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鎢合金是以鎢為基加入其他元素組成的合金。在金屬中,鎢的熔點最高,高溫強度和抗蠕變性能以及導熱、導電和電子發射性能都好,比重大,除大量用於製造硬質合金和作合金添加劑外,鎢及其合金廣泛用於電子、電光源工業,也在航天、鑄造、武器等部門中用於製作火箭噴管、壓鑄模具、穿甲彈芯、觸點、發熱體和隔熱屏等。

1基本信息

概述
鎢合金
以鎢為基加入其他元素組成的合金。在金屬中,鎢的熔點最高,高溫強度和抗蠕變性能以及導熱、導電和電子發射性能都好,比重大,除大量用於製造硬質合金和作合金添加劑外,鎢及其合金廣泛用於電子、電光源工業,也在航天、鑄造、武器等部門中用於製作火箭噴管、壓鑄模具、穿甲彈芯、觸點、發熱體和隔熱屏等。
燈絲業
鎢最早用於製作白熾燈絲。1909年美國庫利吉(W.D.Coolidge)採用鎢粉壓制、重熔、旋鍛、拉絲工藝製成鎢絲,從此鎢絲生產得到迅速發展。1913年蘭米爾(I.Langmuir)和羅傑斯 (W.Rogers)發現鎢釷絲(又稱釷鎢絲)發射電子性能優於純鎢絲后,開始使用鎢釷絲,至今仍然廣泛使用。1922年研製出具有優良的抗下垂性能的鎢絲(稱為摻雜鎢絲或不下垂鎢絲),這是鎢絲研究中的重大進展。不下垂鎢絲是廣泛使用的優異燈絲和陰極材料。50~60年代,對鎢基合金進行了廣泛的探索研究,希望發展能在1930~2760℃工作的鎢合金,以供製作航天工業使用的耐高溫部件。其中以鎢錸系合金的研究較多。對鎢的熔煉和加工成形技術也開展了研究,採用自耗電弧和電子束熔煉獲得鎢錠,並經擠壓和塑性加工製成某些製品;但熔煉鑄錠的晶粒粗大,塑性差,加工困難,成材率低,因而熔煉-塑性加工工藝未能成為主要生產手段。除化學氣相沉積 (CVD法)和等離子噴塗能生產極少的產品外,粉末冶金仍是製造鎢製品的主要手段。
高溫材料
鎢材使用溫度高,單純採用固溶強化方法對提高鎢的高溫強度效果不大。但在固溶強化的基礎上再進行彌散(或沉澱)強化,可大大提高高溫強度,以ThO2和沉澱的HfC彌散質點的強化效果最好。在 1900℃左右W-Hf-C系和W-ThO2系合金都有著高的高溫強度和蠕變強度。在再結晶溫度以下使用的鎢合金,採取溫加工硬化的方法,使其產生應變強化,是有效的強化途徑。如細鎢絲具有很高的抗拉強度,總加工變形率為
鎢合金

  鎢合金

99.999%、直徑為0.015毫米的細鎢絲,室溫下抗拉強度可達438公斤力/毫米
在難熔金屬中,鎢和鎢合金的塑性-脆性轉變溫度最高。燒結和熔煉的多晶鎢材的塑性-脆性轉變溫度約在150~450℃之間,造成加工和使用中的困難,而單晶鎢則低於室溫。鎢材中的間隙雜質、微觀結構和合金元素,以及塑性加工和表面狀態,對鎢材塑性-脆性轉變溫度都有很大影響。除錸可明顯地降低鎢材的塑性-脆性轉變溫度外,其他合金元素對降低塑性-脆性轉變溫度都收效甚微(見金屬的強化)。
鎢的抗氧化性能差,氧化特點與鉬類似,在1000℃以上便發生三氧化鎢揮發,產生「災害性」氧化。因此鎢材高溫使用時必須在真空或惰性氣氛保護下,若在高溫氧化氣氛下使用,必須加防護塗層。

