0 前言

我国是一个钨资源大国，钨的主要应用领域包括硬质合金、钢铁、钨基合金和钨加工材料等.其中钨基高比重（高密度）合金的年产量我国已超过3 000 t，而且品种已多达20 余种.因此，我国是一个钨基高比重合金的生产大国和消费大国.

1 高比重合金名词的由来

以钨为基的合金种类很多，其中包括W-Ni-Fe系、W-Ni-Cu 系合金、钨-银、钨-铜系电工合金等.其中W-Ni-Fe 与W-Ni-Cu 系合金由于其比重（密度）高达16.5~19.0 g/cm³，是目前能成千吨生产、性能优异、应用范围又十分广泛的一类特殊的合金，故人们将比重可达16.5 g/cm³ 以上的钨基合金称为高比重合金或钨基高比重合金.

2 高比重合金的应用范围

钨基高比重合金的应用范围很广，概括起来可分为军事工程中的应用与民用工程中的应用两个领域.

2.1 钨基高比重合金在军事工程中的应用

钨基高比重合金在军事工程中的应用主要可分为3 大类.

由于钨基高比重合金不仅比重高，而且合金的力学性能如抗拉强度也较高，W-Ni-Cu 系合金的密度可达17.5 g/cm³，抗拉强度可达750 MPa 以上，因为其中不含Fe，故可在有电磁场的情况下使用，因此是陀螺马达转子所选取的最理想的材料.转子的转数可达约100 000 r/min，在这种情况下，高比重钨基合金仍可应用.20 世纪60 年代我们成功研制出我国第一种钨基高比重合金，使其在各种军用飞机、核潜艇及各种导弹上得到成功的应用^[1-3].

W-Ni-Fe 系合金由于有高的抗拉强度和较大的塑性变形能力，因此是一种较理想的穿甲弹材料，已经广泛应用于反坦克的弹芯材料、高射机枪的弹头，在某型号用的Φ5-Φ6 的高比重合金球在每一颗导弹的战斗部可以装上20 000 颗小球，导弹爆炸后其杀伤力可达1 km^{2 [1， 2]}.

钨基高比重合金由于其比重特别高，因此广泛地应用在各种军事工程中做配重材料.一般导弹长30 m以上，在远距离飞行中将产生摆动，而使其命中率下降，因此在导弹的尾部安装上重达50 kg 的高比重配重块，便使其问题得到成功的解决.

2.2 钨基高比重合金在民用上的应用

钨合金由于具有较高的高温强度与硬度，因此在电热加工中用做砧块材料是最佳的选择.例如在汽车用的气门电热镦粗中，开始人们选用耐热钢做砧块材料，当镦粗200~300 个产品后，砧块上便可形成一个很深的凹孔，需要加工处理后才能继续使用，改用 W80-Cu 合金后，使用寿命可提高到300~500 次，但若采用W-Ni-Fe-Mo 合金做砧块材料则可提高到6 500~7 700 次，这不仅可以提高生产效率，并可以节省材料的消耗，具有十分重要的社会经济效益^[4].

由于钨基高比重合金的密度高达16.5 g/cm³ 以上，因此可在航海模型中做压载，使航海模型既具有较高的稳定性，又可减少压载体积，从而减小阻力，使其性能得以提高.在远洋抗强风浪船中选用重达10 余t的高比重合金做船体的压载，每块重达1 000 kg 以上，由于其比重较高，故相对体积大大减小，因此具有很好的使用效果.

3 上世纪60 年代的艰难起步

20 世纪60 年代初我国的粉末冶金刚刚起步，特别是钨基高比重合金的应用又涉及到军事工业，故国外相关技术资料对我国进行了严加封锁.所以我国要开展相关的科学研究几乎全靠自己去摸索，而且实验室的条件也几乎是一穷二白，什么都得自己去创造，因此我们在十分艰苦的条件下接受了上级下达的钨基高比重合金的重要任务，开始长达5 年的努力拼搏，获得我国第一代钨-镍-铜高比重合金的科研成果.

