一種低骨架連通度鎢銅合金材料及其製備方法
2023-08-01 17:52:21
專利名稱：一種低骨架連通度鎢銅合金材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於粉末技術冶金領域，尤其涉及一種低骨架連通度鎢銅合金的製備方法。
背景技術：
鎢銅合金由高熔點、高硬度的鎢和高導電、導熱率的銅所構成的偽合金，具有良好的導電性、抗熔焊性和高強度、高硬度等優點，目前在電子、軍工、航天等領域有著廣泛的應用。隨著科學技術的發展，工業實際應用對W-Cu材料性能的要求越來越高。傳統的鎢銅合金一般由高溫液相燒結法和熔滲法製備。高溫液相燒結法製備鎢銅合金是通過在銅熔點以上的高溫液相燒結使其緻密化。其特點是生產工序簡單易控。但缺點是燒結溫度較高、燒結時間較長、燒結密度較低(只為理論密度的90% 95%)和燒結性能較差，難以滿足使用要求。熔滲法是將鎢粉壓製成坯塊，在一定溫度下預燒製備成具有一定密度和強度的鎢骨架，然後將熔點較低的金屬銅熔化滲入到鎢骨架中，從而得到較緻密的鎢銅合金的方法。但銅含量較低的鎢銅合金利用熔滲法難以製備，且銅容易發生不均勻分布，影響材料的導電導熱性能與力學性能。隨著大規模集成電路、大功率電子器件和航空航天材料的發展，對鎢銅合金的性能也提出了更高的要求，要求材料具有(1)高的密度與緻密度；(2)更高的導電與導熱性能；( 更好的耐高溫耐燒蝕性能；(4)更好的的力學性能，尤其是抗拉強度和韌性。利用傳統方法製備的鎢銅合金已經難以滿足這些特殊的要求。利用鎢銅複合粉末製備鎢銅合金可以部分程度上改善上述問題，例如機械化合金法、溶膠-凝膠法等，但成分混合不均勻的問題並沒有從根本上得到解決。採用化學鍍的方法製備W-Cu複合粉末，在鎢粉表面包覆一層均勻、緻密的銅鍍層。利用銅包覆鎢複合粉末製備的鎢銅合金可避免鎢顆粒之間的直接接觸，為製備低骨架連通度的鎢銅合金提供良好的基礎。化學鍍銅過程中的鎢粉表面處理、沉積速率等原理性問題已進本得到解決，如中國專利ZL200910083113. 1。但實際生產鎢銅合金當中如何大幅提高鍍層厚度，使得鎢顆粒之間接觸程度儘可能低、如何通過控制混合粉末中不同粉末的比例以及等離子燒結溫度來得到具有低骨架連通度和高拉伸性能的鎢銅合金，還都屬於尚未解決的問題。
發明內容
為了解決以上問題，本發明的目的在於提供一種具有低骨架連通度與高拉伸性能的鎢銅合金的製備方法。本發明的低骨架連通度鎢銅合金的成分質量百分比為Cu含量為20 % 40 %，餘量為 W ；優選 80W%、20% Cu 或 75% ff,25% Cu 或 70% ff,30% Cu 或 65% ff,35% Cu 或 60% ff,40% Cu。上述的具有低骨架連通度和高拉伸性能的鎢銅合金的製備方法如下步驟1 選擇適當粒徑尺寸的鎢粉O 6 μ m)，利用HCl、SnCl2、PdCl2對原始鎢粉進行活化和敏化，活化劑為HCl和SnCl2,濃度為5% 30%，活化時間為30 50min ；敏化劑為 PdCl2，敏化時間為30 50min ；
步驟2 採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉，鍍液pH值為12 14，溫度為50 60°C，再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末， 最終混合粉末中的質量分數百分比為Cu含量為20% 40%，W含量為60% 80%，球磨時間1 IOh ；
步驟3 採用放電等離子燒結技術對混合粉末進行燒結，燒結溫度800 1100°C，升溫速率50 150°C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連通度的鎢銅合金。上述的化學鍍鍍液的成分為五水硫酸銅、酒石酸鉀鈉、甲醛、氫氧化鈉、二聯吡啶當中的一種或幾種。本發明相對於現有的鎢銅合金，其優勢在於
(1)本發明首先對鎢粉進行表面預處理，使鎢粉具有較好的催化活性。化學鍍主鹽為 CuSO4 ·5Η20，還原劑為甲醛。通過調整鍍液的pH值和反應溫度，提高鍍液的穩定性，並保證一定的反應速率，以得到組織分布均勻且鎢-鎢之間接觸程度低的銅包覆鎢複合粉末，這為製備具有低骨架連通度的鎢銅合金提供了良好的基礎。
