由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的製造方法
2023-05-31 17:45:56 1
專利名稱：由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種由大變形量粉冶純鎢材料構成不規則零件結構，尤其 涉及由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的製造方法。
背景技術：
鵒在地殼中含量為0.007%,我國的鎢礦資源豐富，佔世界第一位，金屬鎢 廣泛地用於現代技術的很多領域中，而鎢的精加工異型件在宇航、軍事工 業和核工業中有著重要的運用。進入2000年以後，隨著網際網路技術的飛速 發展，半導體技術的發展明顯加速，新技術應用呈如火如荼之勢，藍牙、 Wi-Fi、 3G等應用火暴展開。離子植入機是生產半導體晶園的主要設備，離 子植入機弧光反應腔內的30%零部件是由金屬鎢的精加工件構成，因此鎢 的不規則零件在IP行業有著不可替代的運用。
鎢是稀有金屬，晶體結構是體心立方，鎢的優點是熔點、強度和彈性 模量高，膨脹係數小，蒸氣壓低，導電、導熱性良好及優越的抗蝕性能， 缺點是低溫脆化和高溫氧化嚴重。由於鎢是完全的脆性物質，精細加工非 常困難。
美國在上世紀末研製開發了一種名為多孔鎢的材料一85XDENSE TUNGSTEN:
1、 85%鉤材料成分85%的鉤，15%的銅和未知粘結劑。
2、 加工工藝將85%的鎢和15%的粘結劑(銅+未知成分)混合料壓制 成型，壓製件在室溫條件下具有很好的機械加工性能，多孔鎢材料在室溫 條件下的塑性與金屬鐵差不多，因此可以達到精細化機械加工的要求。
3、 脫去粘結劑將加工完成的多孔鎢零件放入未知保護氣體的加熱爐內，加熱溫度約在120(TC，保溫一定時間處理，以去除15%的粘結劑。
4、 85%W材料優缺點優點是材料的機械切削性能高，可以製造各種不規
則的鎢異型件。缺點是材料密度低，產品內有殘留的低熔點物質，材料純
度低，產品質量不高。85XW材料是美國的專利產品，材料成本相當昂貴，
大大限制了多孔鎢材料的應用程度。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是提供了一種由粉冶純鎢材料構成的不規 則零件結構的製造方法，旨在解決上述問題；
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下步驟實現的
1. 鎢粉末的混合採用V型混合器將還原鎢粉末充分混合均勻，V型 混合器轉速為10 — 30轉/分，混合時間為8-16小時，裝料量根據V型混合 器的大小而定，為V型混合器容積的2/5-3/5;
2. 等靜壓制藉助於高壓泵的作用把流體介質壓入耐高壓的鋼體密封 容器內，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內的粉末上，粉末體在同 一時間內在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強度高的壓制 件；壓制壓力為1000Kg/cm2-2200Kg/cm2，保壓時間為30分鐘-60分鐘；
3. 鎢製品燒結燒結升溫採用階梯式升溫工藝制度，在80(TC — 1000 。C之間保溫2小時，以去除低熔點物質和氧含量；在220(TC—2350'C保溫 4_8小時，燒結總時間為20小時一26小時/爐，保護氣體為氫氣；
4. 通過鎢燒結坯熱壓力加工鎢板、棒、塊半成品
(1) 熱鍛造熱鍛造分為自由鍛造和模具鍛造二個步序，熱鍛造的開坯溫 度為145(TC — 155(TC，開坯的第一次變形量為30%—50%之間，以 後遵循一火一道次工藝原則進行熱加工，最終鍛件的變形量大於80
/b ;
(2) 熱軋制熱軋制的開坯溫度為145(TC — 155(TC，開坯的第一次變形量 為20%—40%之間，以後遵循一火一道次工藝原則進行熱加工，最終軋製件的變形量大於50%;
5. 工藝退火在氫氣保護的鉬絲爐內，將熱壓力加工的鎢製品進行消
除內應力退火處理，退火溫度為90(TC — 120(TC，保溫時間為2小時一4小 時；
6. 消除鎢製品應力源加工在10-20倍的放大鏡下，檢査鴇製品是否 有爆邊爆角，鎢製品表面是否有凹坑和裂紋
