[科普中国]-高密度合金

概述

高密度合金，其含钨量通常在90%(质量分数)以上，其密度通常在17 以上。由于纯钨粉的烧结性能不好，即使在接近其熔点的温度进行烧结也难达到理论密度。此外由于钨的性质脆，所以需要向钨中添加少量的其他金属，最早出现的高密度合金是W-Ni二元合金，但仍比较脆。20世纪30年代发展了W-Ni-Cu系高密度合金，后来发现W-Ni-Fe系合金的强度和塑性优于W-Ni-Cu系合金。因此，50年代后，除特殊用途外，主要研究、生产和应用的是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、强度和硬度高、导电和导热性好、热膨胀系数小、抗腐蚀和抗氧化性好、机械加工性和焊接性好等一系列优异的物理力学性能和使用性能，因此在现代科学领域、国防工业和民用工业中都得到了广泛的应用。例如，在航天航空工业中用作陀螺转子和惯性旋转元件；在军事工业中用作穿甲弹、动能弹和导弹弹头；在医疗卫生部门中用作屏蔽材料；在电气工业中用作电热镦粗砧块材料、焊嘴材料、电极材料和触头材料；在机械工业中用作压铸模材料等。1

基本性质一般生产的高密度钨合金的基本性质如下。

(1)密度高。一般密度在17.0～18.5 之间范围变化，是钢密度的2倍以上，是铅密度的1.5倍。

(2)强度和弹性模量高。通常烧结状态下的抗拉强度为680～930MPa，如果经热处理或加工变形之后，抗拉强度可达1350MPa以上，接近和达到优质钢的水平。

(3)具有良好的塑性。它可承受一般的加工变形，可轧制成板材，也可锻压或挤压成棒材、圆板等制品。

(4)可加工性能好。全部的高密度合金切削性能类似于工具钢，稍脆，均可进行车、刨、钻、铣等的机械加工，而且表面光洁度好。

(5)具有良好的导电性、导热性和低的膨胀系数，还具有良好的抗电侵蚀性能。其导热系数为模具钢的5倍，因此散热快，膨胀系数只有钢的左右，适用于做热加工模具材料。

(6)耐腐蚀性和抗氧化性能好。合金在食盐水中长期浸渍后也不会有明显的锈蚀斑痕。在硫酸、硝酸和盐酸中有良好的耐蚀性能，在温度500℃的情况下没有明显的氧化现象。

(7)焊接性能良好。此合金可采用铜、银焊料等进行焊接，也可采用扩散焊接，其焊接处十分坚实牢固。

(8)对 射线和 射线有极好的吸收能力。其吸收能力比铅高30%~40%，是理想的屏蔽材料。

(9)合金表面可进行涂镀。在表面上可涂镀耐腐蚀和抗氧化的涂层(如镀铬)，以延长其使用寿命，扩大其应用范围。

(10)具有较高的硬度和刚性，可进行热处理。如采用快速冷却，获得细而分散均匀的组织，可进一步改善性能，由于刚性好，形状尺寸稳定，使用时不变形。2

废旧高密度合金的回收(1)氧化-还原法

氧化-还原法回收高密度合金工艺是在高温将合金氧化，将氧化物球磨后用氢气还原，得到含W、Fe、Ni的混合料，然后直接用于高密度合金的生产。这种再生工艺简单、经济、可靠，是一种很有前途的生产再生钨基高密度合金的方法。

(2)熔浴法

熔浴法主要用来回收大块的高密度合金。采用这种方法回收高密度合金钨的回收率为90%～93%。熔浴法可回收大块的、难破碎的高密度合金零件，能根据需要得到不同的物料，可连续生产并且实现工业化应用；但缺点是使用温度极高、能耗巨大，与氧化还原法相比，工艺复杂，回收费用较高，有环境污染问题。