3.1 高标准的研究任务

1962 年初冶金工业部受总装743 部队和总装931 部队的委托，下达了钨基高比重合金的研究任务，要求该合金的比重（密度）≥17.5 g/cm³，抗拉强度≥75 kg/mm² 即750 MPa，而且要求该材料能在电磁场条件下使用，这就决定了该合金的钨含量应为93 %，所用黏结金属应为Cu 和Ni.任务承担单位为中南矿冶学院的新材料研究室和株洲硬质合金厂.

3.2 十分艰苦的科研条件

20 世纪60 年代我们的实验条件是很艰苦的.只有一台小型碳矽棒烧结炉，最高常用温度为1 320 ℃，又没有电解氢气，只能用气体发生器生产出少量的氢做保护气体.经过两年多的实验研究，所研究的钨基高比重合金的密度只有15 g/cm³ 左右，抗拉强度只有30 kg/mm²，与用户的要求相差甚远，这便要求在这种特定的条件下，不能继续沿着这条路线走下去，只有走出一条具有自己特色的科研路线才能达到预定的目标.

3.3 走自己的科研发展道路

要研制含钨93 %的W-Ni-Cu 合金，采用钨、镍、铜3 种粉末用球磨混合方法制取混合粉末，然后在1 320 ℃进行烧结，显然这种方法不可能达到合金高度致密化的目的.根据查到的资料与我们自己的生产实践证明，对93 %W 的合金，一般烧结温度应达1 420~1 450 ℃才能达到较高的密度.因此要用当时的条件研制93 %W 的高比重合金便必须走一条适合当时特定条件的科研路线.

经过两年多的研究促使我们走化学法配料的道路，即将钨粉与硝酸镍溶液混合均匀后，经过焙解得钨与氧化镍的混合物，经氢还原而得到W-Ni 复合粉，然后将W-Ni 复合粉倒入氯化铜溶液中，混合均匀后，再经氢还原而得到W-Ni-Cu 新态的复合粉.这一制粉工艺后来被我们命名为“二次热解还原”法.由所得到的W-Ni-Cu 复合粉末经压制成型后在1 320 ℃烧结而得到密度达17.5 g/cm³ 以上的钨基高比重合金.随后又在冷却速度方面做了大量的研究，于1965 年5 月终于获得符合用户要求的我国第一代钨基高比重合金.

3.4 我国第一个生产研制钨基高比重合金基地的诞生

我国所研制的W-Ni-Cu 高比重合金提供给用户后，很快得到用户很高的评价.1965 年10 月由全国航空材料专业组邀请的有关工厂、研究院所和高校的专家进行评审，到会专家一致认为中南矿冶学院新材料研究室所研制成功的W93-Ni-Cu 高比重合金达到陀螺转子材料的使用要求，较全面地完成了协议中委托单位所提出的性能指标.从1965 年底开始进行小批量生产试制.1985 年冶金部军工办委托湖南省冶金局召开生产定型会议，建议该产品转入批量生产.从此中国的第一个钨基高比重合金生产基地正式诞生.

4 20 世纪70 年代的蓬勃发展 4.1 研制单位如雨后春笋般的出现

由于钨基高比重合金的一系列优异性能而使其在军事工程与国民工程都有着广泛的应用^[5]，无论在品种和产量上都有着更高的要求.特别是W-Ni-Fe系合金的开发和应用更加速了我国钨基高比重合金研究与生产试剂的发展，除中南矿冶学院与株洲硬质合金厂外，又新涌现出上海钢铁研究所、北京钢铁研究院、北京有色金属研究院、四川冶金研究所、52 所、自贡硬质合金厂、上海有色冶金研究所、宝鸡有色金属研究所、北京粉末冶金研究所、北京广内难熔金属厂、山东张店粉末冶金厂等均在开展不同品种钨基高比重合金的研究与生产.

4.2 W-Ni-Fe 系高比重合金的系统开发研究

20 世纪70 年代初，北京有色金属研究院、北京钢铁研究院、中南矿冶学院、上海钢铁研究所、上海有色冶金研究所等开展W-Ni-Fe 高比重合金的研究，先后研究成95W-Ni-Fe 与WNF-185 合金，这些合金研究成功后立即在“Co₆₀医疗机”和“BJ-10 电子束直线加速器治疗机”上得到成功应用：稍后又在“小口径放射性测井仪”和“低能γ 源荧光分析仪”中得到应用.