(1) 用120目一360目拋光機將鎢製品的邊角進行倒稜和倒圓，消除缺陷 和應力源；
(2) 對設備不能修復的部位，用工夾具手工進行消除缺陷和應力源。
(3) 對工夾具不能修復的部位，採用電解倒稜去毛刺；
7. 鎢製品電脈衝加工在加工過程中，使工具和工件之間不斷產生脈 衝性的火花放電，放電時局部瞬時產生的高溫把金屬蝕除下來；加工電壓 20V—25V，加工電流6A—IOA，加工壓力5Mpa—6Mpa，旋轉速度20 —120rpm， 脈寬(Ton) 4，脈尖比(Toff) 1，功率管3個一6個；
8. 鎢製品線切割加工慢走絲的參數電流1A—16A，電壓6V—26V， 速度4一6rpm，線張力1 —2550T;快走絲的參數電流1A—6A，電壓75V 一100V，脈寬(Ton) 1 — 40，脈尖l一8，脈寬/脈尖比(Toff) 5/4和5/7， 功率管1個一6個；
9.加工中心加工刀具路徑和加工參數的選擇是視工件的技術要求
而定；
10.軌道成型磨加工根據圓弧尺寸不同，選擇不同的夾具進行磨加
工；
11.精密磨拋光加工。
與現有技術相比，本發明的有益效果是打破了鎢製品深加工領域的 禁區，為鎢製品的廣泛運用，建立了工藝理論基礎；也推動了世界半導體 晶圓晶片質量的提高。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述-本發明是通過以下步驟實現的
1. 鎢粉末的混合採用V型混合器將還原鎢粉末充分混合均勻，V型
混合器轉速為10 — 30轉/分，混合時間為8-16小時，裝料量根據V型混合 器的大小而定， 一般為V型混合器容積的2/5-3/5;
2. 等靜壓制藉助於高壓泵的作用把流體介質壓入耐高壓的鋼體密封
容器內，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內的粉末上，粉末體在同 一時間內在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強度較高地壓制
件。壓制壓力為1000Kg/cm2-2200Kg/cm2，保壓時間為30分鐘_60分鐘；
3. 鎢製品燒結燒結升溫採用階梯式升溫工藝制度，在80(TC — 1000 。C之間保溫2小時，以去除低熔點物質和氧含量，在220(TC—235(TC保溫 4一8小時，燒結總時間為20小時一26小時/爐，保護氣體為氫氣；
4. 通過鎢燒結坯熱壓力加工鎢板、棒、塊半成品
熱鍛造熱鍛造加工的目的是改善組織，提高鎢金屬的綜合性能。熱
鍛造分為自由鍛造和模具鍛造二個步序，熱鍛造的開坯溫度為145(TC — 1550°C，開坯的第一次變形量為30% — 50%之間，以後遵循一火一道次工 藝原則進行熱加工，最終鍛件的變形量大於80%;
熱軋制熱軋制是對板類毛坯進行熱開坯的一種工藝手段，目的是改 善組織，提高鎢金屬的綜合性能，便於後續的深加工；熱軋制的開坯溫度 為145(TC — 155(TC，開坯的第一次變形量為20%—40%之間，以後遵循一 火一道次工藝原則進行熱加工，最終軋製件的變形量大於50%;
5. 工藝退火在氫氣保護的鉬絲爐內，將熱壓力加工的鎢製品進行消 除內應力退火處理，退火溫度為900。C一120(TC，保溫時間為2小時一4小 時；
6. 消除鎢製品應力源加工在10-20倍的放大鏡下，檢査鎢製品是有爆邊爆角，鎢製品表面是否有凹坑和裂紋
用120目一360目專用拋光機將鎢製品的邊角進行倒稜和倒圓，消除缺 陷和應力源；
對設備不能修復的部位，用工夾具手工進行消除缺陷和應力源。 對工夾具不能修復的部位，採用電解倒稜去毛刺；
7. 鎢製品電脈衝加工在加工過程中，使工具和工件之間不斷產生脈 衝性的火花放電，放電時局部瞬時產生的高溫把金屬蝕除下來；加工電壓 20V—25V，加工電流6A—IOA，加工壓力5Mpa—6Mpa，旋轉速度20 —120rpm， 脈寬(Ton) 4，脈尖比(Toff) 1，功率管3個一6個；
8. 鎢製品線切割加工電火花線切割加工的基本原理是利用移動的銅 絲或鉬絲作電極對工件進行脈衝火花放電、切割成型的。慢走絲的參數， 電流1A—16A，電壓6V—26V，速度4—6rpm，線張力1一2550T;快走絲的 參數，電流1A—6A，電壓75V—100V，脈寬(Ton) 1 — 40，脈尖l一8，脈 寬/脈尖比(Toff) 5/4和5/7，功率管1個一6個；
