白志明，劉志陽，高道儀，楊云川

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

藥型罩材料的各項性能指標是保證破甲彈質量的關鍵因素，直接影響破甲威力[1-2]。目前國內外通常用銅或鎢作為主體元素，加入其它金屬元素，采用粉末冶金方法制備藥型罩；此方法具有成本低、威力大、生產效率高等特點[3]。鎢鎳銅合金是一種高密度、高強度、低膨脹系數(shù)和抗高溫氧化性的材料，具有無磁性、吸收射線能力強、導電性優(yōu)良、導熱性好等特點。

研究表明，用鎢合金材料制備藥型罩存在強度偏低、工藝不穩(wěn)定問題，嚴重影響彈藥的威力。一方面材料強度與其燒結后密度息息相關；另一方面，金屬冶煉過程中粒度大小和分布對燒結密度有重要影響[4-5]。因此，如何提高鎢合金的燒結密度成為研究者關注的課題之一。

分形理論是由Mandelbro于1975年提出的一種用非整數(shù)的分形維數(shù)描述客觀事物的理論，在粉體材料表征等諸多領域得到廣泛應用。大量實驗表明：體分形維數(shù)多數(shù)情況下可作為表征粉體材料粒度分布特征的一個物理量，當粒度滿足Rosin-Rammler(以下簡稱R-R分布)分布時，與分布模數(shù)有關；分形理論的應用改變了粒度分布實驗曲線為經驗公式的現(xiàn)狀。當然，用R-R分布完整描述粉體材料分布特征還需附加特征粒徑[6]。

本文通過制備鎢鎳銅復合粉體以及不同粒度分布的超細粉，并對其進行粒度測量，分析體分形維數(shù)應用的適用性；通過對不同配比鎢合金混粉燒結密度測量，得到在現(xiàn)有實驗條件下最大燒結密度時的工藝參數(shù)，對進一步研究藥型罩原料制備，提高破甲彈性能具有一定的參考作用。

1 實驗

1.1 還原粉的制備

采用霧化干燥法結合氫還原工藝制備鎢鎳銅還原粉，其中鎢、鎳、銅質量之比為92∶5∶3。選擇四水偏鎢酸銨(AMT)、六水氯化鎳和二水氯化銅為原料，采用高速離心噴霧干燥機制備鎢鎳銅復合粉體后立即進行焙燒，得到黃綠色的鎢鎳銅焙燒粉；通過在熱管式爐中通入高純度的氫氣對鎢鎳銅焙燒粉進行還原，進而得到黑色的鎢鎳銅還原粉。

1.2 鎢鎳銅超細粉及混粉制備

采用QM-QX全方位行星式球磨機對鎢鎳銅還原粉進行粉磨制備超細粉，球磨介質為α-氧化鋁，球磨時間分別為2h、4h、6h、8h、10h。隨著球磨時間的增加，團聚現(xiàn)象越來越明顯，4h以后超細粉的粒度分布不滿足R-R分布，不適于定量分析和計算。因此，用球磨機將還原粉和不同球磨時間的超細粉分別按75∶25、70∶30、65∶35不同質量比(以下簡稱粗細比)混合后得到鎢鎳銅混粉。

在后續(xù)實驗中，除粗細比為75∶25的鎢鎳銅混粉外，其他混粉一部分出現(xiàn)粒度分布結果不理想，一部分混粉燒結后效果不好，故實驗結果與討論的主要對象為粗細比為75∶25的混粉，此配比與文獻[6]中的論述結果基本相同。

1.3 壓坯與燒結

采用型號769YP-24B的手動粉末壓片機對原粉以及粗細比為75∶25的2h、4h、6h、8h、10h混粉樣品進行壓片，每片質量為4g，共壓得壓坯樣品三組，每組6個。將壓坯樣品平均分為三組，用德國Nabertherm納博熱高溫管式爐進行燒結試驗，燒結氣氛為氫氣，燒結溫度1450℃，保溫時間1h。

