Сплав ВНЖ95
- от объёма, заполните заявку
Общая характеристика тяжёлого сплава ВНЖ-95
ВНЖ-95 — тяжёлый вольфрамовый сплав системы вольфрам–никель–железо, получаемый методом порошковой металлургии. Аббревиатура расшифровывается просто: В — вольфрам, Н — никель, Ж — железо, 95 — массовая доля вольфрама в процентах. Сплав относится к классу псевдосплавов, поскольку входящие в его состав металлы имеют слишком большую разницу температур плавления (W — 3422 °C, Ni — 1455 °C, Fe — 1538 °C), что делает невозможным их соединение обычными литейными методами.
Благодаря высокой плотности (17,6–18,1 г/см³), хорошей обрабатываемости резанием и способности эффективно поглощать гамма-излучение, ВНЖ-95 востребован в приборостроении, ядерной энергетике и оборонной промышленности. Среди тяжёлых сплавов марки ВНЖ данная марка занимает промежуточное положение по содержанию вольфрама — между ВНЖ-90 и ВНЖ-97.
Химический состав сплава ВНЖ-95
Состав регламентирован ТУ 48-19-84-81. Массовая доля компонентов указана для приготовления порошковой шихты и контролю на готовых изделиях не подлежит.
| Компонент | Массовая доля, % |
|---|---|
| W (вольфрам) | Основа (остальное) |
| Ni (никель) | 3,2–3,7 |
| Fe (железо) | 1,5–2,0 |
Вольфрам составляет не менее 95 % массы сплава и определяет его основные свойства — высокую плотность, тугоплавкость и способность поглощать ионизирующее излучение. Никель и железо образуют связующую матрицу (α-фазу), которая обеспечивает сплаву пластичность и обрабатываемость, отсутствующие у чистого вольфрама.
Соотношение Ni:Fe в сплаве ВНЖ-95 составляет примерно 7:3 — такая пропорция оптимизирует смачивание вольфрамовых частиц жидкой фазой при спекании и обеспечивает хорошее сцепление между фазами готового изделия.
Физико-механические свойства сплава ВНЖ-95
Физические характеристики
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Плотность, г/см³ | 17,6–18,1 |
| Коэффициент линейного теплового расширения (КТЛР), ×10⁻⁶/°C | 4,5–5,0 |
| Магнитные свойства | Слабомагнитный |
Плотность ВНЖ-95 приближается к плотности чистого вольфрама (19,3 г/см³) и значительно превосходит свинец (11,3 г/см³). Это ключевое преимущество при проектировании радиационной защиты: при равной толщине экран из ВНЖ-95 ослабляет гамма-излучение значительно эффективнее свинцового. При плотности тяжёлого сплава 16,5 г/см³ коэффициент поглощения γ-излучения уже в 1,5 раза выше, чем у свинца — для ВНЖ-95 с плотностью 17,6–18,1 г/см³ эта разница ещё больше.
Из-за содержания железа в связующей фазе сплав обладает слабыми ферромагнитными свойствами. Там, где требуется немагнитный материал (роторы гироскопов, элементы навигационного оборудования), применяют сплавы системы ВНМ (вольфрам–никель–медь).
Механические характеристики
Данные приведены для спечённых изделий (по ТУ 48-19-84-81).
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Предел текучести σ0,2, МПа | 680–700 |
| Предел прочности при растяжении σB, МПа | 785–950 |
| Относительное удлинение δ5, % | 5,2–12 |
| Ударная вязкость KCU, кДж/м² | 294–392 |
| Твёрдость, HRC | 20–30 |
Диапазон механических характеристик определяется конкретным соотношением компонентов внутри допуска, гранулометрическим составом исходных порошков, режимом спекания и последующей термической обработкой. Вакуумный отжиг после спекания повышает пластичность и ударную вязкость за счёт снижения водородной хрупкости и перераспределения примесей. Механо-термическая обработка (обжатие на 22–24 % с последующим отжигом) позволяет увеличить твёрдость до 36–42 HRC.