9.加工中心加工加工技術涉及數控加工工藝和數控編程技術兩大 方面,其中切削刀具是特定的，刀具路徑和加工參數的選擇是視工件的技術 要求而定；
10.軌道成型磨加工此設備是一臺專用磨削圓弧表面的加工裝備， 根據圓弧尺寸不同，選擇不同的夾具進行磨加工；
11.精密磨拋光加工是提高零件表面的光整度和降低表面粗糙度的 加工工序。精密磨拋光和超精研磨是運用工裝夾具進行操作。
本發明中
1、鎢粉末的混合混合是粉末成形前的一個重要工序。在粉末冶金中， 由於產品最終性能的需要或成形過程中的需要，粉末原料在成形前都要經 過一些預處理，為了得到性能均勻的原料，混合工序是必不可少的。合理 科學的鉤粉末混合工藝對得到恰當的粉末粒度分布和能源的節約尤為重要。
2、 等靜壓制等靜壓成形與一般鋼模成形相比較，它的優點是等靜壓
時
壓力通過包套同時施加於被壓粉末的整個外表面,可製取形狀複雜、密 度均勻、高度和直徑的比例以任意選擇的坯件；壓制時粉末與彈性模具的 相對移動小，所需的單位壓力低；壓坯密度均勻；壓坯強度高。
3、 鎢製品燒結燒結是粉末冶金過程中的一個關鍵性工序，也是最後 一個工序，燒結對最終產品的性能起著決定性作用；鎢的粉末壓坯在適當 的溫度和氣氛中受熱所發生的過程，燒結的結果是鎢粉末顆粒之間發生粘 結，鎢的粉末壓坯收縮和緻密化，燒結體強度和密度增加。
4、 鎢燒結坯熱壓力學加工熱壓力學加工的目的是改善組織，提高鎢 金屬的綜合性能。例如機械加工需要的原料尺寸為4)17.5mm的鎢棒，一 般鍛造工藝是將小30mm的燒結坯熱鍛造加工至d)17.5mm，其加工變形量 為(302—17.52)/302乂100%=65.97%;新的工藝加工變形量為(652—17.52) /652X100%=92.75%。鴿製品的加工變形量越大，其脆性向塑性的轉變程度 就越高，同時熱加工第一次開坯的變形量要大於50%，工件加熱溫度要科 學控制，這樣脆塑性轉變程度也越高。
5、 工藝退火經過熱壓力加工的鎢製品內部肯定有應力集中和性能不 均勻，通過氫氣保護退火處理，可以消除材料內部的應力，使材料綜合性 能更均勻。退火溫度不能高於鎢材料的再結晶溫度，如果高於再結晶溫度， 材料的脆性會變大。
6、 消除鎢製品應力源加工由於鎢是完全的脆性物質，雖然鎢的燒結 坯經過熱鍛造和熱軋制後具有一定的塑性，但鎢的晶體結構並未完全改變， 因此， 一定要消除鎢製品應力源，以提高鎢的加工性能，消除鎢製品應力 源的原則是製品任何位置都無缺陷，這個工序對以後加工過程起著最重要 的作用，本發明的一個最大亮點就是消除應力源加工貫穿了整個生產工藝的始終，其意義在於材料科學與機械加工學在此點產生了有機的結合。
7、 電火花加工電火花加工的原理是基於工件電極和工具電極之間產 生脈衝性的火花放電，放電時產生電蝕現象來去除多餘的金屬，達到尺寸 加工的目的，電脈衝加工和線切割加工都屬於電火花加工。
8、 加工中心加工加工中心加工技術在現代製造業中有著廣泛的運用，
但在純鎢材料中的加工運用幾乎為零。國外少數公司用85XW材料通過加
工中心加工的離子植入機弧光反應腔內的零部件，而本發明是用純鎢材料 通過加工中心加工製造同樣的零部件，提高了材料的密度和純度，對半導 體行業的精細化發展有著重要的促進作用。
9、 軌道成型磨加工通過加工中心加工的零件圓弧表面粗糙度一般為 0.8u-1.0u,而此設備加工的零件圓弧表面粗糙度一般為0.6u，因此軌道成型磨 的設計運用，使鎢零件圓弧表面質量有了質的飛躍，與現有的生產工藝比較， 軌道成型磨加工是一個創新。
10、 精密磨拋光加工現有的生產工藝在內腔接刀和拐角處有明顯的 接刀痕，這些部位加工粗糙度一般為l.Ou,精密磨拋光和超精研磨的運用將 這些部位加工粗糙度提高到0.4u-0.6u，與現有的生產工藝比較，精密磨拋 光和超精研磨是加工工藝的創新。
綜上所述，本發明是將材料科學、熱壓力加工學、機械加工學及現代 加工技術有機的結合，形成了工藝創新的多學科的製造方法。
本發明打破了鎢製品深加工領域的禁區，為鎢製品的廣泛運用，建立 了工藝理論基礎。
本發明推動了世界半導體晶圓晶片質量的提高。
權利要求
