CN102161097A

CN102161097A - 一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法

Info

Publication number: CN102161097A
Application number: CN2011100318237A
Authority: CN
Inventors: 范景莲; 刘涛; 田家敏; 成会朝; 高杨
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-01-29
Filing date: 2011-01-29
Publication date: 2011-08-24

Abstract

本发明公开了一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选择钨盐和铜盐，采用溶胶-喷雾干燥-多步氢还原方法获得超细W-Cu复合粉末；步骤2：在超细W-Cu复合粉末中添加0.2-3.0wt％的低分子有机物，再将复合粉末压制成电极压坯；步骤3：将电极压坯在800-1000℃预烧，最后在1250-1400℃下烧结得到高导热导电的W-Cu电极材料。本发明制备的W-Cu电极材料致密度在98.5-99.5％，组织均匀且细小，晶粒度在1μm以下，电导率为25-30MS/m(IACS为43-52)，热导率为200-250W/(m·k)，本发明烧结工艺简单，导电导热性能好。

Description

一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料领域和粉末冶金领域，涉及一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法。本发明所制备的细晶钨铜电极材料特别适合用于电火花加工用电极材料，也可用于其它需要导电导热性好的场合。

技术背景

W-Cu复合材料具有W和Cu的优点，其密度高、热膨胀系数低，导性好、导热性好以及良好的抗电弧烧蚀性能，广泛用作电极材料。

传统的W-Cu电极材料方法一般为高温液相绕结法和熔渗法。采用高温液相烧结所制备合金材料的密度只有94-95％左右，添加Ni、Co等活化剂采用活化液相烧结，可以使致密度达到98-99％，但对合金的导电性和导热性能有不利的影响。熔渗法是先制备钨骨架，然后将Cu熔渗到钨骨架孔隙中，虽然该种方法比高温液相烧结法所制备的材料的导电导热性要好，但熔渗法限制了合金的成分和零部件的尺寸、形状，同时显微组织结构粗大，Cu容易渗出和分布不均匀，影响材料的导电导热性能和材料的变形加工性能。

近年来，随着机械加工技术不断向高精度和高复杂度水平发展，对机械加工用钨铜电极材料的提出了更高的性能要求，要求材料具有：(1)很低的气体含量和很高的致密度；(2)良好的组织均匀性；(3)更高的导热和导电性能；(4)更高的抗电弧烧蚀性。但这些特殊的要求使传统方法制备的钨铜材料已难以满足。

利用纳米复合技术制备超细/纳米W-Cu复合粉末可以在很大程度上缓解W和Cu的相溶性，从而在烧结性能方面得到改善。本专利发明人在前阶段已申请和获得了一项国家发明专利“细晶钨铜复合材料的制备方法”(专利号：ZL03143145.3)，在该发明中，将W和Cu元素粉末采用机械合金化制备纳米晶复合粉末，将粉末成型和一步烧结制备密度大于98％，晶粒度为1-2μm的W-Cu复合材料。与传统方法相比，该发明在材料致密度方面取得了很大的进步，但采用机械合金化工艺，粉末成型性差，更重要的是容易引入其它夹杂而降低材料的导热导电性能。针对机械合金化在制备超细/纳米W-Cu复合粉末方面存在的问题，本专利发明人发明了“一种超细钨铜复合粉末的制备方法”(专利号：ZL200510031446.1)，在该发明中，采用溶胶-喷雾热还原-两步氢还原的方法制备出铜含量在40-60％的超细/纳米W-Cu复合粉末，该粉末成型后能在低温下一步烧结致密化，其材料致密度在99％以上，晶粒度在1μm以下。与机械合金化方法相比，该发明的粉末成型性好，而且粉末杂质含量少，但是由于复合粉末中Cu含量较高，导致烧结后的W-Cu复合材料抗电弧烧蚀性能差，特别是用作机械加工用电极材料时，该方法制备的W-Cu材料中的Cu很容易被电弧烧蚀熔化和挥发，从而造成加工后的产品尺寸和表面精度差，不利于制备高性能的W-Cu电极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法，以满足电极用钨铜材料的高致密、高组织均匀性、高导热导电性和良好的抗电弧烧蚀性要求。本发明制备工艺简单、对设备温度要求低，可以实现大规模化的工业生产。

