简介概要

钨铜粉末材料烧结-挤压致密化研究

来源期刊：稀有金属2006年增刊第2期

论文作者：王尔德于洋刘祖岩

关键词：钨铜复合材料; 粉末致密化; 烧结; 热静液挤压;

摘要：为探索难熔金属和铜粉末混合坯致密化工艺,提出了钨铜粉末材料液相烧结和热静液挤压致密新工艺,经过实验获得了近致密、组织细小、性能优异的复合材料.结果表明,WCu40混合粉末冷压坯的相对密度约为70%,经过液相烧结和热静液挤压,可以获得相对密度大于99.8%的钨铜(WCu38)材料.致密后材料导电率可达到41～48 m·Ω-1·mm-2,硬度可达到HB173～176.

稀有金属 2006,(S1),72-75 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.018

钨铜粉末材料烧结-挤压致密化研究

于洋王尔德

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001,黑龙江哈尔滨150001,黑龙江哈尔滨150001

摘要：

为探索难熔金属和铜粉末混合坯致密化工艺, 提出了钨铜粉末材料液相烧结和热静液挤压致密新工艺, 经过实验获得了近致密、组织细小、性能优异的复合材料。结果表明, WCu40混合粉末冷压坯的相对密度约为70%, 经过液相烧结和热静液挤压, 可以获得相对密度大于99.8%的钨铜 (WCu38) 材料。致密后材料导电率可达到41⁴8 m.Ω-1.mm-2, 硬度可达到HB173¹76。

关键词：

钨铜复合材料;粉末致密化;烧结;热静液挤压;

中图分类号： TM241

收稿日期：2006-06-30

基金：国家自然科学基金 (50575050) 资助项目;

Research on Densification of Tungsten-Copper Powders by Sintering and Hot Hydrostatic Extrusion

Abstract：

To seek a way of densification of refractory metals and copper powders, a new method to make WCu composites by sintering and hot hydrostatic extrusion was put forward, and by using this method, some WCu40 samples with fully densification, fine microstructure, and good properties were successfully obtained.The experimental results show that, the relative density of coldpressed compact is about 70%, and after sintering and hot hydrostatic extrusion, it increases to 99.8%, while the percentage composition is changed to WCu38. The specific conductance of the so-fabricated WCu composite is about 41～48 m·Ω-1·mm-2, and Brinell hardness is about 173-176.

Keyword：

WCu composites;densification of powders;sintering;hot hydrostatic extrusion;

Received： 2006-06-30

钨铜材料具有高强度、高硬度、良好的耐电弧烧蚀性和抗熔焊性等优点, 已被应用于真空开关电触头材料、电热合金和高密度合金、电阻焊、电火花加工和等离子电极材料、电镦等电加工用的电极和砧块等。目前, 各种新的可能应用还在不断地研究和开发中, 如它可以用作高速运动的固体密封件; 各种仪器仪表中无磁、低膨胀、高弹性模量, 防辐射屏蔽等特殊要求的零部件等等 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]} 。

近年来, 钨铜材料在大规模集成电路和大功率微波器件中作为基片、嵌块、连接件和散热元件得到了迅速的发展。例如, “宙斯盾”系统的AN/SPY相控阵雷达, 就采用钨铜作为雷达微波管的热沉 ^[10] 。但是, 作为微电子技术应用的钨铜材料, 需要很高的质量和性能, 如高密度、高结构均匀性和高的热、电性能, 以及良好的可加工性, 这是与常规使用的溶渗法制备的钨铜材料具有完全不同的高质量要求, 因此, 钨铜材料的制取工艺必须要有一个新的飞跃。由于钨铜互不相溶, 钨铜材料只有通过粉末冶金的方法制备。一般采用熔渗法。它是将钨粉或掺入部分铜粉的混合粉压制成坯块, 制备成具有一定密度、强度的多孔基体骨架, 然后在坯块上放置所需的铜, 当加热至铜熔化后, 铜液填充孔隙, 从而获得综合性能较为优良的钨铜材料 ^[3] 。但是熔渗法致密度仍然不高, 不能满足高性能应用的要求。

热静液挤压产生高的静水压力, 有利于粉末的致密化。结合烧结法和热静液挤压法, 本文开展了钨铜粉末烧结及热静液挤压致密化工艺及性能研究。即将冷压坯料经液相烧结初步致密, 再经过热静液挤压, 使其达到近似完全致密。

