Порошок вольфрам-никель-медь W90Ni8Cu2
- от объёма, заполните заявку
Порошок вольфрам-никель-медь (WNiCu) состава W 90 % — Ni 8 % — Cu 2 % представляет собой смесь металлических порошков, предназначенную для получения тяжёлых вольфрамовых сплавов (ВТС) методом порошковой металлургии. Тяжёлые сплавы системы W-Ni-Cu (в российской номенклатуре — ВНМ) сочетают высокую плотность вольфрама с пластичностью и обрабатываемостью, которые обеспечивает связка из никеля и меди. Содержание вольфрама в промышленных сплавах ВНМ варьируется от 90 до 97 %, а связующая матрица Ni-Cu придаёт материалу диамагнитные свойства, повышенную электро- и теплопроводность по сравнению с системой ВНЖ (вольфрам-никель-железо).
Общие сведения о тяжёлых сплавах ВНМ (вольфрам-никель-медь)
Тяжёлые вольфрамовые сплавы — класс псевдосплавов (композитных материалов) с плотностью не менее 16,5 г/см³, получаемых исключительно методами порошковой металлургии. Применение традиционного литья невозможно из-за огромной разницы температур плавления компонентов: вольфрам плавится при 3422 °C, тогда как медь — при 1085 °C, никель — при 1455 °C. Такой перепад делает получение однородного литого сплава технически нереализуемым.
Сплавы системы ВНМ отличаются от ВНЖ рядом характеристик. Никель-медная связка обеспечивает диамагнитность — критическое свойство для прецизионного приборостроения (гироскопы, гирокомпасы), где магнитные помехи недопустимы. Кроме того, сплавы ВНМ обладают более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ВНЖ. Однако прочностные характеристики ВНМ несколько уступают системе ВНЖ при прочих равных условиях.
Вольфрам в тяжёлом сплаве формирует основную фазу (γ-фаза) — округлые зёрна диаметром 20–60 мкм, распределённые в сплошной матрице (α-фаза), которая представляет собой твёрдый раствор вольфрама в сплаве Ni-Cu. Именно двухфазная структура определяет механические и физические свойства материала.
Химический состав и система маркировки порошка ВНМ
Принцип обозначения марок тяжёлых сплавов
В российской номенклатуре тяжёлые вольфрамовые сплавы с никелем и медью обозначают аббревиатурой ВНМ, где: В — вольфрам (основа), Н — никель, М — медь. Цифры после аббревиатуры указывают массовую долю никеля и меди соответственно. Содержание вольфрама определяется как остаток от 100 %.
| Марка | W, % | Ni, % | Cu, % |
|---|---|---|---|
| ВНМ 2-1 | 97 | 2 | 1 |
| ВНМ 3-2 | 95 | 3 | 2 |
| ВНМ 5-3 | 92 | 5 | 3 |
Порошковая смесь состава W 90 % — Ni 8 % — Cu 2 % не имеет стандартного обозначения в российской номенклатуре, однако формально соответствует обозначению ВНМ 8-2. В международной практике данный состав классифицируется по ASTM B777-15 как Class 1 — сплав с номинальной плотностью 17,0 г/см³ и содержанием вольфрама около 90 %.
Состав порошковой смеси W90Ni8Cu2
Массовая доля компонентов в порошковой смеси задаётся для приготовления шихты и по ТУ 48-19-90-90 контролю на готовых заготовках не подлежит. Это связано с тем, что при жидкофазном спекании происходит перераспределение элементов: вольфрам частично растворяется в связке, а состав матрицы (α-фазы) существенно отличается от исходного соотношения Ni:Cu. Соотношение Ni:Cu = 4:1 в данной смеси обеспечивает оптимальное сочетание смачиваемости и растворимости вольфрама в жидкой фазе при спекании.