1.4 鎢鎳銅粉體粒度測量

采用BT-9300S型激光粒度儀對鎢鎳銅還原粉球磨后的超細粉以及不同配比的混粉進行測量，共測量18種樣品，每個樣品測量三次，獲得54份粒度檢測報告。

1.5 燒結密度測量

打磨制品表面除去可能會產生測量誤差的氧化鋁，使用JT-300E型電子比重計測量燒結后的18個燒結制品的密度。

2 結果與討論

18個燒結樣品，其中有些樣品因混料不均出現(xiàn)不同程度的表面裂紋，還有些樣品出現(xiàn)球狀金屬附著物等缺陷，可能與粉料的氧化有關，故選擇燒結后無裂紋發(fā)生的一組進行討論。

2.1 體分形維數(shù)應用的適用性

文獻[7]中提出了新的顆粒材料體分形維數(shù)數(shù)學模型，其應用條件是粒度分布滿足R-R分布。鎢鎳銅還原粉和不同球磨時間超細粉粒度分布的測量結果如圖1所示。

圖1 鎢鎳銅還原粉及不同球磨時間超細粉粒度分布圖

由圖1可知，還原粉粒度分布情況最好；隨著球磨時間的增加，團聚現(xiàn)象越來越嚴重，粒度分布越來越不符合R-R分布，4h后的超細粉用分形維數(shù)表征將會產生較大的偏差。而粗細比為75∶25 混粉的粒度測量結果表明：不同球磨時間的混粉均符合R-R分布，可以用體分形維數(shù)表征。球磨10h混粉粒度分布如圖2所示。

圖2 球磨10h混粉粒度分布測量結果

2.2 體分形維數(shù)計算

用Matlab軟件分別對鎢鎳銅還原粉及粗細比為75∶25的混粉共6組樣品的粒度分布曲線進行擬合。其中6h混粉的累積分布和頻率分布擬合結果分別如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，牛頓迭代曲線相對與雙對數(shù)擬合曲線更接近于實驗曲線。

文獻[8]指出，牛頓迭代法不僅擬合精度優(yōu)于雙對數(shù)擬合法，而且還克服了雙對數(shù)擬合存在的人為干預提高擬合精度的問題。體分形維數(shù)計算數(shù)學模型為[6]

(1)

式中：y為累計頻率；x為粒徑(μm)；xe為特征粒徑(μm)；D3為體分形維數(shù)。

圖3 6h混粉累計分布擬合圖

圖4 6h混粉頻率分布擬合圖

應用上述模型采用牛頓迭代法擬合，可得鎢鎳銅還原粉和不同球磨時間混粉體分形維數(shù)的特征粒徑，如表1所示。

表1 鎢鎳銅還原粉和混粉粒度分布特征參數(shù)測量結果

表1中：D3為牛頓迭代法體分形維數(shù)3次測量平均值；Xe為牛頓迭代3次測量特征粒徑平均值。

2.3 燒結密度與體分形維數(shù)的關系

對還原粉及粗細比為75∶25，不同球磨時間混粉燒結后無裂紋缺陷的6個燒結件進行密度測量，每個樣品測量4次，取平均值，測量結果如表2所示。

對比表1和表2可知，鎢鎳銅還原粉體分形維數(shù)和特征粒徑大，燒結密度較高；粗細比為75∶25 的混粉分形維數(shù)與密度的變化趨勢6h之前相同，6h之后相反；6h的混粉特征粒徑Xe值最小。

表2 鎢鎳銅粉體密度測量結果

3 結論

用體分形維數(shù)表征顆粒材料粒度分布特征，源于R-R分布，因此對于雙峰或多峰分布的顆粒材料不適用。

鎢鎳銅混粉的氧化程度及與還原粉的不同配比對燒結密度均有不同程度的影響，其中粗細比的最佳值為75∶25。

混粉中超細粉的粒度分布對燒結密度有影響，球磨6h得到的超細粉與還原粉混合燒結后能得最優(yōu)制品，即最佳工藝條件為還原粉與球磨6h的超細粉按質量比75∶25混合后壓坯燒結；其燒結密度為17.435g/cm3，燒結前混粉的特征粒徑為25.689μm，體分形維數(shù)為2.339。