1. 一種由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的製造方法，是通過以下步驟實現的(1). 鎢粉末的混合採用V型混合器將還原鎢粉末充分混合均勻，V型混合器轉速為10—30轉/分，混合時間為8-16小時，裝料量根據V型混合器的大小而定，為V型混合器容積的2/5-3/5；(2). 等靜壓制藉助於高壓泵的作用把流體介質壓入耐高壓的鋼體密封容器內，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內的粉末上，粉末體在同一時間內在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強度高的壓製件；壓制壓力為1000Kg/cm2-2200Kg/cm2，保壓時間為30分鐘-60分鐘；(3). 鎢製品燒結燒結升溫採用階梯式升溫工藝制度，在800℃—1000℃之間保溫2小時，以去除低熔點物質和氧含量；在2200℃—2350℃保溫4—8小時，燒結總時間為20小時—26小時/爐，保護氣體為氫氣；(4). 通過鎢燒結坯熱壓力加工鎢板、棒、塊半成品；(5). 工藝退火在氫氣保護的鉬絲爐內，將熱壓力加工的鎢製品進行消除內應力退火處理，退火溫度為900℃—1200℃，保溫時間為2小時—4小時；(6). 消除鎢製品應力源加工在10-20倍的放大鏡下，檢查鎢製品是否有爆邊爆角，鎢製品表面是否有凹坑和裂紋；(7). 鎢製品電脈衝加工；(8). 鎢製品線切割加工；(9). 加工中心加工刀具路徑和加工參數的選擇是視工件的技術要求而定；(10). 軌道成型磨加工根據圓弧尺寸不同，選擇不同的夾具進行磨加工；(11). 精密磨拋光加工。
2. 根據權利要求1所述的由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的製造方法，其中在步驟(4)中熱鍛造熱鍛造分為自由鍛造和模具鍛造二個步序，熱鍛造的開坯溫度為145(TC — 155(TC，開坯的第一次變形量為30%—50%之間，以後遵循 一火一道次工藝原則進行熱加工，最終鍛件的變形量大於80%;熱軋制熱軋制的開坯溫度為1450。C一155(TC，開坯的第一次變形量 為20%—40%之間，以後遵循一火一道次工藝原則進行熱加工，最終軋制 件的變形量大於50%。
3. 根據權利要求1所述的由粉冶純鉤材料構成的不規則零件結構的制 造方法，其中在步驟(6)中用120目一360目拋光機將鎢製品的邊角 進行倒稜和倒圓，消除缺陷和應力源；對設備不能修復的部位，用工夾具手工進行消除缺陷和應力源。 對工夾具不能修復的部位，採用電解倒稜去毛刺。
4. 根據權利要求1所述的由粉冶純鴇材料構成的不規則零件結構的制 造方法，其中在步驟(7)中在加工過程中，使工具和工件之間不斷產 生脈衝性的火花放電，放電時局部瞬時產生的高溫把金屬蝕除下來；加工 電壓20V—25V，加工電流6A—IOA，加工壓力5Mpa—6Mpa，旋轉速度20 — 120rpm,脈寬(Ton) 4，脈尖比(Toff) 1，功率管3個一6個。
5. 根據權利要求1所述的由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的制 造方法，其中在步驟(8)中慢走絲的參數電流1A—16A，電壓6V — 26V，速度4一6rpm，線張力1—2550T;快走絲的參數電流1A—6A，電壓 75V—100V，脈寬(Ton) 1—40，脈尖l一8，脈寬/脈尖比(Toff) 5/4和 5/7，功率管1個一6個。
全文摘要
本發明涉及一種由粉冶純鎢材料構成的不規則零件結構的製造方法，是通過以下步驟實現的鎢粉末的混合；等靜壓制；鎢製品燒結；通過鎢燒結坯熱壓力加工鎢板、棒、塊半成品；工藝退火；消除鎢製品應力源加工；鎢製品電脈衝加工；鎢製品線切割加工；加工中心加工；軌道成型磨加工；精密磨拋光加工；本發明的有益效果是打破了鎢製品深加工領域的禁區，為鎢製品的廣泛運用，建立了工藝理論基礎；也推動了世界半導體晶圓晶片質量的提高。
文檔編號B22F3/24GK101530917SQ200810034449
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月11日 優先權日2008年3月11日
發明者葉志強 申請人:上海西普鎢鉬業製品有限公司