| Компонент | Массовая доля, % | Роль в сплаве |
|---|---|---|
| Вольфрам (W) | 90 | Основная тугоплавкая фаза, определяет плотность и радиационную стойкость |
| Никель (Ni) | 8 | Обеспечивает смачиваемость и растворимость W в жидкой фазе, снижает температуру спекания |
| Медь (Cu) | 2 | Повышает электро- и теплопроводность, обеспечивает диамагнитность |
Физико-механические свойства спечённого сплава W90Ni8Cu2
Свойства готового изделия определяются не только химическим составом, но и режимом спекания, размером исходных частиц порошка, давлением прессования и последующей термообработкой. Ниже приведены ориентировочные значения для спечённого сплава с содержанием вольфрама около 90 %, основанные на данных из стандарта ASTM B777.
| Параметр | Значение | Примечание |
|---|---|---|
| Плотность | ≥16,85 г/см³ (номинально 17,0 г/см³) | ASTM B777 Class 1; для W92Ni5Cu3 — 17,0 г/см³ |
| Предел прочности на разрыв | 580–690 МПа | Для спечённого состояния без деформационного упрочнения |
| Относительное удлинение | 2–5 % | Зависит от режима спекания и термообработки |
| Твёрдость | 24–30 HRC | Типичный диапазон для ВНМ |
| Модуль упругости | 280–320 ГПа | Снижается с уменьшением содержания W |
| Коэффициент теплового расширения | (5,0–5,6) × 10⁻⁶ К⁻¹ | 5,60 × 10⁻⁶ для W92Ni5Cu3 |
| Теплопроводность | 100–120 Вт/(м·К) | 120 Вт/(м·К) для W92Ni5Cu3 |
| Электропроводность | 15–17 % IACS | В процентах от проводимости чистой меди |
| Магнитные свойства | Диамагнитный (немагнитный) | В отличие от ВНЖ, содержащего железо |
Важное замечание. Плотность 19,3 г/см³, указываемая в некоторых спецификациях на порошок WNiCu, является плотностью чистого вольфрама, а не тяжёлого сплава. Реальная плотность спечённого сплава W90Ni8Cu2 составляет около 17,0 г/см³. Эту разницу следует учитывать при проектировании изделий.
Сравнение свойств сплавов ВНМ и ВНЖ
Выбор между системами ВНМ и ВНЖ определяется конкретными требованиями к изделию. Ниже приведены типичные характеристики для сплавов с содержанием вольфрама около 90 %.
| Параметр | ВНМ (W-Ni-Cu) | ВНЖ (W-Ni-Fe) |
|---|---|---|
| Плотность, г/см³ | 17,0 | 16,8–17,0 |
| Предел прочности, МПа | 580–690 | 880–900 |
| Относительное удлинение, % | 2–5 | 15–18 |
| Твёрдость, HRC | 24–30 | 20–30 |
| Теплопроводность, Вт/(м·К) | 100–120 | 80–95 |
| Электропроводность, % IACS | 15–17 | 10–13 |
| Магнитные свойства | Диамагнитный | Ферромагнитный |
| Температура спекания, °C | 1400–1500 | 1450–1550 |
Сплавы ВНМ выбирают, когда требуются: диамагнитность, повышенная электро- и теплопроводность, стойкость к электроэрозии. Сплавы ВНЖ предпочтительны при необходимости высокой прочности и пластичности.
Характеристики порошковой смеси для спекания
Требования к размеру частиц
Гранулометрический состав порошковой смеси непосредственно влияет на плотность прессовки, однородность спекания и конечную микроструктуру сплава. Порошок состава W90Ni8Cu2 выпускается с размером частиц 45–120 мкм (данные спецификации поставщика). Для отдельных компонентов размер частиц может различаться:
| Компонент | Типичный размер частиц, мкм | Форма частиц |
|---|---|---|
| Порошок вольфрама (ПВ, ПВТ) | 3,5–6 (исходный), до 120 (агломерированный) | Полиэдрическая |
| Порошок никеля карбонильный (ПНК) | 5–20 | Сферическая (цепочечная) |
| Порошок меди электролитический (ПМС) | 20–100 | Дендритная |
При жидкофазном спекании мелкие частицы вольфрама растворяются в жидкой связке и переосаждаются на крупных зёрнах. В результате размер зёрен вольфрама в спечённом сплаве (20–60 мкм) значительно превышает размер исходных частиц порошка. Более тонкие исходные порошки обеспечивают более равномерную структуру, но повышают усадку при спекании.
