タングステン合金の靭性: 特性の実際の意味
産業用バイヤーは通常、密度によってタングステン合金にアプローチします。90W グレードでは約 17 g/cm3、95W グレードでは約 18 g/cm3、97W グレードでは 18.5 g/cm3 以上です。しかし、密度だけでは完成部品が衝撃下でどのように動作するかについては何も語れません。靭性 - は、ASTM E に記載されているシャルピー法で金属に対して測定された、ノッチ付き試験片が破断する前に吸収するエネルギーです。23 - は、カウンターウェイト、ペネトレータコンポーネント、またはシールドブロックが衝撃荷重に耐えるかどうか、または破片に破壊されるかどうかを決定します。
したがって、最も丈夫なタングステン合金を特定するには、タングステン含有量を単独で比較するのではなく、タングステン粒子を結合する金属マトリックスを比較することを意味します。
商業家族とその行列
棒、棒、板、ニアネット形状として供給されるタングステン-基材は、4 つのファミリーに分類されます。{1}それらは主に、焼結タングステン粒子間の空間を埋める第 2 相が異なります。
| 家族 | 代表的な構成 | 濃度範囲 | マトリックスフェーズ | 相対的な靭性 |
|---|---|---|---|---|
| タングステン-ニッケル-鉄（W-Ni-Fe） | 90 ～ 97% W、Ni:Fe 7:3 付近 | 17.0～18.5 g/cm3 | 延性のあるNi-Fe-W固溶体 | 最高 |
| タングステン-ニッケル-銅（W-Ni-Cu） | 90 ～ 95% W、Ni:Cu ほぼ 3:2 | 17.0～18.1 g/cm3 | Ni-Cu-W 固溶体 | 適度 |
| タングステン-銅（W-Cu） | 50 ～ 90% W、残りは Cu | 11.9 ～ 16.8 g/cm3 | 連続銅線ネットワーク | 低いが導電性が高い |
| 非合金タングステンミル製品 | 99.95%W以上 | 19.3 g/cm3 | 単相、マトリックスなし | 室温で最低 |
等級付けされた重合金は、通常、等級システムに基づいて注文されます。 ASTM B777 は、W-Ni-Fe および W-Ni-Cu 組成物で構築されたタングステン-ベースの高密度金属クラス-の参照仕様です。
W-Ni-Fe 家族が最も厳しい理由
90W-6Ni-4Fe グレードでは、タングステン粒子が密度と硬度を提供し、比較的柔らかいニッケル-鉄-タングステン固溶体がタングステン粒子を取り囲んでいます。材料に荷重がかかると、そのマトリックスで変形が始まり、マトリックスが粒子から粒子へと伸びる亀裂を鈍くします。その結果、タングステンの密度と鋼に近い延性を組み合わせた複合材料が得られます。
銅を含む代替品は動作が異なります。{0}銅は同じように溶解せず、延性のあるマトリックスを形成しないため、同等の密度の 90W-6Ni-4Cu グレードは伸びが低く、衝撃エネルギーの吸収も低くなります。その利点は他にもあります。本質的に非磁性であり、機械加工が容易です。-溶浸法または混合粉末のプレスと焼結によって製造されるタングステン-銅材料は、耐衝撃性よりもむしろ熱伝導性と電気伝導性を重視して選択されますが、最大密度と高温強度が室温での脆性を上回る非合金タングステンが使用されます。
ニッケル-と-鉄の比率が延性を決定する理由
W-Ni-Fe ファミリー内で最も影響力のある単一変数は、マトリックス中のニッケルと鉄の比率です。比率が 7:3 に近い場合、マトリックスは面中心の立方体状態に保たれ、塑性変形してタングステン粒子が分離するのではなく互いに引き寄せられます。-その範囲から離れた比率では、マトリックスが脆化し、亀裂経路として機能する界面相が残る可能性があります。マトリックスの体積分率も同様に重要です。タングステンの比率が 90% から 97% に上昇すると、利用可能な延性マトリックスの量が減少するため、密度は高くなりますが、97W グレードは通常、このファミリーの靭性範囲の下限に位置します。