Сплав хорошо обрабатывается резанием — точением, фрезерованием, сверлением и шлифованием. Это принципиально отличает его от чистого вольфрама, обработка которого затруднена из-за хрупкости.
Микроструктура сплава ВНЖ-95
По ТУ 48-19-84-81 микроструктура ВНЖ-95 должна быть двухфазной:
| Фаза | Состав | Описание |
|---|---|---|
| γ-фаза | Почти чистый вольфрам | Округлые зёрна, образовавшиеся при рекристаллизации порошка во время жидкофазного спекания. Размер зёрен зависит от параметров спекания — от единиц до десятков микрометров |
| α-фаза (матрица) | Твёрдый раствор W в Ni–Fe | Связующая фаза, заполняющая пространство между вольфрамовыми зёрнами. Обеспечивает пластичность и вязкость разрушения всего композита |
Вольфрамовые зёрна образуют жёсткий каркас, определяющий плотность и твёрдость материала. Матрица Ni–Fe играет роль связки: она распределяет механические нагрузки между зёрнами и позволяет материалу деформироваться без катастрофического разрушения. Чем выше содержание вольфрама, тем плотнее материал, но при этом снижается доля пластичной матрицы — именно поэтому ВНЖ-97 менее пластичен, чем ВНЖ-95.
Получение ВНЖ-95 методом порошковой металлургии
Традиционные литейные технологии для сплавов системы W–Ni–Fe неприменимы: разница температур плавления вольфрама (3422 °C) и никеля (1455 °C) составляет почти 2000 °C, а плотности металлов различаются в 2–2,5 раза. Поэтому используют методы порошковой металлургии.
Типовая технологическая схема получения изделий из ВНЖ-95 включает следующие основные операции:
| Операция | Назначение |
|---|---|
| Приготовление шихты | Смешивание порошков W, Ni и Fe в заданных пропорциях. Гранулометрический состав порошков определяет конечный размер зёрен и свойства изделия |
| Прессование | Формование заготовки под давлением 100–200 МПа. Применяется как одноосное, так и гидростатическое (изостатическое) прессование — последнее обеспечивает более равномерную плотность |
| Жидкофазное спекание | Нагрев в среде водорода при 1450–1550 °C. При этой температуре Ni–Fe связка переходит в жидкое состояние, растворяет часть вольфрама и при охлаждении формирует плотный беспористый композит с округлыми W-зёрнами |
| Вакуумный отжиг | Термообработка в вакууме для удаления растворённого водорода и снижения сегрегации примесей (P, S) на межфазных границах. Повышает пластичность и ударную вязкость |
Альтернативно может использоваться метод пропитки: сначала формуют и спекают пористый вольфрамовый каркас, а затем пропитывают его расплавом Ni–Fe. В обоих случаях достигается практически полная плотность (близкая к теоретической).
Области применения тяжёлого вольфрамового сплава ВНЖ-95
Радиационная защита и ядерная техника
Основная область применения ВНЖ-95 — биологическая защита от гамма-излучения. Высокая плотность и большой атомный номер вольфрама (Z = 74) обеспечивают эффективное поглощение фотонного излучения. Из этого сплава изготавливают:
| Изделие | Назначение |
|---|---|
| Контейнеры для радиоактивных изотопов | Транспортировка и хранение источников ионизирующего излучения |
| Защитные экраны | Экранирование рабочих мест при работе с радиоактивными материалами |
| Коллиматоры | Формирование направленных пучков излучения в гамма-дефектоскопах и медицинском оборудовании |
По сравнению со свинцом, ВНЖ-95 обладает рядом преимуществ: более высокая эффективность экранирования при меньшей толщине, отсутствие токсичности, механическая прочность и стабильность формы. Изделия из тяжёлых вольфрамовых сплавов безвредны для здоровья и экологически безопасны.