Требования к чистоте исходных порошков
Примеси в исходных порошках критически влияют на свойства спечённого сплава. Сера, фосфор и углерод сегрегируют на межфазных границах W–связка, вызывая хрупкость. Кислород и водород могут приводить к пористости и водородному охрупчиванию. Суммарная чистота металлических компонентов порошковой смеси, как правило, составляет не менее 99,9 % по сумме основных элементов. Указание «чистота 99,95 %» в спецификациях относится именно к суммарному содержанию W + Ni + Cu за вычетом примесей.
Технология получения изделий из порошка W90Ni8Cu2
Производство изделий из тяжёлого сплава ВНМ включает несколько последовательных стадий, каждая из которых влияет на конечные свойства продукции.
Подготовка порошковой смеси
Порошки вольфрама, никеля и меди смешивают в заданных пропорциях. Смешение проводят в шаровых мельницах, планетарных смесителях или вибрационных устройствах. Время смешения составляет от нескольких часов до суток в зависимости от оборудования и объёма партии. Однородность смеси контролируют путём отбора проб из различных зон замеса. В ряде случаев к смеси добавляют пластификатор (парафин, поливиниловый спирт) для улучшения формуемости при прессовании.
Прессование заготовок
Подготовленную смесь прессуют в жёстких матрицах или методом холодного изостатического прессования (ХИП). Давление прессования составляет 100–200 МПа. При матричном прессовании достигается относительная плотность прессовки 55–65 % от теоретической. ХИП обеспечивает более равномерное уплотнение и используется для заготовок сложной формы или большой массы.
Форма и размеры прессовок задаются чертежами предприятия-потребителя с учётом усадки при спекании. Линейная усадка для сплавов ВНМ составляет 15–20 % и зависит от плотности прессовки, размера частиц исходного порошка и режима спекания.
Жидкофазное спекание порошка вольфрам-никель-медь
Спекание — ключевая стадия, определяющая свойства готового изделия. Прессовки спекают в среде водорода или в вакууме при температуре 1400–1500 °C. При нагреве происходят следующие процессы:
1. При температуре около 1085 °C начинается плавление медной составляющей связки. Именно эту температуру (с учётом влияния никеля — около 1080–1100 °C) иногда некорректно указывают как «температуру плавления» сплава WNiCu в некоторых коммерческих спецификациях.
2. По мере повышения температуры образуется жидкая фаза из Ni-Cu-W, которая смачивает зёрна вольфрама и заполняет поры. Никель обеспечивает растворимость вольфрама в жидкой фазе: в двойной системе Ni-W растворимость W составляет около 31 ат. % (16,5 мас. %).
3. Происходит растворение мелких зёрен W и их переосаждение на крупных — процесс оствальдовского созревания. Зёрна вольфрама приобретают характерную округлую (сферическую) форму.
4. Выдержка при максимальной температуре спекания составляет 60–90 минут. Превышение 120 минут может привести к избыточному росту зёрен вольфрама и снижению механических свойств.
Выбор атмосферы спекания важен: водород восстанавливает оксиды на поверхности частиц, обеспечивая хорошую смачиваемость и высокую плотность сплава. Однако остаточный водород, растворённый в связке, может вызвать водородное охрупчивание.
Термическая обработка после спекания
Для устранения водородного охрупчивания и сегрегации примесей (P, S) на межфазных границах спечённые заготовки подвергают вакуумному отжигу. Режимы термообработки:
| Вид обработки | Температура, °C | Среда | Выдержка | Назначение |
|---|---|---|---|---|
| Вакуумный отжиг | 850–1100 | Вакуум (0,133–0,013 Па) | 40–180 мин | Удаление водорода, снижение хрупкости |
| Закалка | 1050–1150 | Нагрев + быстрое охлаждение | 30–60 мин | Повышение прочности на 30–50 % |
Вакуумная дегазация при 850–900 °C существенно повышает ударную вязкость и пластичность сплава. Закалка (нагрев до 1050–1150 °C с быстрым охлаждением) позволяет увеличить предел прочности на 30–50 % за счёт измельчения структуры и усиления твёрдорастворного упрочнения матрицы.
