中国钨基高密度合金的发展

广的应用。 中国钨基高密度合金的发展史从新中国成立后
的２０世纪６０年代开始。经过将近５０年的努力．目 前，中国钨基高密度合金材料的研究、生产和应用． 除了某些方面与国外先进水平还存在一定差距外． 总体上已基本达到国外同类产品的相同水平．而且 也已形成了相当规模的生产能力。现将笔者对于中国 钨基高密度合金发展的了解和认识，写成此文。作为 建国６０周年这一局部所取得的进展和成就的反映。
（３）合金元素及微量杂质元素对钨基高密度合 金组织和性能的影响，其中特别是微量Ｓ、Ｐ等杂质 含量及存在状态对性能的影响。
（４）钨合金动态力学性能的研究［１０－１１】。为了模拟 穿甲过程瞬时的力学行为和失效特征，同时在实验
室条件下进行高应变率的应力变化进行拉伸、压缩、 扭曲等试验，以及对实际打靶情况下穿甲弹芯材料 的变化和破坏分析等等。
钨基高密度合金除了作为电加工用的工模具 外．也可以用作电器设备中的电触头材料。如为葛洲 坝水电站从法国引进的大功率发电机保护开关的专 用钨镍铜（Ｗ—ｌＯＮｉ－４Ｃｕ）电触头，钢铁研究院根据 引进技术的要求。经过不到一年时问的仿制，很快研 制成功．用该电触头装配的保护开关在国外权威测 试机构的测试中获得圆满成功。并为葛洲坝水电站全
在开拓钨基高密度合金广泛应用中。穿甲弹芯 用钨合金的研制得到特别的关注而成为高密度钨合 金进一步研究发展的中心。
钨基高密度合金的高密度特性使其在高速运动 下所携带的高动能成为用作动能穿甲弹的良好材 料。美国首先于上世纪７０年代前后进行研制并成功
·陈正球，幺文茹．王德文．等．钨壳一专用合金及其应用．１９８９年国家发明三等奖（发明证书编号：Ｂ ００６３９）．中华人民共和国国家科学技术委 员会．１９８９年１２月．
也根据国外所用的Ｗ…Ｍｏ 部发电机保护开关提供了配套所需的该种电触头旧。
此外。在引进的“斯贝”航空发动机的点火启动器中。 Ｎｉ Ｆｅ合金进行了仿制．
作为点火电极获得应用。类似的合金还在其他各种 内燃机中作为启动的点火电极广泛应用，使原来使 用的纯钨点火电极得到了升级换代。
３以研制穿甲弹芯材料为中心，对钨 基高密度合金深入研究发展阶段
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第５期
吕大铭，等：中国钨基高密度合金的发展
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得到应用。装备在坦克和火炮上以代替可造成放射 性污染的贫铀弹。为了增强我国的国防力量，在上世 纪７０年代后期．我国的武器工业部门，分别与有色 研究院等单位开展炮弹用穿甲弹芯的研制任务和与 钢铁研究院等单位开展枪用穿甲弹芯的研制任务。 这些任务已于上世纪８０年代中期基本上完成，有色 研究院等研制成ＧＷ一１、ＧＷ一２５、ＧＷ一３５等牌号的 火炮用钨基高密度合金穿甲弹［７１．钢铁研究院等研 制成功１２．７ ｍｍ ＧＷ一１８０脱壳枪用穿甲弹钨基高密 度合金料。初步形成了中国自行创制的穿甲弹用钨 基高密度合金体系。
２钨基高密度合金广泛推广发展阶段
上世纪７０年代。特别是随着“文化大革命”的结 束。钨基高密度合金的发展进入在国民经济各个领 域广泛推广应用的开拓发展阶段。国内各有关单位 纷纷投入力量进行钨基高密度合金的开拓应用研 究。并取得了不少进展和成果Ｉ酬。
钨基高密度合金作为射线屏蔽材料，钢铁研究 院和有色研究院分别研制成功ＷＮＦ一１８５和９５Ｗ－ Ｎｉ—Ｆｅ等钨镍铁系合金先后用于癌症放射治疗的 Ｃ０６０治疗机和ＢＪ—１０电子直线加速器。这些新型医 疗设备的研制成功，结束了它们长期依赖迸口的局 面。而且．为了满足较大数量配套用屏蔽合金件的需 要．通过技术协作和转让，在山东将一个原来仅生产 铁粉制品的小厂。扶植改建成批量生产Ｃ０６０治疗 机等配套用钨基高密度合金的专业厂。与此同时，作 为屏蔽材料．钨基高密度合金也用作各种放射源和 放射性同位素的容器和储罐，在作为某些射线探测 仪如探测煤层厚度的“小口径放射性测井仪”等时， 为了防止环境磁场对探测结果的影响，采用了无磁 性的钨镍铜系高密度合金。
（１）烧结合金热处理的研究。包括热处理气氛和 热处理工艺制度的影响，通过真空热处理或惰性气 体下热处理可以大幅度降低烧结合金中所含有的 氢，从而降低氢脆．大大提高合金的塑性和一定程度 地提高合金强度［８１。
