高密度合金

高密度合金，其含鎢量通常在90%(質量分數)以上，其密度通常在17 克/立方厘米 以上。

由於高密度合金具有密度高、強度和硬度高、導電和導熱性好、熱膨脹係數小、抗腐蝕和抗氧化性好、機械加工性和焊接性好等一系列優異的物理力學性能和使用性能，因此在現代科學領域、國防工業和民用工業中都得到了廣泛的套用。

基本介紹

• 中文名：高密度合金
• 外文名：High density alloy
• 含鎢量：大於90%
• 特點：抗拉強度高、彈性模具高
• 套用於：航空航天、軍事工業，機械製造等
• 套用學科：冶金工業

概述

高密度合金，其含鎢量通常在90%(質量分數)以上，其密度通常在17 以上。由於純鎢粉的燒結性能不好，即使在接近其熔點的溫度進行燒結也難達到理論密度。此外由於鎢的性質脆，所以需要向鎢中添加少量的其他金屬，最早出現的高密度合金是W-Ni二元合金，但仍比較脆。20世紀30年代發展了W-Ni-Cu系高密度合金，後來發現W-Ni-Fe系合金的強度和塑性優於W-Ni-Cu系合金。因此，50年代後，除特殊用途外，主要研究、生產和套用的是W-Ni-Fe系合金。80年代後，又研究了W-Ni-Cr、W-Ni-Co和W-Ni-Mn等系合金。

由於高密度合金具有密度高、強度和硬度高、導電和導熱性好、熱膨脹係數小、抗腐蝕和抗氧化性好、機械加工性和焊接性好等一系列優異的物理力學性能和使用性能，因此在現代科學領域、國防工業和民用工業中都得到了廣泛的套用。例如，在航天航空工業中用作陀螺轉子和慣性旋轉元件；在軍事工業中用作穿甲彈、動能彈和飛彈彈頭；在醫療衛生部門中用作禁止材料；在電氣工業中用作電熱鐓粗砧塊材料、焊嘴材料、電極材料和觸頭材料；在機械工業中用作壓鑄模材料等。

基本性質

一般生產的高密度鎢合金的基本性質如下。

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

(2)強度和彈性模量高。通常燒結狀態下的抗拉強度為680～930MPa，如果經熱處理或加工變形之後，抗拉強度可達1350MPa以上，接近和達到優質鋼的水平。

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

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

(5)具有良好的導電性、導熱性和低的膨脹係數，還具有良好的抗電侵蝕性能。其導熱係數為模具鋼的5倍，因此散熱快，膨脹係數只有鋼的左右，適用於做熱加工模具材料。

(6)耐腐蝕性和抗氧化性能好。合金在食鹽水中長期浸漬後也不會有明顯的鏽蝕斑痕。在硫酸、硝酸和鹽酸中有良好的耐蝕性能，在溫度500℃的情況下沒有明顯的氧化現象。

(7)焊接性能良好。此合金可採用銅、銀焊料等進行焊接，也可採用擴散焊接，其焊接處十分堅實牢固。

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

(9)合金表面可進行塗鍍。在表面上可塗鍍耐腐蝕和抗氧化的塗層(如鍍鉻)，以延長其使用壽命，擴大其套用範圍。

(10)具有較高的硬度和剛性，可進行熱處理。如採用快速冷卻，獲得細而分散均勻的組織，可進一步改善性能，由於剛性好，形狀尺寸穩定，使用時不變形。

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，將氧化物球磨後用氫氣還原，得到含W、Fe、Ni的混合料，然後直接用於高密度合金的生產。這種再生工藝簡單、經濟、可靠，是一種很有前途的生產再生鎢基高密度合金的方法。

(2)熔浴法

熔浴法主要用來回收大塊的高密度合金。採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，能根據需要得到不同的物料，可連續生產並且實現工業化套用；但缺點是使用溫度極高、能耗巨大，與氧化還原法相比，工藝複雜，回收費用較高，有環境污染問題。

(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，合金形成的 與硝酸鈉的分解產物氧化鈉反應生成鎢酸鈉；用氫氧化鈉溶液溶解高溫反應產物，濾去 和 沉澱，得到鎢酸鈉溶液；然後，再

向溶液中加入 ，沉澱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 ；最後，蒸髮結晶得到仲鎢酸銨(APT)。這種回收方法工藝複雜，容易對環境造成嚴重的污染。

套用

航空航天工業

陀螺儀是飛機、衛星、各種飛彈和宇宙飛船的導航系統和控制系統的心臟，陀螺儀轉子的工作轉速為20 000 r/min，需要一種既有高的密度，又有足夠高強度的材料，高密度鎢合金是最理想的材料。世界各國所研製的各種衛星、飛彈的導航儀器中，轉子材料已普遍採用高密度合金，陀螺儀中調整片、配重螺絲、導向裝置平衡錘都是由高密度合金製成的。

在現代飛機製造工業中，為了保證飛機具有優良的性能，很多關鍵零部件部採用了各種類型的高密度合金。除了陀螺儀轉子外，自動駕駛儀及方向平衡配重塊、飛機發動機的平衡錘、高速旋轉下控制分油門調節油量的質量塊等都是採用高密度鎢合金製成的。在飛機的減振力面，高密度合金也起著重大的作用。在美國有些類型的飛機上，每一架飛機中用於配重的高密度合金競達數百公斤。

軍事工業

隨著現代軍事工業的發展，為了進一步提高武器的威力，對製造各種武器的材料提出了越來越高的要求，高密度鎢合金因此而受到重視，並大量地被採用。

(1)動能穿甲彈彈芯材料。

在第二次世界大戰中，曾大量使用WC-Co合金製造各種穿甲彈頭，隨著坦克設計的改進和新型裝甲的出現，使用WC-Co製造的穿甲彈頭已不能勝任，從而開始廣泛地改用高密度合金作為穿甲彈彈芯材料，用高密度合金製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，原來的裝甲改為用複合結構，外形也更進一步地特殊化，用一般的穿甲彈已不能勝任，因此而研製出一種聚能彈。聚能彈用的藥型罩材料採用高密度合金製造，它產生的射流集中且動能大，其穿透能力大大提高。

(3)飛彈中的材料。

高密度合金除了用作飛彈導航儀的陀螺轉子、配重螺絲、調整片之外，還用來製造飛彈彈體。有些類型的彈頭，使用幾十公斤的鎢合金半球體。

在機械製造、儀表及輕工業

(1)機械製造業。

在機械製造業最有代表性的套用是製造壓鑄模。壓鑄模的工作條件非常苛刻，它必須承受高溫、高壓和金屬液流的沖刷，又必須抗氧化、抗腐蝕和耐熱衝擊。

實踐證明，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倍至數十倍，美國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、不鏽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製造擠壓模具。在機械加工中採用高密度鎢合金製作刀夾、刀桿、鏜桿可以進行大的切削量，減少刀具在切削時的振動，從而大大提高零件的加工精度。電火花加工及電化學工具機的電極可以選用高密度合金製造。在焊接領域使用W-Ni-Cu合金製作的電焊嘴，性能優良，可以克服原來易崩裂的問題。伐木鏈鋸用的小型發動機中使用高密度鎢合金配重，可以增大慣性，減小機器體積。

(2)儀表製造業。

在儀表製造業中，高密度鎢合金可以製造加速計質量塊，空中攝影照相機及雷達天線的平衡器等元件。

(3)輕工業。

自動手錶的擺錘使用高密度鎢合金製造，可以使手錶走時準確並且耐用。