Деформационное упрочнение тяжёлого сплава
Для получения сплавов повышенной прочности (свыше 1000 МПа) применяют деформационное упрочнение: ковку, ротационную ковку, гидростатическую экструзию, горячую прокатку. Обжатие на 20–40 % с последующим отжигом увеличивает предел прочности до 1200–1400 МПа. Однако пластичность при этом существенно снижается (до 1–5 %), что следует учитывать при проектировании нагруженных деталей.
Микроструктура спечённого сплава вольфрам-никель-медь
Спечённый сплав ВНМ имеет характерную двухфазную структуру. Округлые зёрна вольфрама (γ-фаза) размером 20–60 мкм распределены в непрерывной матрице (α-фаза) — твёрдом растворе W в Ni-Cu. Содержание вольфрама в матрице зависит от температуры и времени спекания и составляет 15–25 мас. %.
Важную роль играет контактность вольфрамовых зёрен (параметр W-W contiguity) — доля поверхности зёрен W, контактирующих непосредственно с другими зёрнами W. Чем выше контактность, тем ниже пластичность сплава, поскольку разрушение начинается именно по границам W-W. Для сплава W90Ni8Cu2 с относительно высокой долей связки (10 %) контактность ниже, чем у W95- или W97-сплавов, что обеспечивает лучшую пластичность.
Пористость качественно спечённого сплава не превышает 0,5–1 %. Допустимая пористость и количество посторонних включений регламентируются соответствующими ТУ: при размере включений 61–250 мкм — не более 5–100 шт./см², свыше 250 мкм — не более 3 шт./см².
Области применения тяжёлого сплава ВНМ (WNiCu)
Радиационная защита и медицинское оборудование
Высокая плотность тяжёлых сплавов обеспечивает эффективное поглощение γ-излучения и рентгеновского излучения. При плотности 16,5 г/см³ коэффициент поглощения γ-излучения в 1,5 раза выше, чем у свинца, при этом материал экологически безопасен (в отличие от токсичного свинца). Из сплавов ВНМ изготавливают:
— контейнеры для хранения и транспортировки радиоактивных изотопов;
— коллиматоры и щели для гамма-дефектоскопов;
— защитные экраны для рентгеновских и КТ-аппаратов;
— вкладыши для радиотерапевтических установок.
Противовесы, балансиры и инерционные элементы
Высокая плотность (в 2,1 раза выше, чем у стали, и в 1,5 раза выше, чем у свинца) позволяет создавать компактные утяжелители. Из сплавов ВНМ изготавливают:
— противовесы элеронов и рулей самолётов;
— балансировочные грузы для высокоскоростных вращающихся узлов;
— маховики и виброгасители;
— инерционные грузы для часов с автоподзаводом (по ТУ 48-19-79-83).
Электротехнические изделия из сплава WNiCu
Сочетание высокой электропроводности (15–17 % IACS), стойкости к электроискровой эрозии и тугоплавкости определяет применение ВНМ в электротехнике:
— электроды контактной сварки для работы в тяжёлых условиях;
— электроды электроэрозионной обработки;
— контакты высоковольтных выключателей;
— штампы для электровысадочных процессов;
— термокомпенсаторы в электронной технике.
Прецизионное приборостроение и навигация
Диамагнитность — ключевое преимущество системы ВНМ перед ВНЖ — делает эти сплавы незаменимыми для:
— роторов гироскопов и гирокомпасов;
— компонентов навигационных систем;
— деталей измерительных приборов, чувствительных к магнитным полям.
Оборонная промышленность
Сочетание высокой плотности, прочности и пластичности используется при производстве кинетических поражающих элементов (сердечники бронебойных подкалиберных снарядов). Для этого применяют сплавы, упрочнённые деформацией до предела прочности 1200–1400 МПа.