タフネスを上げるか破壊する処理の選択
構成によって天井が決まります。処理によって、どれだけ到達するかが決まります。
液相焼結-水素または真空中、約 1400 ～ 1600 度で、緻密な二相構造が生成されます。-。温度または保持時間が不十分であると気孔が残り、すべての気孔が亀裂の開始点となります。
冷却速度焼結後、マトリックスに再析出するタングステンの量を制御します。{0}一般に、ゆっくりと制御された冷却により、よりきれいで延性の高いマトリックスが得られます。
熱間静水圧プレスこれは気孔の最後の部分を閉じ、衝撃エネルギーを向上させるための最も効果的な単一ステップの 1 つです。
熱機械加工適度な圧下を伴うスエージングや圧延などの加工により、結晶粒が伸長し、強度と靱性の両方が向上します。これが、鍛造棒が同じグレードの焼結棒よりも優れた性能を発揮する理由です。{0}
機械加工と接合局所的な再結晶化や広範囲の熱影響領域により、健全な部品に脆性が再び導入される可能性があるため、過熱を避ける必要があります。{0}}
ジョブの最も難しいグレードを指定する方法
すべての用途に適合する単一の合金はありませんが、選択ロジックは一貫しています。
約 18 g/cm3 の最大衝撃エネルギーを得るには、鍛造、HIP- 処理された状態で、Ni:Fe 比が 7:3 に近い W-Ni-Fe グレードを指定してください。
部品が非磁性である必要がある場合、または固体から微細な形状に機械加工される場合は、W-Ni-Cu グレードの低い靭性を受け入れてください。
熱を吸収するのではなく運び去る必要がある場合は、タングステン-銅に移行し、衝撃ではなく剛性を重視して設計します。
合金名だけに依存するのではなく、購入仕様書に試験方法と許容エネルギーを記載してください。
よくある質問
Q: 97% タングステングレードは 90% グレードよりも硬いですか?
いいえ、タングステン含有量が高くなると密度と硬度が上がりますが、マトリックスの延性が低下するため、通常、吸収される衝撃エネルギーは低下します。 90% ～ 93% の W-Ni-Fe グレードは、この族の中でより厳しい端を形成します。
Q: W-Ni-Fe と W-Ni-Cu ではどちらが硬いですか?
W-Ni-Fe。そのニッケル-鉄マトリックスははるかに塑性変形し、同様の密度の W-Ni-Cu グレードよりも高い伸びと高いシャルピー エネルギーをもたらします。
Q: ニッケル-と-鉄の比率は実際にそれほど重要ですか?
はい。 7:3 に近い比率はマトリックスの延性を維持し、衝撃耐久性の標準的な選択ですが、その範囲から大幅に逸脱すると、タングステン含有量が変わらない場合でも靭性が低下します。
Q: 熱処理によりタングステン重合金の靭性を高めることができますか?
アニーリングまたは制御された冷却により応力を緩和し、マトリックス組成を変更できますが、最大の効果は通常、個別の熱処理ではなく、焼結制御、熱間静水圧プレスおよび熱機械加工によってもたらされます。
Q: 納品された材料の靭性はどのように検証されますか?
ASTM E23 に準拠したノッチ付き試験片のシャルピー衝撃試験と、引張試験および気孔率とマトリックスの分布に関する金属組織検査が行われ、すべて材料証明書に記録されます。
Q: 純粋なタングステンが最も厳しい選択肢ではないのはなぜですか?
非合金タングステンには亀裂を阻止するための延性母材がなく、延性-から-脆性への高い転移温度を示すため、密度が 19.3 g/cm3 であるにもかかわらず、室温で容易に破壊します。
