研试制阶段，应设置若干个余量方案，挑选出成品质量合格的方案，并进行小批量试制，并计算产品得材率和合格率等指标，最后综合分析确定产品余量。二是在毛坯件压制成型过程中，确认压机料仓落料周向一致性，当批产过程出现波动时及时调整。三是在产品周转过程中，经常对操作人员进行培训，增强其质量意思，严格控制其在产品周转时按标准作业指导书操作。

在大批量生产高密度钨合金球体过程中，成品中同样有产品出现“月牙形”缺肉等缺陷，这种现象在钨合金牌号相对较低的球体中尤为明显。产生缺肉现象的主要原因是球体在烧结过程中变形严重所致。我们可以采取两步烧结法或增加压制毛坯余量来减少缺陷数量。

3.高密度钨合金成品力学性能偏低

在高密度钨合金成品性能检测过程中，经常发现个别钨合金产品抗拉强度或压溃性能偏低等情况。高密度钨合金力学性能特性主要在烧结工序形成，烧结过程中的温度和保温时间对合金性能起决定性作用。高密度钨合金是由软的粘结相和硬质钨颗粒组成，烧结态的高密度钨合金中钨晶粒呈球形状并均匀分布在粘结相中[2]。成品力学性能偏低可能有以下几个方面影响。一是烧结温度偏高或偏低，保温时间过长或过短，都会造成产品欠烧或过烧，使产品微观组织结构形成较差，出现钨颗粒长大或液相不充分等情况。二是在烧结过程中，产品中含有杂质元素含量超标，在烧结过程中杂质会影响粘结相对钨颗粒的润湿性或在冷却过程中，杂质析出于晶界处，在后续力学性能测试时，在缺陷处则容易形成裂纹导致产品力学性能偏低。给高密度钨合金中帶入杂质的可能性有以下几点：一是原材料粉体本身杂质元素含量超标;二是操作人员在混料或压制成型过程中由于环境卫生或遗漏异物致使产品中引入杂质;三是产品在成型过程中会加入成型剂，成型剂主要是石蜡、硬脂酸、甘油等有机物，这些成型剂在后续脱脂工序如不能被彻底脱出则会残留在产品中，在烧结过程中有机物会分解出碳，碳与钨极易形成碳化钨，碳化钨则是硬脆相，严重影响产品力学性能。

4.结论

高密度钨合金产品在工业化量产过程中，由于具有批量大、时间紧等特征，会出现许多在小批量实验中遇不到的问题，管理者只有从人员、机器、原料、工艺、环境、检测六方面去严格监督和控制，才会尽可能保证各批次产品具有较高的质量一致性。

参考文献：

[1]武媛洁，徐英鸽，郑敏杰.高比重钨合金的研究现状与发展趋势[J].热加工工艺.2015，44（20）：11

[2]王广达，杨海兵，刘桂荣.高比重合金变形加工研究进展[J].粉末冶金技术.2014，32（3）：223