Формы поставки порошка и изделий из тяжёлого сплава ВНМ
Порошковая смесь W90Ni8Cu2 поставляется как в виде готовой гомогенизированной шихты, так и в виде отдельных компонентов для самостоятельного смешения потребителем. Готовые спечённые изделия из ВНМ доступны в следующих формах:
| Форма поставки | Типичные размеры | Основное применение |
|---|---|---|
| Порошковая смесь (шихта) | Фракция 45–120 мкм, фасовка от 1 кг | Изготовление изделий спеканием |
| Прутки | Ø 2–160 мм, длина до 500 мм | Балансировочные грузы, электроды |
| Штабики | Сечение до 50 × 50 мм | Противовесы, заготовки для механообработки |
| Диски и кольца | Ø до 300 мм | Роторы гироскопов, инерционные элементы |
| Заготовки по чертежам | Масса до 3 кг (по ТУ 48-19-85-83) | Детали сложной геометрии |
| Листы и пластины | Толщина 1–20 мм | Экраны радиационной защиты |
Также доступна поставка порошка вольфрама отдельно — для предприятий, готовящих смеси самостоятельно по собственным рецептурам.
Свойства сплавов ВНМ
Ниже приведена сводная таблица характеристик сплавов системы W-Ni-Cu. Данные являются типовыми и справочными.
| Параметр | W92Ni5Cu3 (ВНМ 5-3) | W95Ni3Cu2 (ВНМ 3-2) | W80Ni2Cu18 (ВД-20) |
|---|---|---|---|
| Плотность, г/см³ | 17,0 | 17,9 | 15,0 |
| Предел прочности, МПа | 583 | 650 | — |
| Относительное удлинение, % | 2,1 | 1,0 | 3,0 |
| Твёрдость, HRC | 24 | 27 | — |
| КТР, ×10⁻⁶ К⁻¹ | 5,60 | — | 5,60 |
| Электропроводность, % IACS | 17 | — | 19 |
| Теплопроводность, Вт/(м·К) | 120 | — | 110 |
Из таблицы видно, что с увеличением содержания вольфрама растёт плотность и твёрдость, но снижается пластичность. Состав W90Ni8Cu2 располагается между ВНМ 5-3 и ВНМ 3-2 по содержанию вольфрама, при этом повышенная доля связки (10 % вместо 5–8 %) обеспечивает лучшую технологичность и пластичность.
Нормативная документация на тяжёлые сплавы ВНМ
Российские технические условия
Производство заготовок из сплавов ВНМ регламентируется рядом ТУ. Основные из них:
| Обозначение ТУ | Область применения |
|---|---|
| ТУ 48-19-266-77 | Заготовки в виде дисков |
| ТУ 48-19-42-83 | Заготовки в виде электродов |
| ТУ 48-19-90-90 | Заготовки различных форм и размеров |
| ТУ 48-19-79-83 | Профильные кольца из ВНМ 5-3 (инерционные грузы для часов) |
| ТУ 48-19-85-83 | Заготовки массой до 3 кг для приборостроения |
| ТУ 48-19-95-92 | Заготовки для инерционных грузов и других целей |
Формы, размеры и допуски заготовок должны соответствовать чертежам предприятия-потребителя, согласованным с предприятием-изготовителем.
Международные стандарты на тяжёлые вольфрамовые сплавы
| Стандарт | Описание |
|---|---|
| ASTM B777-15(2020) | Стандартная спецификация на тяжёлый металл на основе вольфрама. Определяет 4 класса по плотности (Class 1–4, от 17,0 до 18,5 г/см³) |
| AMS 7725E | Авиакосмическая спецификация на спечённые заготовки тяжёлого вольфрамового сплава |
По ASTM B777 состав W90Ni8Cu2 соответствует Class 1 (non-magnetic) с минимальной плотностью 16,85 г/см³ и минимальным пределом прочности 648 МПа (94 ksi) для немагнитного варианта.
Хранение и безопасность при работе с порошком WNiCu
Металлические порошки вольфрама, никеля и меди относятся к горючим веществам. Мелкодисперсные фракции (менее 40 мкм) способны образовывать с воздухом взрывоопасные пылевоздушные смеси. При работе с порошковой смесью W90Ni8Cu2 необходимо соблюдать следующие правила:
— хранить порошок в герметичной таре в сухом помещении;
— исключить контакт с открытым огнём и источниками искр;
— использовать средства индивидуальной защиты (респиратор, перчатки, защитные очки);
— обеспечить местную вытяжную вентиляцию на рабочих местах;
— никелевая пыль относится к канцерогенным веществам (ПДК в воздухе рабочей зоны — 0,05 мг/м³ для никеля в пересчёте на NiO).