(2)為了進一步降低鎢顆粒之間接觸程度，在燒結前將複合粉末再與一定比例的銅粉進行混合，將混合後的粉末放入特製的模具中進行放電等離子燒結，放電等離子燒結為固相燒結，可以增強鎢銅兩相自身的活性，改善兩相之間潤溼條件，有效利用粉末內部的自身發熱作用而進行燒結，從而得到具有低骨架連通度的鎢銅合金。
(3)低骨架連通度鎢銅合金具有良好的組織均勻性以及較高的緻密度，滿足電極用鎢銅合金高緻密度、高均勻性、高導電導熱性和良好的耐高溫耐燒蝕性能的要求；同時，低骨架連通度鎢銅合金在塑性變形過程中主要依靠銅相的滑移來協調整體變形，因而具有良好的塑性變形能力，滿足鎢銅合金應用於航天以及機械領域中特定的力學要求。
圖1為銅包覆鎢複合粉末整體形貌； 圖2為銅包覆鎢複合粉末顆粒形貌；
圖3為低骨架連通度鎢銅合金整體形貌； 圖4為低骨架連通度鎢銅合金局部放大形貌。
具體實施例方式實施例1
1、選擇直徑為4μ m的鎢粉，利用HCl、SnCl2, PdCl2對原始鎢粉進行活化和敏化，活化劑為HCl和SnCl2,濃度為10%，活化時間為30min ；敏化劑為PdCl2，敏化時間為30min ；
2、採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉末，鍍液pH值為13，溫度為50°C，再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末，最終混合粉末中的質量分數百分比為Cu含量為20%，W含量為80%，球磨時間4h ；
3、採用放電等離子燒結技術對混合後的粉末進行燒結，燒結溫度800°C，升溫速率500C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連通度的鎢銅合金。該鎢銅合金緻密度達98 %以上，顯微組織細小且均勻，具有較低的骨架連通度。實施例2
1、選擇直徑為4μ m的鎢粉，利用HCl、SnCl2, PdCl2對原始鎢粉進行活化和敏化，活化劑為HCl和SnCl2,濃度為10%，活化時間為35min ；敏化劑為PdCl2，敏化時間為35min ；
2、採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉末，鍍液pH值為13，溫度為55°C，再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末，最終混合粉末中的質量分數百分比為Cu含量為25%，W含量為75%，球磨時間4h ；
3、採用放電等離子燒結技術對混合後的粉末進行燒結，燒結溫度850°C，升溫速率 IOO0C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連通度的鎢銅合金。該鎢銅合金緻密度達98 %以上，顯微組織細小且均勻，具有較低的骨架連通度。實施例3
1、選擇直徑為3μ m的鎢粉，利用HC1、SnCl2, PdCl2對原始鎢粉進行活化和敏化，活化劑為HCl和SnCl2,濃度為10%，活化時間為40min ；敏化劑為PdCl2，敏化時間為40min ；
2、採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉末，鍍液pH值為13，溫度為60°C，再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末，最終混合粉末中的質量分數百分比為Cu含量為30%，W含量為70%，球磨時間4h ；
3、採用放電等離子燒結技術對混合後的粉末進行燒結，燒結溫度900°C，升溫速率 150°C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連通度的鎢銅合金。該鎢銅合金緻密度達98. 5 %以上，顯微組織細小且均勻，具有低的骨架連通度。實施例4
1、選擇直徑為3μ m的鎢粉，利用HC1、SnCl2, PdCl2對原始鎢粉進行活化和敏化，活化劑為HCl和SnCl2,濃度為10%，活化時間為45min ；敏化劑為PdCl2，敏化時間為45min ；