（２）烧结合金变形强化的研究。采取锻造、挤压 等各种变形手段，研究各种变形加工方法、变形量、 变形加工工艺以及与此匹配的热处理对合金强化的 影响。得到通过变形加工可以大幅度地提高钨镍铁 系高密度合金的力学强度，但将明显地降低其延性， 而采取合适的加工工艺和热处理可以达到既大大提 高强度而又保持一定塑性的良好结合嗍。
第２４卷第５期 ２０眇年１０月
中圈钨毋
Ｃｈｉｎａ。Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｄｕｓｈ，ｖ
文章编号：１００９—０６２２（２００９）０５－０１０７－０４
中国钨基高密度合金的发展
Ｖ０１．２４．Ｎ０３ ｏｃｔ．２∞９
吕大铭，周武平
（中国钢研科技集团公司安泰科技股份有限公司难熔材料分公司。北京１０００８１）
摘 要：介绍了我国钨基高密度合金的发展史，对其研究发展的各个阶段的过程及研究内容进行了较详细的阐述；指
１ 以高起点开局的中国钨基高密度合金
上世纪６０年代初。中南矿冶学院与北京有色金 属研究院等多家单位，根据国家军工的需要。研制用 于飞行控制的陀螺仪转子材料。为了陀螺仪的高精 度测量控制。要求转子材料具有高的密度并使用在 高速旋转状态。这就要求材料高的力学性能和材料 密度高度的均一性。同时为了避免周围环境存在磁 场的干扰要求是非磁性材料．因此，研制采用的是钨 镍铜合金。经过不长时间的不懈努力，很快研制成 功，并在国产飞机的陀螺导航仪和第一颗人造卫星 上应用。到６０年代末，所开发的多种ｗ—Ｎｉ—Ｃｕ合 金产品已在近２０项重大军事工程中获得应用。此 后，在不断的边研究、边应用、边改进的过程中，Ｗ— Ｎｉ—Ｃｕ材料的性能和应用取得了更大的成功和更高
钨基高密度合金所具有高的高温强度、硬度以 及较好的导电导热性能，使得它们在高温工作下的 电加工中获得了很好的应用。北京钢铁研究院在钨 镍铁合金的基础上。通过添加其他元素，创制开发出 更高高温硬度的ＧＷ一７新型钨合金作为燃气进、排 气阀门电镦加工的模具材料（砧块）。其使用寿命较 原有模具材料提高１０倍以上，取得十分良好的社会 经济效益阁。为此，该项目获得了１９９０年度国家发 明四等奖。同样，钨基高密度合金也作为电铆作业的 电铆枪的锤头，大大地提高了电铆的作业效率和使 用寿命。它们也用于电焊的点焊机上作为点焊的焊 接电极等。
中图分类号：ＴＦｌ２５．２＂４１
文献标识码：Ａ
０引 言
钨基高密度合金（亦称钨基高比重合金、重合 金）是钨合金材料的一个重要组成部分，是国防工业 和国民经济各部门广泛应用的工程材料！现已成为 一类进行大规模生产和应用、占有重要地位的钨材。 钨基高密度合金是利用金属钨的高密度（１９．３幽ｍ，）， 添加少量镍、铁、铜及其他元素，采用液相烧结这种 粉末冶金的特殊方法制成的．这也成为其区别于其 他钨材的一个特征。钨基高密度合金既基本上保持 钨金属的许多特性，如高的密度、高的强度与硬度、 好的高温性能、较高的导电导热性能、低的热膨胀系 数等等，又可以通过在远低于钨的熔点的温度下直 接烧结获得致密的合金。这种合金又具有一定的塑 性和较好的切削加工性．而且还可以通过调整合金 成分和组成来调节、改变和控制其物理性能和力学 性能。从而达到满足不同应用的要求１，－３］。
在开拓钨基高密度合金的应用和新产品上，以 高密度合金为基础开发了中密度配重材料（密度为 １３—１５咖ｍ，）。它们主要通过用较大量的钼取代合金 中的部分钨来调整合金的密度。或者通过大幅度降 低合金中的钨而相应地增大镍、铜、铁等黏结相成分 来达到。另一种应用是为了与组合材料相匹配，要求 具有与匹配材料热膨胀系数相近的定膨胀材料（同 时兼要一定的密度和高的强度），它们也是通过降低 合金组成中低热膨胀系数的钨含量和增大合金中高 热膨胀系数的铜、镍（特别是铜）来调整和控制。此 外．为了特殊应用的需要，提出了大尺寸的、质量达 到数百公斤甚至上吨的钨基高密度合金制件，以及 以薄板形式应用的产品等。为此，必须通过建立特大