Готовые спечённые изделия из ВНМ экологически безопасны и нетоксичны в твёрдом состоянии.
Механическая обработка спечённых изделий из ВНМ
Тяжёлые сплавы системы W-Ni-Cu хорошо поддаются механической обработке — точению, фрезерованию, шлифованию, сверлению. Это выгодно отличает их от чистого вольфрама, который из-за высокой твёрдости и хрупкости крайне трудно обрабатывается обычным инструментом. Повышенное содержание связки (10 % для W90Ni8Cu2) дополнительно улучшает обрабатываемость по сравнению с составами W95 и W97.
Особенности токарной и фрезерной обработки
При токарной обработке рекомендуется применять твёрдосплавный инструмент группы ВК (вольфрамокобальтовые пластины) или инструмент с покрытием TiN/TiAlN. Скорость резания выбирается в диапазоне 30–80 м/мин, подача — 0,05–0,15 мм/об, глубина резания — 0,3–2 мм. Сплавы ВНМ формируют сливную стружку при достаточной пластичности связки, что облегчает управление стружкоотводом.
Важно контролировать нагрев в зоне резания: при перегреве возможно налипание мягкой матрицы Ni-Cu на режущую кромку инструмента. Рекомендуется обильное охлаждение СОЖ на водной основе. Инструмент из быстрорежущей стали (Р6М5, Р18) допустим, но изнашивается быстрее из-за абразивного воздействия зёрен вольфрама.
Шлифование и электроэрозионная обработка
Финишная обработка поверхности выполняется алмазным или карбидокремниевым шлифовальным инструментом. Достижима шероховатость Ra 0,4–0,8 мкм. Для деталей сложной геометрии, где механическая обработка затруднена, применяется электроэрозионная обработка (ЭЭО). Сплавы ВНМ обладают хорошей стойкостью к электроискровой эрозии, что позволяет получать точные профили при проволочной ЭЭО.
Контроль качества порошка и спечённых изделий ВНМ
Входной контроль порошковой смеси
При приёмке порошка W90Ni8Cu2 контролируют:
— химический состав (рентгенофлуоресцентный анализ, атомно-эмиссионная спектрометрия);
— гранулометрический состав (ситовый анализ по ГОСТ 18318 или лазерная дифракция);
— насыпную плотность (метод воронки по ГОСТ 19440);
— текучесть (метод воронки Холла по ГОСТ 20899);
— содержание кислорода и влаги (метод восстановительного плавления).
Соответствие гранулометрического состава заданному диапазону (45–120 мкм для рассматриваемого порошка) критически важно для обеспечения равномерной плотности прессовок и предсказуемой усадки при спекании.
Контроль спечённых заготовок
Качество спечённых изделий оценивают по следующим параметрам:
— плотность (гидростатическое взвешивание по ГОСТ 18898);
— механические свойства (испытания на растяжение, измерение твёрдости);
— пористость (металлографический анализ шлифов);
— макро- и микроструктура (оптическая и электронная микроскопия);
— ультразвуковая дефектоскопия (для ответственных деталей);
— геометрические размеры и отклонения формы.
Допускаются незначительные сколы и выкрашивания на поверхности, если они не выводят размеры за пределы допускаемых отклонений. На поверхности заготовок массой свыше 300 г требования к пористости регламентируются конкретными ТУ.
Типичные дефекты спечённых изделий и их причины
Технологические нарушения при изготовлении деталей из ВНМ приводят к характерным дефектам, знание которых помогает инженеру-технологу оперативно корректировать процесс.