1 实验

本文所用铜粉粒度为50 μm, 纯度为99.9%; 钨粉纯度99.9%, 粒度为1~5 μm; 镍粉纯度99.9%, 粒度1~5 μm。按照比例 (钨60%, 铜39.7%, 镍0.3% (质量分数) ) 将粉末放入高能球磨机球磨桶内球磨混粉。为了防止球磨过程中粉末氧化, 球磨桶密封好并抽真空, 之后充入高纯氩气 (99.99%) , 重复一次后充入氩气达0.15 MPa。球磨时球磨桶壁采用循环水冷却。球料重量比为5∶1。转速为250 r·min^-1。混合粉末经单向冷压, 获得直径40 mm, 高50 mm的冷压坯, 随后进行液相烧结。

液相烧结是液相和固相颗粒同时共存的烧结, 其主要优点是材料致密化和均匀化的速度较快, 密度较高。本文中的烧结实验是在真空烧结炉中进行的, 烧结温度1000~1200 ℃ (热电偶指示温度) , 真空度6.6×10^-2 Pa。

热静液挤压的设备采用315 t四柱式液压机, 模具采用三层预应力套组合凹模结构。采用外层加热圈和陶瓷加热管来进行模具的预热, 模具在挤压前预热至300 ℃; 两台控温炉分别对坯料和润滑介质进行加热。

图1 铜粉 (a) 、钨粉 (b) 及混合粉末 (c) 形貌 Fig.1 Morphologies of Cu, W, and WCu40 powders

在热静液挤压工艺中, 传力润滑介质是玻璃-石墨混合粉。玻璃-石墨工作介质具有良好的液体静力学特性。

2 结果与讨论

原始电解铜粉, 形貌上表现为粗大的树枝晶, 而钨粉则是细小的颗粒状, 经球磨混粉2 h后, 细小的钨颗粒均匀分布地镶嵌在铜基体上, 见图1。

混合粉末经冷压后得到相对密度为70%的冷压坯。压制过程中加压速度不仅影响到粉末颗粒之间的摩擦状态和加工硬化程度, 而且影响到气体的逸出情况。如果加压速度过快, 气体逸出就困难, 会残留在坯料当中, 冷压坯脱模后容易开裂, 势必会影响到材料的最终性能。所以, 加压的时候采用缓慢加压的方式。

冷压坯经真空液相烧结后, 相对密度得到进一步的提高, 随烧结温度的提高, 相对密度也有很大的提高, 见图2。

从图2中可见, 对于相对密度为70%的WCu40粉末冷压坯, 1200 ℃烧结后, 相对密度可接近99%。此时, 由于烧结时产生的液相铜向外渗透, 因此, 坯料中心部位的成分有所变化, 由WCu40变为WCu38, 甚至是WCu32。

液相烧结时材料致密化和均匀化的速度较快, 材料相对密度较高, 因此, 其力学和物理性能高于相应的固相烧结材料。 W-Cu属于固液不互溶的合金, 在烧结过程中不发生成分变化, 也没有分解和析出阶段, 加入活化剂后, 进行液相烧结可以获得高致密度的合金。

热静液挤压过程中, 挤压温度越高, 材料的流动性越好, 有利于颗粒间的扩散和焊合, 这对材料最终的强度、硬度和电导性能都有着积极的影响, 但是如果温度过高, 挤压力将减小, 静水压力也减小, 反而不利于孔隙的焊合。

相对密度超过98%的烧结坯再经过挤压比为6.25, 挤压温度为900 ℃的包钢套热静液挤压变形, 其相对密度可达99.8%, 接近完全致密。

热静液挤压后致密的WCu38复合材料, 其导电率约为41~48 m·Ω^-1·mm^-2, 硬度为HB173~176 ^[11] 。部分挤压棒材样品见图3。

在热静液挤压工艺中, 合理地选择润滑介质, 不仅可以降低金属流动所需要的力, 而且对材料的最终质量也起着非常重要的作用。

图2 烧结温度对WCu40相对密度的影响 Fig.2 Effect of sintering temperature on relative density of WCu40

图3 WCu38挤压棒材样品 Fig.3 Samples of WCu38 after hot hydrostatic extrusion

玻璃-石墨润滑介质能最大限度地满足要求。石墨晶体是六方晶系层片状结构, 在剪应力作用下, 层与层之间发生相对滑动, 而且, 当层面吸附氧、蒸汽和别的一些物质时, 石墨层与层之间的结合力降低, 更容易产生滑移。在石墨中添加一定量的玻璃粉, 熔融的玻璃被吸附在石墨层中, 同样起到降低石墨层与层之间的吸附力的活性物质的作用, 而且, 熔融的玻璃本身也是一种优良的润滑剂。

热静液挤压通过大塑性变形促进粉末冶金材料的致密, 同时获得了良好的微观组织结构, 对材料整体性能的提高是非常重要的。

挤压后材料中的W颗粒十分细小, 且呈连续状