Оборонная промышленность
В оборонной отрасли высокая плотность ВНЖ-95 используется для изготовления кинетических поражающих элементов — сердечников бронебойных подкалиберных снарядов и воронок для кумулятивных зарядов. Плотность, близкая к урановой (19,1 г/см³), при отсутствии радиоактивности делает тяжёлые вольфрамовые сплавы альтернативой обеднённому урану.
Приборостроение и точная механика
Благодаря сочетанию высокой плотности с хорошей обрабатываемостью, из ВНЖ-95 изготавливают:
| Изделие | Назначение |
|---|---|
| Инерционные массы и балансиры | Обеспечение компактных противовесов с максимальной массой при минимальных габаритах |
| Противовесы элеронов | Балансировка управляющих поверхностей летательных аппаратов |
| Эрозионностойкие электроды | Контактная сварка, электроэрозионная обработка |
| Виброгасители и маховики | Гашение вибраций, накопление кинетической энергии |
Сплав позволяет получать детали со сложными криволинейными поверхностями, что важно при изготовлении цилиндров, втулок и фасонных заготовок.
Сравнение ВНЖ-95 с другими марками тяжёлых сплавов
Для выбора оптимальной марки тяжёлого сплава важно понимать, чем отличаются различные составы друг от друга.
| Параметр | ВНЖ 7-3 | ВНЖ-90 | ВНЖ-95 | ВНЖ-97 |
|---|---|---|---|---|
| W, % | 90 | 90 | 95 | 97 |
| Ni, % | 7,0 | 2,5 | 3,5 | 2,0 |
| Fe, % | 3,0 | 0,5 | 1,5 | 1,0 |
| Плотность, г/см³ | ~17,0 | ~17,0 | 17,6–18,1 | ~18,5 |
| Относительное удлинение, % | до 27 | — | 5,2–12 | до 5 |
С ростом содержания вольфрама увеличивается плотность, но снижается пластичность. ВНЖ-95 обеспечивает оптимальный баланс: плотность достаточна для эффективной радиационной защиты, а пластичности хватает для обработки резанием и придания деталям сложной формы.
Формы поставки вольфрамового сплава ВНЖ-95
Изделия и заготовки из ВНЖ-95 поставляются в различных формах в зависимости от назначения:
| Форма поставки | Особенности |
|---|---|
| Прутки (штабики) | Цилиндрические заготовки различных диаметров для последующей механической обработки |
| Цилиндры и втулки | Полые и сплошные заготовки для радиационной защиты и приборостроения |
| Пластины и диски | Плоские заготовки для защитных экранов и коллиматоров |
| Фасонные заготовки | Сложнопрофильные детали по чертежам заказчика |
Поверхность спечённых заготовок должна быть свободна от трещин, раковин и расслоений. При необходимости заготовки подвергаются дополнительной механической обработке до требуемых размеров и чистоты поверхности.
Условия поставки изделий из вольфрама и вольфрамовых сплавов согласуются индивидуально с учётом технических требований заказчика.
Нормативная документация на сплав ВНЖ-95
Основным нормативным документом, регламентирующим состав и свойства сплава ВНЖ-95, является:
| Документ | Назначение |
|---|---|
| ТУ 48-19-84-81 | Технические условия на порошковые тяжёлые вольфрам-никель-железные сплавы. Устанавливает химический состав, требования к микроструктуре и механическим свойствам |
При заказе изделий из ВНЖ-95 рекомендуется указывать не только марку сплава и ТУ, но и конкретные требования к механическим свойствам, допуски на размеры и необходимость термической обработки.
Марки сплавов для промышленного применения
Al 1100 · EN-MC32110 · C65100 · M11920 · NCH-1 · SG51N · HC.4.S3(655) · A 479 (S44627) · Sn96,3Ag3,7 · NiCr22Mo-20 · 95Sn/5Ag · S31042 · DD402 · M19914 · 683D · G-NiCr 13 MoAl