| Дефект | Вероятная причина | Способ устранения |
|---|---|---|
| Повышенная пористость (более 1 %) | Недостаточная температура или время спекания; загрязнение порошка оксидами | Увеличить температуру спекания на 10–20 °C; улучшить восстановительную атмосферу |
| Деформация (оплывание) заготовки | Избыточная температура спекания; избыток жидкой фазы | Снизить температуру; уменьшить время выдержки |
| Хрупкое разрушение по границам зёрен | Водородное охрупчивание; сегрегация S и P на границах | Вакуумный отжиг при 850–1100 °C |
| Неоднородность плотности | Неравномерное уплотнение при прессовании; плохое смешение порошков | Применить ХИП; увеличить время смешения |
| Крупнозернистая структура | Длительная выдержка при температуре спекания (более 120 мин) | Сократить время выдержки; снизить температуру |
| Трещины при охлаждении | Слишком быстрое охлаждение; остаточные напряжения | Применить контролируемое охлаждение; ввести промежуточный отжиг |
Влияние соотношения Ni:Cu на свойства тяжёлого сплава
В порошковой смеси W90Ni8Cu2 соотношение Ni:Cu составляет 4:1. Это соотношение существенно влияет на процесс спекания и конечные свойства сплава. Никель обеспечивает растворимость вольфрама в жидкой фазе — без никеля медь практически не растворяет вольфрам, что делает невозможным жидкофазное спекание с образованием плотной структуры. Именно поэтому в двухкомпонентных сплавах W-Cu (марки ВМ и ВД) применяют иную технологию — пропитку пористого вольфрамового каркаса расплавленной медью.
Увеличение доли меди в связке повышает электро- и теплопроводность, но снижает прочность и температуру начала жидкофазного спекания. Увеличение доли никеля улучшает смачиваемость, повышает растворимость W в матрице и прочность, однако несколько снижает электропроводность. Соотношение 4:1 (Ni:Cu) является одним из наиболее сбалансированных для получения сочетания хорошей спекаемости, достаточной прочности и повышенной электропроводности.
Применение порошка ВНМ в аддитивных технологиях
Развитие аддитивного производства (3D-печати металлами) открывает возможности для использования порошковых смесей W-Ni-Cu в методах селективного лазерного спекания (SLS) и электронно-лучевого плавления (EBM). Однако на практике аддитивное изготовление тяжёлых вольфрамовых сплавов сопряжено с рядом трудностей: разная температура плавления компонентов, высокая отражательная способность вольфрама для лазерного излучения, склонность к образованию трещин при быстром охлаждении.
Для аддитивных технологий предъявляются повышенные требования к порошку: сферическая форма частиц, узкий диапазон размеров (15–45 мкм или 45–105 мкм), высокая текучесть и насыпная плотность. Порошок состава W90Ni8Cu2 с фракцией 45–120 мкм может использоваться в некоторых процессах аддитивного производства, однако для SLS/SLM предпочтительны более тонкие фракции. Исследования в данной области ведутся, и аддитивное производство из ВНМ пока не получило широкого промышленного распространения.
Рекомендации по выбору состава ВНМ для различных задач
Выбор конкретного состава тяжёлого сплава определяется эксплуатационными требованиями к изделию:
| Задача | Рекомендуемый состав | Обоснование |
|---|---|---|
| Максимальная радиационная защита | ВНМ 2-1 (W97Ni2Cu1) или ВНМ 3-2 (W95) | Максимальная плотность → максимальное поглощение |
| Роторы гироскопов, прецизионные балансиры | ВНМ 5-3 (W92) или W90Ni8Cu2 | Диамагнитность + хорошая обрабатываемость |
| Электроды контактной сварки | W90Ni8Cu2 или ВНМ 5-3 | Высокая электропроводность и стойкость к эрозии |
| Детали сложной формы | W90Ni8Cu2 | Повышенная доля связки → лучшая пластичность и обрабатываемость |
| Экономия массы при высокой плотности | ВНМ 3-2 (W95) | Более высокая плотность при меньшем объёме |
Состав W90Ni8Cu2 с повышенным содержанием связки (10 %) является компромиссным вариантом, сочетающим достаточную плотность (17,0 г/см³) с хорошей технологичностью. Увеличенная доля никель-медной матрицы облегчает механическую обработку, улучшает заполнение пресс-форм сложной геометрии и обеспечивает лучшую свариваемость по сравнению с составами W95 и W97.
Более подробную информацию о сплавах ВНМ можно найти на странице сплава ВНМ 3-2. Для подбора оптимального состава порошковой смеси под конкретную задачу рекомендуется связаться с нашими специалистами.