1978 年北京有色金属研究院研制成GW-1 型多组元W-Ni-Fe 合金，性能达到同国外同类产品水平，成功用于反坦克武器的弹芯，随后又研制出综合性能更好的GW-2S 与GW-3S 合金，为我国高威力反坦克导弹的研制提供了可靠的新型高比重合金.同期北京钢铁研究院研制的GW-7 合金用做高射机枪用弹头，其穿甲弹射程可提高近10 倍.为了满足电热加工的需要，中南矿冶学院新材料研究室成功研制出WNi- Fe-Mo 钨基高比重合金在电热加工作为砧块材料，其使用寿命较常用的耐热钢提高近30 倍，具有十分显著的经济效益.

4.3 我国高比重合金开发出的系列产品

钨基高比重合金由于具有一系列优异的性能，因此使其在国防工业中得到广泛的应用，而且在量大面广的民用工业中也同样得到大量的应用.我国又是一个钨资源大国，从事钨基高比重合金的研究与生产试验的单位也很多，我国开发的钨基高比重合金可达20 多个品种，详见表 1.

5 20 世纪80、90 年代我国钨基高比重合金的研究硕果累累 5.1 国产高比重合金达到国外同类产品的水平

在我国引进英国斯贝发动机所需材料的研究中，我们曾承担了斯贝发动机使用的5 种不同规格、型号的钨基高比重合金的研究工作.认真地对英制材料进行了解剖与分析，由于我们具有较长时间的研究背景，所以在不到一年的时间内，便顺利地开发出了全部达到标准的产品，某些性能指标超过了英制标准.

当时我国正仿制欧洲某国一种高性能陀螺，其转子材料的研究任务由我们承担，合作单位不仅要求材料达到预定的各项指标，更要求在提供的每一块材料上取样做拉伸试验，并且将拉伸过的试样附在每一块材料上提供给用户.结果表明我国研制的材料完全达到了某国所研制的钨基高比重合金各项性能指标的任务.

我国渔民从大海里打捞到一枚某国出产的鱼雷，经解剖发现该鱼雷所用陀螺转子材料是钨基高比重合金，当时有关部门下达科研任务由中南矿冶学院新材料研究室承担该研究任务.经过各种性能的测试后，我们积极开发，在很短的时间内便研制其成分与性能均达到或超过该国所生产的钨基高比重合金的水平.

5.2 国家给予钨基高比重合金的研究与生产试验科技成果以很高的奖励

由于所研制的钨基高比重合金为我国国防重大军事工程作出了巨大的贡献，所以我国有关部门，从1978 年至1996 年中仅给中南大学钨基高比重合金课题组便颁发了多项奖励，如表 2、表 3 所示：

我国相关单位如北京有色金属研究院、北京钢铁研究院等也先后获得多项奖励.

5.3 钨基高比重合金标准的诞生

为使钨基高比重合金的生产试验与研究能够逐步走上规范化的道路，我国制定了相关的标准.从1989 年至2000 年我国制定的钨基高比重合金标准如表 4.

6 新技术的出现推动钨基高比重合金的研究与生产更大的发展 6.1 特种制球技术的开发

为了满足钨基高比重合金生产试验的需要，除研究成功“二次热解还原”新工艺与钨合金的液静挤压外，到20 世纪80 年代中期，一外商曾提出要求生产100 tΦ3 的高比重合金小球，从提供的图纸看出是用模压成型的.众所周知，用模压成型这种小球，为了保证压模接触面不受损坏，只好在所得小球的上下两半球面之间留有1 个约0.5 mm 的台阶.这样要得到最终为Φ3 mm 的小球便必须将毛坯的尺寸加大，使材料的利用降低约20 %.为了解决成球问题，我们便研究成功一套具有中国特色的成球技术.当我们将试样提供给外商时，外商因看不到小球上的台阶而大为惊讶！ 因政治原因该产品未能出口，但这一技术后来为我国某型号导弹的研究提供了大批Φ5~Φ6 的高质量的钨基高比重合金球，因此受到有关部门的高度评价.