2軍事武器業

隨著科學發展進步,鎢合金材料,成為當今製作軍事產品的原料:如子彈、裝甲和炮彈、彈片頭、手榴彈,獵槍、子彈彈頭、防彈車,裝甲坦克,軍航、火炮部件,槍支等。而鎢合金造成的穿甲彈更是可以擊穿大傾角的裝甲和複合裝甲,是主要的反坦克武器。
鎢合金

3合金加工

鎢的熔點高、硬而脆,加工困難,但只要有合理的工藝,鎢可經粉末冶金制坯、擠壓、鍛造、軋制、旋壓和拉拔等加工成材。隨著鎢的塑性加工程度的提高,其組織、抗拉強度和塑性-脆性轉變溫度大為改善
鎢合金

  鎢合金

坯料
旋鍛
是生產鎢絲坯料和細棒的常用塑性加工方法,不同尺寸的棒材於氫氣氣氛中加熱到1400~1600℃,在不同型號的旋鍛機上進行旋鍛。開始道次變形量不宜過大,隨後可適當增加變形量。旋鍛變形過程中工件和模具間用石墨潤滑。加工后的鎢棒密度可達18.8~19.2克/厘米3。由於方坯鍛成圓坯,各部位變形不同,使組織不均勻,此時應進行再結晶退火。旋鍛棒材的最終直徑為3毫米左右。  拉絲 拉絲坯料可用旋鍛法生產,也可用軋製法生產;軋製法生產的坯料道次變形量大,組織較均勻,有利於以後的加工。鎢絲坯料拉制鎢絲是用「溫拉絲」方法。首先在鏈式拉伸機上拉至直徑1.3毫米,而後分別經粗拉、中拉和細拉使直徑達到 0.2、0.06和小於0.06毫米。隨著直徑減小,應使加熱溫度下降、拉絲速度提高。道次變形量一般在10~20%之間。拉絲採用煤氣-空氣混合加熱,溫度為900~400℃。拉粗絲採用硬質合金模,拉細絲則採用金剛石模。模子材質、孔型、研磨技術對絲材質量有很大的影響,石墨潤滑劑的質量、粒度、配比、塗敷方法同樣影響絲材質量。絲材直徑的不均勻性是使用時斷絲的最主要原因之一,有0.2~0.4微米的偏差就會使真空管中鎢絲的壽命大大降低。細絲材的直徑可以用重量法或真空標準電流法進行測定。在拉絲過程中,隨著直徑減小,變形抗力增大(如直徑0.1~0.3毫米鎢絲的斷裂強度可高達350公斤力/毫米2),其塑性也相應降低。為了改善再加工性能,一般需要進行消除應力中間退火。此外,可採用電解腐蝕法將絲材加工成直徑小於0.01毫米的細絲。

4其他加工

鎢的管材可採用燒結坯料直接擠壓,擠壓管坯或粉漿擠壓燒結管坯還經旋壓加工。旋壓還可生產鎢的異型製品。大直徑的棒材多採用擠壓或軋制工藝生產。
板材軋制
鎢板軋制可分熱軋、溫軋和冷軋。由於鎢的變形抗力大,普通的軋輥不能完全滿足鎢板材軋制的要求,應使用特種材質的軋輥。軋制時,軋輥要預熱,根據不同的軋制條件,預熱溫度為100~350℃。坯料的相對密度(實際密度與理論密度之比)大於90%時才可加工,坯料密度在92~94%時加工性能良好。熱軋的開坯溫度在1350~1500℃之間,開坯的變形工藝參數選擇不當,坯料會產生分層。溫軋的開始溫度為1200℃,厚度為8毫米的熱軋板,經溫軋可達到0.5毫米。由於鎢板變形抗力大,軋制時軋輥輥身彎曲變形,使板材沿寬度方向上厚度不均,換輥或換軋機時,板材可能因各部位變形不均勻而開裂。0.5毫米厚度板材的塑性-脆性轉變溫度還在室溫或室溫以上,片材呈脆性,應在200~500℃將片材軋製成0.2毫米。軋制後期,鎢片薄而長,為保證板材加熱均勻,常塗石墨或二硫化鉬,不僅有利於板材的加熱,而且加工時還有潤滑作用。