2、採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉末，鍍液pH值為13，溫度為60°C，再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末，最終混合粉末中的質量分數百分比為Cu含量為35%，W含量為65%，球磨時間4h ；
3、採用放電等離子燒結技術對混合後的粉末進行燒結，燒結溫度950°C，升溫速率 150°C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連通度的鎢銅合金。該鎢銅合金緻密度達99 %以上，顯微組織細小且均勻，具有低的骨架連通度。
權利要求
1.一種低骨架連通度鎢銅合金材料，其特徵在於鎢銅合金的成分為w含量為60 80%, Cu含量為20 40%，該合金材料是通過化學鍍結合放電等離子燒結製備得到的。
2.如權利要求1所述的材料，其特徵在於材料成分按質量百分比為80^1,20%Cu。
3.如權利要求1所述的材料，其特徵在於材料成分按質量百分比為75%W，25%CU。
4.如權利要求1所述的材料，其特徵在於材料成分按質量百分比為70%W, 30% Cu。
5.如權利要求1所述的材料，其特徵在於材料成分按質量百分比為65^1,35%Cu。
6.如權利要求1所述的材料，其特徵在於材料成分按質量百分比為60^1,40%Cu。
7.如權利要求1所述的材料，其特徵在於所述材料是通過以下過程製備的(1)採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉末，其中鎢粉直徑為2 6μπι，再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末，球磨時間1 IOh ；(2)採用放電等離子燒結技術對混合粉末進行燒結，燒結溫度800 1100°C，升溫速率為50 150°C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連接度的鎢銅合金。
8.如權利要求1所述的一種低骨架連通度鎢銅合金材料的製備方法，其特徵在於(1)選擇適當粒徑尺寸的鎢粉0 6μπι)，利用HCl、SnCl2、PdCl2對原始鎢粉進行活化和敏化，活化劑為HCl和SnCl2,濃度為5% 30%，活化時間為30 50min ；敏化劑為 PdCl2，敏化時間為30 50min ；(2)採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉，鍍液pH值為12 14，溫度為50 60°C， 再利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合，製成混合粉末，最終混合粉末中的質量分數百分比為Cu含量為20% 40%，W含量為60% 80%，球磨時間 1 IOh ；(3)採用放電等離子燒結技術對混合粉末進行燒結，燒結溫度800 1100°C，升溫速率 50 150°C /min，保溫時間5min，最終得到具有高緻密度和低骨架連通度的鎢銅合金。
9.如權利要求8所述的一種低骨架連通度鎢銅合金材料的製備方法，其特徵在於上述的化學鍍過程中鍍液的成分為五水硫酸銅、酒石酸鉀鈉、甲醛、氫氧化鈉和二聯吡啶。
全文摘要
本發明公開了一種低骨架連通度鎢銅合金及其製備方法，鎢銅合金的成分為W含量為60～80％，Cu含量為20～40％。該方法的具體步驟是步驟1、選擇鎢粉的粒徑；步驟2、鎢粉前處理按所制鎢銅合金的質量百分比計算出鎢的質量，並依照步驟1選擇的粒徑稱取鎢粉，並對鎢粉進行表面預處理；步驟3、製備複合粉末採用化學鍍的方法製備銅包覆鎢複合粉末；步驟4、混粉利用行星球磨機將銅包覆鎢複合粉末與一定比例的銅粉進行混合；步驟5、最終燒結採用放電等離子燒結技術對由步驟4製得的混合粉末進行燒結，得到低骨架連通度的鎢銅合金。本發明製備的鎢銅合金成分均勻，組織細小，導電導熱性能好，熱膨脹係數低，同時具有良好的拉伸性能，適用於電火花加工、電子封裝及航空航天材料的製備與應用領域。
文檔編號C22C1/04GK102433480SQ201110390548
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者劉金旭, 呼陟宇, 李樹奎, 王迎春, 郭文啟 申請人:北京理工大學