钨铜材料加工工艺——变形加工

钨铜合金材料通常采用粉末冶金(Powder Metallurgy,PM)以及熔渗法相结合的工艺制备。由于钨和铜两种金属硬度和熔点相差较大且完全不互溶,因此也被称为二相假合金。其通过钨粉或是掺入部分铜粉的混合粉特殊压制后形成内部连通孔的钨骨架,再通过熔渗铜工艺形成的钨铜合金相对密度较高,各项性能优良。现如今已经出现了超细纳米晶钨铜合金材料,其微观结构更为合理稳定,相对密度和强度也大幅度提高,但是其可塑性和延展性相对较低,无法满足在一些产品的应用中(如薄板、丝材、箔材等)的特殊要求,因此对钨铜合金材料的变形加工工艺的研究也成为了一大热点。

对于钨铜合金材料的变形加工工艺,我们可以在大体上分为两类,一类为冷变形加工,另一类则为热变形加工。从定义上讲,冷变形加工就是在再结晶温度以下的塑性变形加工。随着机械加工工业的核心技术的发展,生产中依靠冷作模制造的零件越来越多,使用的冷变形模具种类越来越多。冷体积模锻(冷镦、冷挤压、压印等);板料冲压(如拉伸、落料、切边、冲孔等);材料轧制(冷轧、轧轮成型等)。虽然冷变形模具的种类繁多,工作条件不一,性能要求也有所不同,但基础工作情况相近:即均在冷状态下使金属变形,工作时承受较大的剪切力、压力、弯曲力、冲击力和摩擦力。有相关研究人员对熔渗后的不同配比的钨铜合金(W-20Cu,W-30Cu,W-40Cu)产品进行冷轧变形并在变形加工中进行中间退火处理,每一道次压缩5%-10%,最终可达到总变形量的50%。其中,在变形量<25%时,发生变形的仅仅是材料中的铜;而当变形量达到50%时,材料中的钨开始沿轧制方向伸长。还有一些国外学者将烧结后所得到的低密度的钨铜W-40Cu材料进行挤压、热锻和冷锻后得到钨铜棒材;用烧结密度仅为75%的钨铜W-40Cu板坯经过冷轧变形后可制成钨铜薄板;而用冷轧方坯,再经冷轧、冷拔还可制得直径为0.3mm的钨铜丝材。这种变形加工后的钨铜合金具有完全致密的组织、机械强度以及优良的导电导热性,可以实现在多个领域的应用以及满足不同需求的产品。

与冷变形加工工艺相反,热变形加工工艺指的就是在金属再结晶温度以上的塑性变形加工,其常见的加工方法有锻造和型材的热弯、热压以及热拉成型等。与冷加工变形工艺(由于加工过程打破了原金属内部的力平衡,从而造成了应力的释放,是原力平衡被打破而产生的变形,未达到金属材料的屈服点)不同,金属热变形加工发生了塑性变形达到了材料的屈服点。但是该工艺相比于冷加工变形,由于温度更难控制,在变形加工过程中无法完全确保钨铜合金材料的组织结构和各项性能的稳定性。

钨铜合金导电嘴

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检测不同三氧化钨对亚甲基蓝的脱色率

亚甲基蓝(methylene blue )又称作次甲基蓝,是一种吩噻嗪盐;其正电荷不稳定,外观为深绿色青铜光泽结晶(三水合物),熔点215ºC,闪点14℃,密度1g/mL。亚甲基蓝可溶于水/乙醇,不溶于醚类。亚甲基蓝在空气中较稳定,其水溶液呈碱性,有毒。亚甲基蓝广泛应用于化学指示剂、染料、生物染色剂和药物等方面。无水亚甲基蓝是金红色闪金光或闪古铜色光的粉状物,溶于水,酒精,氯仿,不溶于乙醚,其溶液为蓝色;遇浓硫酸呈黄光绿色;稀释后呈蓝色;水溶液中加入氢氧化钠溶液后呈紫色或出现暗紫色沉淀。

检测不同物相三氧化钨对亚甲基蓝的脱色率,首先向5mL 10mg/L亚甲基蓝染料溶液中分别加入0.0080g,水热法制备的正交相产物三氧化钨1g和0.0080g,沉淀法制备的单斜相产物三氧化钨2g,将该两项样品放置太阳光下照射3h后,取样分析。

检测结果显示:单斜相三氧化钨对染料的脱色率为97.41%,正交相三氧化钨对染料的脱色率为91.40,单斜相三氧化钨的催化活性较高,脱色率较高。这可能是因为正交相产物三氧化钨的带隙能为2.86eV,单斜相产物三氧化钨的带隙能为2.53eV。单斜相产物三氧化钨的带隙能小于正交相产物三氧化钨的,电子由低能价带跃迁至高能导带所需要的能量低。与正交相的三氧化钨相比,单斜相三氧化钨更容易发生电子跃迁,产生数量较多的电子-空穴对,因此其对亚甲基蓝的催化活性较高,使得脱色率也较高。