对钨基高密度合金的制取新工艺，国内各单位 进行了大量的研发工作。为了尽量降低由于简单混 粉法所引起的组织偏差，制取更为均匀的细晶合金。 广泛开展以高能球磨的机械合金化、混合溶液喷雾 干燥、共沉淀共还原等制取超细和纳米复合粉的研 究．研究制备条件对所得的复合粉粒度和形貌的关 系．以及用这种超细和纳米复合粉烧结钨基高密度 合金时的行为以及烧结合金的组织和性能。在成形 工艺上．为了提高大批量、特殊复杂形状制品的生产 效率，降低生产成本，进行了大量注射成形工艺以及 与此相关的黏结剂选择、混料制粒及脱脂工艺条件 的研究。在烧结上除了进一步研究烧结过程中合金 中的相及相成分的变化，开展固相烧结、二次烧结等 研究外。也开展了微波烧结、等离子火花烧结等烧结 新技术在烧结钨合金上的试验，以期大大降低烧结 过程的能量消耗和提高制品质量１３，１１Ｊ。
出我国的钨基高密度合金研究开局起点高，目前已进入全面持续发展的新阶段，无论在研究、应用和生产各个方面都
在不断开拓和前进；除个别情况外，各方面的工作基本已达到国际先进水平，制造水平和生产规模得到了长足的发展，
所生产的制品已开始大规模地进入国际市场。
关键词：钨基高密度合金；钨镍铜系合金；钨镍铁系合金；应用；发展
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收稿日期：２００９－０８—２８ 作者简介：吕大铭（１９３６－）．男，浙江杭州入．教授级高级工程师。
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第２４卷
的水平．从而在上世纪９０年代该材料的应用获得了 国家技术进步二等奖。
而在另一方面，上世纪６０年代末７０年代初，为 了满足核试验的需要，北京钢铁研究院承担了研制 核试验专用钨合金球壳的任务【４】。当时除了对该合 金材料提出高密度、材质均匀性、好的机加工性等性 能要求外。还要求最终能提供具有较大尺寸用于直 接试验的实用件。为此，钢铁研究院除了在实验室完 成材料的试制的同时。利用通过自力更生、自行创新 建立起来的大型难熔金属粉末冶金工艺设备胜利地 完成了提供使用试验件的任务．这也为以后制取大 型钨基高密度要求的系列合金和量能达到以吨计的 各种大小和形状的产品提供了基础。为此．该项目 “钨壳一专用合金及其应用”获得了１９８９年度国家 发明三等奖木。这两项工作的开展以高的起点开启 了中国钨镍铜和钨镍铁两大系列钨基高密度合金的 开发研制工作，并均取得了很大的成功。
但是．作为穿甲弹这类武器专用的钨基高密度 合金．显然不同于其他的一般应用。它不仅要求材料 的高密度、高强度、高硬度和一定的塑性等静态力学 性能．而且还要求对装甲材料高的侵彻能力和穿甲 时的自锐性等动态性能。因此，在钨基高密度合金初 步应用于穿甲弹芯后。在上世纪８０年代到９０年代， 国内有更多的研究单位和大专院校以更大的热情参 与开展对钨基高密度合金的深入研究，以冀不断提 高钨基高密度合金的性能水平和作为穿甲弹芯更高 的穿甲能力．形成了新的研发热潮。在此期间，钨基 高密度合金的研究已不局限于调整和改变合金成 分．改进和控制烧结工艺以及烧结态合金的组织和 性能等，而更大量的是对烧结合金后处理及其对性 能组织的影响的研究。这里有：
钨基高密度合金的高密度特性，使得它们在广 泛的领域作为配重和平衡元件得到应用。如在引进 的“斯贝”航空发动机上的配重和高速运转控制油门 调节油量的配重元件：在石油钻探的钻杆上安装高
密度合金配重可以大大提高钻机的效率和钻井的质 量；在一度盛行的机械式自动手表中，应用无磁性的 钨镍铜高密度合金音叉式摆锤作为获得并提供机械 能的关键元件等等。在另一方面，钨基高密度合金也 在许多体育运动项目和器件中获得应用，如作为铅 球、链球、标枪等投掷器的核心和赛艇、航模等水上 项目中的平衡稳定件，以及重箭的箭头、高尔夫球杆 中的配重镶块、飞镖的镖头等等。
目前应用的钨基高密度合金主要分为两大类． 即钨镍铜系和钨镍铁系。它们基本上都具有以上的 共同特性，唯一重大区别是前者是无磁的，而后者由 于含有铁而呈现一定的铁磁性。上世纪３０年代，国 外首先开发研制出Ｗ—Ｎｉ—Ｃｕ合金，而在４０年代研 制成功Ｗ—Ｎｉ—Ｆｅ合金。但是。由于钨镍铁系合金具 有更为优异的力学性能．因而后来居上获得更多更
总之。通过这一阶段工作。中国钨基高密度合金 的研究发展深入提高了一大步．已经逐步开始同步 于国外的发展．明显缩小了与国外水平的差距。
４钨基高密度合金全面、持续的发展阶段
从上世纪末开始。中国的钨基高密度合金的发 展进入了全面、持续发展的新阶段，无论在研究、应 用和生产各个方面都在不断开拓和前进。目前，除个 别情况外．各方面的工作基本已达到国际的先进水 平．所生产的制品已开始大规模地进入国际市场。