(3)湿法冶金法

湿法冶金法是废高密度合金与硝酸钠在高温下反应，合金形成的 与硝酸钠的分解产物氧化钠反应生成钨酸钠；用氢氧化钠溶液溶解高温反应产物，滤去 和 沉淀，得到钨酸钠溶液；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 ，用溶剂萃取法分离钨酸铵和 ；最后，蒸发结晶得到仲钨酸铵(APT)。这种回收方法工艺复杂，容易对环境造成严重的污染。3

应用航空航天工业陀螺仪是飞机、卫星、各种导弹和宇宙飞船的导航系统和控制系统的心脏，陀螺仪转子的工作转速为20 000 r/min，需要一种既有高的密度，又有足够高强度的材料，高密度钨合金是最理想的材料。世界各国所研制的各种卫星、导弹的导航仪器中，转子材料已普遍采用高密度合金，陀螺仪中调整片、配重螺丝、导向装置平衡锤都是由高密度合金制成的。

在现代飞机制造工业中，为了保证飞机具有优良的性能，很多关键零部件部采用了各种类型的高密度合金。除了陀螺仪转子外，自动驾驶仪及方向平衡配重块、飞机发动机的平衡锤、高速旋转下控制分油门调节油量的质量块等都是采用高密度钨合金制成的。在飞机的减振力面，高密度合金也起着重大的作用。在美国有些类型的飞机上，每一架飞机中用于配重的高密度合金竞达数百公斤。

军事工业随着现代军事工业的发展，为了进一步提高武器的威力，对制造各种武器的材料提出了越来越高的要求，高密度钨合金因此而受到重视，并大量地被采用。

(1)动能穿甲弹弹芯材料。

在第二次世界大战中，曾大量使用WC-Co合金制造各种穿甲弹头，随着坦克设计的改进和新型装甲的出现，使用WC-Co制造的穿甲弹头已不能胜任，从而开始广泛地改用高密度合金作为穿甲弹弹芯材料，用高密度合金制造的穿甲弹弹芯可以穿透178 mm厚的装甲钢板。

(2)聚能弹中的材料。

随着坦克型式的更新，原来的装甲改为用复合结构，外形也更进一步地特殊化，用一般的穿甲弹已不能胜任，因此而研制出一种聚能弹。聚能弹用的药型罩材料采用高密度合金制造，它产生的射流集中且动能大，其穿透能力大大提高。

(3)导弹中的材料。

高密度合金除了用作导弹导航仪的陀螺转子、配重螺丝、调整片之外，还用来制造导弹弹体。有些类型的弹头，使用几十公斤的钨合金半球体。

在机械制造、仪表及轻工业(1)机械制造业。

在机械制造业最有代表性的应用是制造压铸模。压铸模的工作条件非常苛刻，它必须承受高温、高压和金属液流的冲刷，又必须抗氧化、抗腐蚀和耐热冲击。

实践证明，与使用钢模相比，使用高密度合金作为压铸模材料的使用寿命可以提高数倍至数十倍，美国通用电气公司已用高密度合金压铸模压铸灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、低碳钢、合金钢、不锈钢和工具钢等压铸件，取得了较好的效果。

使用高密度合金也可以制造挤压模具。在机械加工中采用高密度钨合金制作刀夹、刀杆、镗杆可以进行大的切削量，减少刀具在切削时的振动，从而大大提高零件的加工精度。电火花加工及电化学机床的电极可以选用高密度合金制造。在焊接领域使用W-Ni-Cu合金制作的电焊嘴，性能优良，可以克服原来易崩裂的问题。伐木链锯用的小型发动机中使用高密度钨合金配重，可以增大惯性，减小机器体积。

(2)仪表制造业。

在仪表制造业中，高密度钨合金可以制造加速计质量块，空中摄影照相机及雷达天线的平衡器等元件。

(3)轻工业。

自动手表的摆锤使用高密度钨合金制造，可以使手表走时准确并且耐用。2