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三氧化钨纳米棒合成

三氧化钨纳米棒三氧化钨纳米棒合成,首先将2.77g的钨酸钠和4.77g的硫酸钠溶于67.5ml水中,搅拌均匀,用3mol/L盐酸调节pH值到1.5,搅拌30min,将上述溶液180℃水热48h,水洗3次,并用乙醇洗3次,在65℃的环境中烘干,可制备出三氧化钨纳米棒,该纳米棒是单晶的。

三氧化钨纳米棒是通过钨酸钠和硫酸钠溶于水中,搅拌均匀,调节pH值,水洗最终烘干制得三氧化钨纳米棒。在合成的过程中,选用钠盐作导向剂能合成纳米棒状三氧化钨,而硫酸盐作导向剂时产物都不呈棒状形貌,可以推测出钠离子在棒形成过程中起了决定性的作用。

制取所得的三氧化钨纳米棒通过电镜照片可以观察到,水热合成的三氧化钨呈棒状,粗细一致,长短均匀。纳米棒的长度在1-5μm之间,直径在25-40nm之间,三氧化钨纳米棒具有较高的长径比;单根三氧化钨纳米棒直径为30nm,晶格条纹清晰可见,这说明纳米棒结晶度较高;以此同时发现两种晶格条纹相互交错,相互垂直,与六角相三氧化钨相对照,可以发现这两个晶面是(001)和(200)晶面,其中(001)是生长晶面。

该制备三氧化钨纳米棒工艺虽然显示出该材料较好的应用前景,但仍处于实验室的研究阶段,还应加大研制和开发力度,加强基础研究和各领域间的交流与合作,使其研究与应用水平得到提高,从而尽快应用到工业生产中去

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三氧化钨纳米棒表征

纳米棒是一种尺度从几纳米到上百纳米的棒状纳米颗粒,具有相对稳定,及丰富的化学物理性质。纳米棒的表面等离子体共振波长可以随长宽比变化。由于它独特的光学、光电、光热、光化学、以及分子生物学性质,纳米棒在材料科学界正受到强烈的关注,并引发众多材料学家、生物化学家、医学家、物理学家、微电子工程师等科研工作者对之进行广泛和深入的研究。

三氧化钨纳米棒在生长过程中,钠离子优先吸附在三氧化钨晶面上,抑制了该晶面生长,三氧化钨纳米棒在可见光下表现出较好的光催化性能,且气敏性能测试结果表明,三氧化钨纳米棒族器皿元件工作温度低,对丙酮、三氧甲胺具有很高的灵敏度和很好的响应恢复时间,显示出该材料较好的应用前景。

当硫酸钠和钨酸钠的摩尔比为4:1时,不同水热时间产物的XRD图可以看出,当水热时间超过24h,产物才是纯六方相三氧化钨,水热时间为6h时,三氧化钨六方相(200晶面)就已经出现,而(001)晶面直到12h才出现,这表明在三氧化钨六方相晶体生长的初期(200)是优势晶面,(200)就有更多的机会吸附溶液中的钠离子,减小了三氧化钨晶体向(200)晶面生长的几率,使得三氧化钨向它的另一优势晶面(001)生长,随水热时间的延长,(001)晶面显著生长,经48h,水热反应三氧化钨纳米棒形成。

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核地雷钨合金屏蔽容器

核地雷顾名思义是在普通的地雷装药中放置核装药而制造的一种小型武器。它的组成部分包括起爆系统、核装药、电源、保险装置以及动作系统等。其使用方法同地雷一样将其埋进一定深度的土中即可,由于其具有核放射性污染和爆震波的高杀伤性因此主要被用于对抗装甲集群,以此来阻止和妨碍部队的行动。这种核地雷一般安装有定时引爆装置,也可进行远程引爆,在实际战斗中应用可以极大地节省人力和物力。
 
但核地雷的超强放射性很容易对人体造成伤害,其爆炸后散落的放射性物质也会留在爆炸区域,对周围的环境造成不可消除的污染。众所周知,钨合金的高密度特性使其具有超强的放射性辐射屏蔽效能,且钨合金无毒环保,因此将其制成屏蔽容器用来盛放核地雷是一个十分理想的选择。钨合金屏蔽容器不仅能够有效地阻隔核装药的放射性辐射,因其超强的耐磨损和耐热性也可以安全地盛放核地雷。
核地雷钨合金屏蔽容器
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