Прутки из вольфрамовых сплавов: марки, свойства и промышленное применение

Что такое стержни из тяжелых вольфрамовых сплавов

Стержни из вольфрамового сплава, обычно называемые стержнями из тяжелого вольфрамового сплава (WHA), представляют собой двух-композитные материалы, получаемые методом жидкофазного-спекания. Каркас из зерен чистого вольфрама, обычно от 90 до 97 процентов по весу, связан матрицей из пластичного никеля-железа или никеля-меди. Готовый стержень ведет себя как металл, а не как керамика: его можно точить, шлифовать, нарезать резьбу, паять и полировать, но его плотность составляет от 17,0 до 18,5 г/см3 против 7,85 г/см3 для углеродистой стали. Механики ценят такое сочетание плотности, жесткости и обрабатываемости, поскольку оно решает проблемы, которые сталь, свинец и твердый сплав решают лишь частично.

Материал поставляется в виде круглых стержней, квадратных стержней, полос и пластин в-спеченном, шлифованном или полированном состоянии. Полуфабрикаты-, такие как заготовки и бочки, также прокатываются или куются из тех же сплавов для последующей обработки.

Стандартные марки и типичные свойства

Стержневая заготовка обычно соответствует четырем классам плотности, определенным для тяжелых сплавов на основе вольфрама в ASTM B777. По мере увеличения содержания вольфрама плотность и жесткость увеличиваются, а пластичность и тепловое расширение падают. Типичные значения для спеченного продукта показаны ниже.

Сорт	Номинальный вольфрам (мас. %)	связующее	Плотность (г/см3)	Типичная твердость (HRC)	Типичные применения
Класс 1	90 W	Ni-Fe или Ni-Cu	16.85 - 17.25	24 - 28	Экранирование, противовесы, хвостовики инструментов
Класс 2	92.5 W	Ni-Fe или Ni-Cu	17.15 - 17.85	25 - 29	Расточные оправки, шлифовальные гильзы, балласт
Класс 3	95 W	Ni-Fe или Ni-Cu	17.75 - 18.35	27 - 32	Удлинители концевых фрез, шпиндели, радиационная защита
Класс 4	97 W	Ni-Fe	18.25 - 18.85	28 - 34	Экранирование высокой плотности, аэрокосмические противовесы

Модуль упругости составляет примерно от 260 до 380 ГПа в зависимости от класса, что значительно выше 200 ГПа для легированной стали, поэтому узлы инструментов меньше прогибаются под режущей нагрузкой.

Тепловое расширение низкое, примерно от 4,5 до 6,5 микрометров на метр на кельвин, что обеспечивает стабильность размеров паяных соединений и прецизионных приспособлений.

Теплопроводность составляет от 100 до 170 Вт/м-К, что примерно в два-три раза выше, чем у легированной стали, поэтому тепло покидает зону резания, а не проникает в инструмент.

Никелевые-медные связующие не-немагнитны, что важно для креплений, используемых рядом с магнитным зажимным оборудованием или оборудованием для обработки изображений; Никель-железо мало магнитится.

Применение инструментов: удлинители концевых фрез, расточные оправки и шпиндели.

Когда режущий инструмент должен проникнуть глубоко в полость, ограничивающим фактором редко является сам резак, а тонкий стальной хвостовик, удерживающий его. Замена хвостовика из тяжелого вольфрамового сплава увеличивает массу и жесткость без увеличения диаметра, поэтому вибрация и гармоническая вибрация подавляются, и можно выполнять более тяжелые резы на более высоких скоростях шпинделя.

Удлинители концевых фрез- большой радиус действия без ущерба для жесткости, используется при обработке глубоких карманов, пресс-форм и штампов.

Расточные оправки- более высокая плотность увеличивает собственную частоту прутка и расширяет окно стабильности резания, улучшая округлость отверстия и чистоту поверхности.

Держатели инструментов и хвостовики- демпферные расточные головки и держатели для прорезывания пазов, которые сохраняют размер при большом вылете.

Шпиндели и шлифовальные гильзы- массовое демпфирование высокоскоростных-шпинделей; втулки, устойчивые к прогибу во время прецизионного шлифования.

Поскольку спеченный вольфрамовый каркас стабилен значительно выше температур, достигаемых при пайке в воздушной печи, обычно от 700 до 900 градусов Цельсия, держатели инструментов и удлинители можно паять непосредственно без отжига или потери прочности, полученной во время спекания. Стержни легко обрабатываются твердосплавным инструментом, шлифуются алмазными или CBN кругами и режутся проволокой электроэрозионной обработки или гидроабразивной струей. Материал устойчив к выкрашиванию, поскольку пластичная матрица поглощает удары, которые могут привести к растрескиванию цельного твердосплавного или керамического хвостовика, а почти -чистая форма спеченного стержня позволяет снизить затраты на материал и отделочную обработку.

