高密度钨合金在军工中的应用及展望

发布时间:

2025-01-06

1 高密度钨合金的性能

钨具有高熔点、高密度等许多优异性能往往因其脆性而使应用受到了限制，人们为了改变钨的脆性，国际上于1938年研制成功一种新的钨合金,在国内也于1964年研制成功。这种合金以钨为基(钨含量为82%~98%),加人镍、铜或镍、铁及少量钴、锰等金属元素,由于克服了钨的脆性,保持了钨的高熔点、高密度、以及低的澎胀系数等优良性能而得到广泛应用。现已发展到W-Ni-Cu、W-Ni-e、W-Ni-Co等多个系列产品,但应用较广泛的还是W-Ni-Cu和W-Ni-Fe二大系列产品。

国内已有数十家研究院所、工厂从事钨基高密度合金研究与生产,这种合金的主要特性是:

1.1 密度高

高密度钨合金的密度一般为16.0~18.8g/cm°,相当于钢密度的2倍以上,有“高密度钨合金”或“重合金”之称。

1.2 强度高

烧结态的高密度钨合金抗拉强度一般为580~950MPa,若添加某些微量元素,可进步改善某些性能;若经加工变形后其强度可达1 300MPa以上1.3 良好的塑性高密度钨合金的塑性对于93W-Ni-Fe系列而言,其延伸率达20%以上,冲击韧性可达1.5(MJ/m)左右;而W-Ni-Cu系列其塑性低于W-Ni-Fe系。

1.4 良好的射线吸收能力

高密度钨合金，对射线的吸收能力比铅高30%~40%,且有较好的刚性，使用中难变形。

1.5

耐腐蚀性和抗高温氧化性能良好

高密度钨合金对酸有良好的耐腐蚀能力，合金在500℃以下无明显氧化，在800℃或更高温度下仍能保持较好的强度与硬度

1.6 良好的机加工性能

高密度钨合金可进行车、铣、磨、刨、钻、攻丝等机加工,可攻M2的螺纹。

1.7 良好的导电性、导热性和低的热膨胀系数

高密度钨合金的导热系数是模具钢的五倍,热膨胀系数只有铁或钢的1/2~1/3,且具有耐电蚀、耐高压等电性能。

1.8 良好的可焊接性及表面电镀性

对高密度的钨合金,可采用铜焊、银焊料进行钎焊,合金表面也可进行电镀,如镀铬、镀镍、镀金等,与基体结合牢固。

2 高密度钨合金在军工中的应用

鉴于高密度钨合金具有一系列特性，已广泛地应用于航空、航天、兵器、舰艇等军事工业中作重要零部件，同时也广泛地应用在机械、电器、仪表、冶金等工业部门。

2.1 高密度钨合金在航天、航空工业中的应用

高密度钨合金在航天、航空工业中的应用，国外始于本世纪40年代，国内始于60年代。由于高密度钨合金在陀螺仪中的应用从而使导航技术得到迅速进步。陀螺仪的精度与稳定性同回转质量成比例关系，以前已采用铜或钢作为陀螺的外缘转子体,其精度与稳定性均较低,美国在第二次世界大战中已采用90W-6Ni-4Cu代替铜(或钢)作外缘转子,其角动量提高70%以上，仪表的精度与稳定性显著提高。导航陀螺仪是各种卫星、火箭、导弹、飞机、潜艇、鱼雷等导航和控制系统的心脏部件,国际上目前尽管踊现出各种先进的导航技术,而陀螺仪仍是世界上应用最广泛的一种导航仪表。

高密度钨合金还可作平衡块、减震器、K机及直升飞机的升降控制和陀的风标配重块等。用于自动驾驶仪及方向支架平衡配重块,飞机引擎的平衡锤,作压仓平衡块等，“斯贝”发动机上就用到四种牌号五种规格的高密度钨合金,主要用作托架配重、摇杆转速控制器配重块,燃油调节转控器配重块等。

在某些卫星中,为克服卫星的晃动现象，卫星姿态仪常采用高密度钨合金起到章动阻尼作用,使卫星章动阻尼剩余章动角减少至0.1°以下,达到国际先进水平。

2.2 高密度钨合金在兵器工业中的应用

兵器工业中常采用高密度钨合金作为侵人体的杀伤破片,常规武器中作为大口径动能穿甲弹弹芯材料、机枪脱壳穿甲弹弹芯、枪弹和航炮弹用的弹头材料、杆式动能穿甲弹弹芯以及战术导弹中的杀伤破片等。随着军事工业的发展，坦克设计的进步、新型装甲复合壳体的出现，必须研制高的穿甲威力的穿甲弹,国内外在研究小弹径，大长细比的弹丸结构上已取得了可喜的进展，同时火炮口径及膛压在不断地增加，要求高密度钨合金不但具有高的密度、强度外，同时具有高的韧性,才能保证杆式动能穿甲弹具有更高的发射强度与穿甲威力。但钨合金材料随拉伸强度增加，使延伸率和冲击韧性降低，这一矛盾,已被国内外专家较好解决了高密度钨合金强韧性的配合，满足了对弹丸材料越来越苛刻要求。在各种子母弹及导弹中，有的一颗弹中装有数百公斤钨合金弹丸材料，具有强大的攻击能力与大的杀伤面。此外钨基合金在鱼雷、舰艇、坦克、装甲等兵器中采用作陀螺外缘转子体、配重等部件材料。兵器工业是目前国际上钨合金用量的消耗大户。