6.2 钨基高比重合金挤压与注射成型技术的发展

高比重的棒料生产困扰了我国多年，当用户需要Φ4×100 的棒料时，我们便只能用模压提供Φ5~Φ6 的棒料给用户.然后用户经过大量加工后才能得到Φ4的棒料.到20 世纪80 年代中期，我们发明了一套挤压成型技术，便较好地解决了钨基高比重合金棒料问题.同样粉末注射成型技术在钨基高比重合金的应用中使一些尺寸较小、而形状又较特殊的产品的批量生产得以实现，21 世纪中南大学粉末冶金研究院采用注射成型技术在研制药型罩等较大尺寸的产品中便发挥了很好的作用.

6.3 纳米技术在钨基高比重合金研发中的运用

采用纳米技术制备的纳米级钨基高比重合金粉末具有极高的表面活性，可以大幅降低烧结温度，同时获得均匀的细晶组织，使合金的性能得到提高.因此成为国内外研究的热点.研究开发的超细/纳米钨基合金复合粉末制备的方法主要有: 高能球磨法、气体蒸发法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法、自蔓延高温还原法、喷雾干燥-热还原法、封闭缩环氧化还原法等.其中应用最广泛的为喷雾干燥-热还原法和高能球磨法.我国在这方面的研究取得了丰硕的成果^[6-8].

6.4 钨基高密度合金形变强化的研究

钨基高密度合金是一种典型的两相材料.采用粉末冶金方法制备的W-Ni-Fe 合金的抗拉强度一般只有850~1 000 MPa，延伸率介于15 %~30 %之间.然而经过塑性变形强化处理后，其抗拉强度可超过1 400 MPa，延伸率可保持在10 %左右.目前采用的形变强化的方法主要有：热挤压、旋转锻造、高压扭转、等径角挤压、轧制、静液挤压等^[9-13].我国在静液挤压法、旋转锻造、等形变强化方面已做出大量卓有成效的研究，但对钨基高比重合金的形变强化工艺、变形强化机理、热处理工艺及时效机制等方面还需继续深入进行研究.

6.5 微波烧结技术在钨基高比重合金研究中的应用

微波烧结技术被誉为“烧结技术的一场革命”，与传统的烧结方法相比，微波烧结具有如下突出的优势： 微波烧结可以使材料内部结晶结构更加均匀、致密度更高，进而可以改善和提高材料的性能；微波烧结可以实现选择性烧结，因此可以产生新的微观结构和优良性能的新材料；微波混合加热技术具有大幅度缩短烧结时间、降低烧结温度，因此可以防止在烧结过程中晶粒的长大，对于超细晶与纳米材料的制备具有重大意义；因为烧结周期的大幅度缩短，因此具有显著的节能效果，综上所述在钨基高比重合金的研究中，特别是超细-纳晶钨基高比重合金的研究具有重要的发展前景^[14-15].

到20 世纪90 年代，我国钨基高比重合金的生产试制已形成了较大规模，根据全国8 个省市14 个生产厂家的初步统计，我国钨基高比重合金的产能已达2 500 t/a.

7 我国高比重合金在国际市场上显身手

前文提到我们研制的Φ3 的高比重合金小球使外商十分惊讶，而北京有色金属研究院为外商提供的远洋抗强风浪船用配重总重量达12 t，单种达1 t.更难能可贵的是安泰科技难熔材料分公司参与钨合金大型屏蔽件的全球招标获胜，产品重达7 t，其中最大单重达1.25 t，该公司所提交的产品被Alice 合作厂家评价为“是全球少数几个具备生产该类大型钨合金产品的单位之一，以极具竞争力的价格完成了高质量的产品”.并且宣称该公司的产品以后可以获得免检的资格，安泰科技为我国高比重合金的研制技术和产品的高质量在国际上赢得了良好的声誉.

8 展望

我国钨工业经过几十年的发展，已不仅是一个钨资源大国，也是一个钨的生产大国和消费大国，而且在钨基高比重合金的研究中在多个领域已经是世界强国.特别是近20 年来，钨基高比重合金的热处理也进行了深入研究，形变强化新工艺及断裂机制的研究取得可喜的成果.可以预期再经过10 年、20 年的努力拼搏，中国不仅是世界的钨业大国，还将成为钨业强国.