Радиационная защита, противовесы и аэрокосмическое оборудование

Тяжелый сплав вольфрама эффективно ослабляет гамма- и рентгеновское излучение, поскольку его плотность от 17,0 до 18,5 г/см3 превышает плотность свинца 11,34 г/см3. При той же поверхностной плотности стенка из вольфрамового сплава может быть примерно на треть тоньше, чем свинцовая, или заданная толщина стенки может обеспечить существенно более высокий коэффициент экранирования. Вот почему этот материал широко используется для изготовления защитных покрытий для радиофармацевтических флаконов, накладок для шприцев, транспортных контейнеров, коллиматоров и аксессуаров для лучевой терапии. В отличие от свинца, он не выщелачивается и не классифицируется как токсичный тяжелый металл в соответствии с общими правилами, касающимися продукции, что упрощает обращение, маркировку и утилизацию по--сроку годности.

Та же самая плотность делает сплав стандартным решением для балансировки массы, когда объем ограничен:

Противовесы и балансировочные массы для самолетов-самолетов и вертолетов.

Противовесы для инструментов каротажа нефтяных скважин, где вес должен быть сосредоточен внутри узкого зонда.

Полосы из вольфрамового сплава перерабатываются в толкатели и другие быстроизнашивающиеся-детали самолетов.

Заготовки и бочки поставляются в виде полуфабрикатов-для ковки или прокатки в фасонные детали.

Если требуются электроды для сварки TIG, они обычно поставляются из чистого вольфрама или торированного вольфрама в классах, определенных AWS A5.12, и хранятся отдельно от тяжелого сплава, поскольку сварочным электродам требуется максимальная тепло- и электропроводность, а не максимальная плотность.

Спецификации заказа и контроль качества

В полезном запросе на стержень из вольфрамового сплава указывается класс или целевая плотность, диаметр и длина, класс допуска, прямолинейность, состояние поверхности и конечное использование. Поставщики подтверждают материал проверкой плотности методом Архимеда, химическим составом содержания вольфрама и связующего, испытанием на твердость и ультразвуковым контролем, выявляющим внутренние пустоты или градиенты плотности. К каждой партии выдается сертификат о результатах испытаний.

Параметр	Типичный диапазон поставок
Диаметр	от 3 мм до 100 мм и выше, шлифованные или-спеченные
Длина	До 600 мм, нарезка на заказ
Состояние поверхности	В виде-спеченных, механически обработанных, шлифованных или полированных
Инспекция	Плотность, химический состав, твердость, ультразвуковой контроль.
Связанные формы	Прутки, полосы, плиты, заготовки, бочки

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Является ли стержень магнитным?
Марки с никелевым-медным связующим фактически не-магнитны, в то время как никелевые-железные марки демонстрируют лишь очень слабый магнитный отклик; класс должен быть указан, если требуется магнитная прозрачность.

Вопрос: Можно ли обработать стержень из вольфрамового сплава в обычном механическом цехе?
Да. Твердосплавные токарные и фрезерные инструменты, алмазное или CBN-шлифование и проволочная электроэрозионная обработка — все это хорошо работает при условии, что при резке не происходит локального перегрева, а заготовка поддерживается из-за ее большой массы.

Вопрос: Снижает ли пайка прочность сплава?
Нет. Температура пайки от 700 до 900 градусов Цельсия остается ниже уровня, который может изменить спеченный вольфрамовый каркас, поэтому паяные сборки инструментов сохраняют свои свойства.

Вопрос: Насколько тоньше экран из вольфрамового сплава, чем свинцовый?
Поскольку плотность примерно в полтора раза превышает плотность свинца, стена примерно на треть тоньше дает сопоставимое затухание для той же проецируемой площади.

Вопрос: В чем разница между тяжелым вольфрамовым сплавом и стержнем из чистого вольфрама?
Чистый вольфрамовый стержень представляет собой однофазный-металл, очень твердый и хрупкий, а в тяжелый сплав добавлено пластичное связующее, поэтому материал можно обрабатывать на станках и он противостоит ударам при немного меньшей плотности.

Вопрос: Какие документы сопровождают доставку?
К каждой партии прилагается сертификат, подтверждающий плотность, химический состав, твердость и результаты ультразвукового контроля, прослеживаемые по номеру плавки.