2.3 高密度钨合金在核工业中的应用

金属材料吸收x及r射线的能力与其密度成正比例关系。以前，人们广泛采用铅作屏蔽材料,因铅的比重为11.3g/cm”,而钨合金在17g/cm以上,因此比铅对x和r射线的吸收能力更理想，且铅材质软,易用刀切开，而钨合金硬度较高,对射线的屏蔽效果是铅的1.5倍以上,是理想的核燃料贮存器与防辐射的屏蔽材料。由于W-Ni-Fe、W-Ta合金具有熔点高、良好的冲击韧性、高塑性和低屈服强度，可以用来制造一种薄壁形大链套壳体，以作为原子能爆炸时用的功能复合金材料,保证仪器的正常工作。

3 展望

高密度钨合金具有一系列优异性能，已成为某些尖端科技领域及国防工业中的关键材料或重要零配件,在民用工业中也得到推广应用。为进一步促进钨合金的发展，应加强以下几方面工作:

3.1 开拓市场、扩大应用领域

目前高密度钨合金主要应用在军事工业上，尽管民用工业也有较快的推广应用,但毕竟还是量小。我国属钨资源大国,可是在产量上与美国相差较大。美国在70年代需要量超过1000t,而我国目前仅200~300t。国外已广泛应用在机械制造、仪表工业、医疗器械、电热加工、模具制造等工业部门,而且在体育器材方面也得到广泛应用,如标枪头、重箭箭头、高尔夫球杆的把头镶嵌着高密度钨

合金，对提高体育竞技水平起到了重要作用。航海模型船仓的压载体，以保持航模的平稳起到关键作用。由此看出，其应用市场潜力很大,有待开发。

3.2 扩大品种、发展深度加工

目前国内外广泛使用W-Ni-Fe及W-Ni-Cu两大系列产品。国内对其它系列的产品有所研究,但品种、规格不齐,同时由于钨合金制品大量以材料毛坯供货，使机加工量增加，如:杆式动能穿甲弹芯,其机加工切削量达到40%以上,造成很大浪费。因此提高毛坯精度,提高材料利用率、降低成本,具有重要意义。今后应该使产品规范化、系列化、标准化。同时为方便用户,也可将产品通过加工焊接等,然后装配成完整的零配件,有利于市场开发。

3.3 开展新工艺、新技术的研究

随着高科技的发展,对高密度钨合金提出了某些特殊性能以及特殊形状的要求，要满足这些高科技发展的需求,除了对材料性能进一步研究之外,必须开发新工艺、新技术的研究。如细长形的管、棒等必须开展挤压工艺研究;对那些形状复杂的细小制品，必须开展注射成型新工艺的研究。因此，在高密度钨合金生产中,除了常规的生产方法外,应大力采用冷、热等静压,半连续挤压、轧制、旋锻加,注射成型等工艺,并采用涂层、电镀、气相沉积等方法制取成本低,且耐磨、防锈等制品,为满足国内市场,并打人国际市场创造条件。

目前钨合金制品进入国际市场的数量是有限的,如1994年钨制品出口919t,主要是钨粉、钨金属制品、钨杆等,其中钨粉为743t。如果能以钨合金制品出口,对改变钨制品出口结构,增加外汇收人将起到重要作用。

经过几十年的努力，在开发钨资源的过程中,我国已拥有一批从事钨合金研究和生产的科技人材,建立了一批生产、科研基地。我们相信,在不久的将来,我国的钨工业及钨合金的科技水平会有较大的发展。

论文引用信息

湖南有色金属第13卷第3期 1997年5月

香港六和宝典高级资料采用射频等离子体技术球化的球形W-Ni-Fe具有以下特点：

1）球形度高，具有更好的流动性和成形性。这使得合金可以更容易进行后续的加工和成型，确保产品在制造过程中不易出现气孔、裂纹等缺陷。

2）更高的密度和更均匀的组织结构。，从而提升了材料的抗压强度、抗拉强度以及耐磨性。

3）粒度分布均匀。提升了合金的力学性能，还能增强其在极端环境下的耐腐蚀性和抗辐射能力。

4）可以进一步提升其在航空航天、核能、电子设备、汽车等行业的应用潜力。

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