5相關知識

輕質合金
鋁鋰合金具有高比強度(斷裂強度/密度)、高比剛度且相對密度小的特點,如用作現代飛機蒙皮材料,一架大型客機可減輕重量50 kg。以波音747為例,每減輕1 kg,一年可獲利2 000美元。鈦合金比鋼輕、耐腐蝕、無磁性、強度高,是用於航空和艦艇的理想材料。

儲氫合金

由於石油和煤炭的儲量有限,而且在使用過程中會帶來環境污染等問題,尤其是20世紀70年代全球石油危機,使氫能作為新的清潔燃料成為研究熱點。在氫能利用過程中,氫的儲運是重要環節。1969年荷蘭飛利浦公司研製出LaNi5儲氫合金,具有大量的可逆地吸收、釋放氫氣的性質,其合金氫化物LaNi5H6中氫的密度與液態氫相當,約為氫氣密度的1 000倍。

6鎢合金電鍍

油田設備的「腐蝕」與「磨損」被稱為兩大世界級難題,全國約2.92萬口油井都存在不同程度的腐蝕與磨損,隨著中國油氣田開發年限和設備使用年限的增長更是每況愈下。另外,高含硫原油進口量大幅增加,煉製設備的腐蝕問題同樣日益突出。更加可怕的是,因腐蝕和磨損對設備安全穩定運行帶來的不利影響會越來越突出。
在目前普遍使用的幾種主要電鍍工藝中,電鍍鉻工藝耐磨,成本低,但環境污染嚴重,且不耐氯離子腐蝕;化學鍍鎳磷工藝耐腐蝕卻不耐磨,成本也高;熱噴塗工藝各項技術指標均不錯,可是生產成本高,很難大範圍推廣。
據中國知名青年化工專家,美國加州大學博士后,湖南大學博導何鳳姣教授指出:「對磨損、腐蝕造成零件失效的研究表明,這些失效大都發生在材料表面。利用表面工程的技術手段對材料表面進行處理,改善材料的表面性能,會有效地延長零件使用壽命,因此,表面工程在石油石化工業中具有重要地位。」
「從目前來看,只有鎢合金電鍍技術性能大幅提高,其硬度與耐磨性和電鍍鉻相當,但是耐酸耐鹼,生產成本低廉,而且可以根據石油井下的具體作業情況配置電鍍液,實施相應的電鍍工藝,滿足其作業要求。現在,同樣的環境下,採用鎢合金電鍍的設備使用壽命高出好幾倍。」 何鳳姣教授解釋說,「鎢合金電鍍之所以性能如此優越,是因為鎢合金電鍍后所得的鍍層是新的合金材料,鍍態為非晶結構,經不同的熱處理工藝,可轉變為非晶夾 雜納米晶或納米晶結構,經國家權威部門檢測,該合金具有很好的耐磨性,很好的耐酸、耐鹼、耐鹽霧性能,以及優異的抗高溫氧化性能,與基底材料有很好的結合力。」
鎢合金電鍍工藝一舉解決腐蝕與磨損兩大難題,據統計,中國每年油井管300多萬噸,而高技術含量、高附加值的高端油井管,如抗H2S、Cl-防腐油管等幾乎完全依靠進口,每年進口油管60萬噸,價值300億元以上。目前,該成果已經取得8項專利許可,獲得了國家機械工業科學技術獎一等獎,獲得國家重點新產品證書。更讓何教授高興的是,國家環保總局將該技術列為國家重點環境保護實用技術(A類),列為國家鼓勵發展的資源節約綜合利用和環境保護技術。
鎢合金電鍍工藝在石油機械行業的應用,不但可以解決電鍍鉻帶來的污染問題,更重要的是可以提高中國石油機械製造業各類關鍵性零部件產品的性能,給整個石 油機械製造業帶來了變革,促進了產業鏈的整體升級,特別是防腐抗硫油井臂和抗硫鑽桿可應用於H2S含量大於等於15萬PPM,CL-含量達150克/L的 極端腐蝕環境,使中國在該產業上達到國際領先的水平,解決了中國高端鑽采設備依賴國外進口設備的現狀。
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