本发明的技术解决方案如下：

一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择钨盐和铜盐，采用溶胶-喷雾干燥-多步氢还原方法获得超细W-Cu复合粉末，所述的超细W-Cu复合粉末中，Cu质量含量为20-30％，余量为W；

步骤2：在超细W-Cu复合粉末中添加0.2-3.0wt％的低分子有机物，再将添加有低分子有机物的超细W-Cu复合粉末压制成电极压坯；

步骤3：将电极压坯在800-1000℃预烧，最后在1250℃-1400℃下烧结得到高导热导电的W-Cu电极材料。

所述的预烧时间为1-3h；所述的烧结时间为0.5-3h。

所述的低分子有机物为：石蜡(PW)、聚乙二醇(PEG)、硬脂酸(SA)、聚乙烯醇中的一种或几种。

有益效果：

(1)本发明的W-Cu电极材料组织细小且均匀，晶粒度在1μm以下，具有良好的导电和导热性能，热导率为200-250W/(m·K)，电导率为25-30MS/m(IACS为43-52)，非常适合制备机械加工用电极材料。本发明制备的W-Cu电极材料致密度在98.5-99.5％。

(2)本发明采用纳米复合技术提高了W-Cu复合粉末的烧结性能，使得烧结后的W-Cu复合材料的致密度大大提高；采用超细W-Cu复合粉末制备细晶W-Cu复合材料，提高了烧结后材料的组织均匀性，进而提高W-Cu材料的导热导电性能。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

(1)采用溶胶-喷雾干燥-多步氢还原技术制备超细W-30Cu复合粉(该步骤为现有技术，详见ZL200510031446.1)；先称取125g硝酸铜、103g偏钨酸铵和2.0g聚乙二醇-400溶于770g水，配置成晶体浓度为20wt％混合溶胶，将溶胶进行喷雾干燥，得到钨铜氧化物混合粉末前驱体，再在空气中将粉末前驱体煅烧，煅烧温度为300℃，煅烧时间为90min，得到W-30Cu的超细/纳米钨铜复合氧化物粉末，最后在H₂气氛下将超细钨铜复合氧化物粉末分别在200℃和750℃下各还原1h，得到粒度在200nm以下的超细W-30Cu复合粉。超细的尺寸是指尺寸在≤0.5μm范围内；

(2)在(1)中的超细W-30Cu复合粉末中添加0.2wt％硬脂酸【百分数0.2wt％指加入物占加入物加入前的复合粉末的重量百分比，下同】，然后在200MPa的压力下冷等静压压制成φ8mm的棒状电极压坯，压坯在950℃预烧1h，最后在1250℃烧结1.5h后得到棒状的W-30Cu电极材料，该材料致密度在99.0％以上，且组织细小、均匀，晶粒度在1μm以下，材料导热率达到220-250W/(m·K)，导电率达到27-30MS/m(IACS：46.6-51.7，IACS是相对电导率，其计算方法是样品导电率与退火态纯紫铜导电率的比值乘以100)。

实施例2：

(1)采用溶胶-喷雾干燥-多步氢还原技术制备超细W-27Cu复合粉；(该步骤为现有技术，详见ZL200510031446.1)

(2)将(1)中的超细W-27Cu复合粉末直接在220MPa的压力下冷等静压压制成φ12mm的棒状电极压坯，压坯在980℃预烧1.5h，最后在1280℃烧结2.0h后得到棒状的W-27Cu电极材料，该材料致密度在99.0％以上，且组织细小、均匀，晶粒度在1μm以下，材料导热率达到210-240W/(m·K)，导电率达到27-29MS/m(IACS：46.6-50)。

实施例3：

(1)采用溶胶-喷雾干燥-多步氢还原技术制备超细W-25Cu复合粉；(该步骤为现有技术，详见ZL200510031446.1)

(2)在(1)中的超细W-25Cu复合粉末中添加0.5wt％的石蜡，再在280MPa压力下模压压制成10mm×10mm×20mm的条状电极压坯，成坯在850℃预烧1h，最后在1300℃烧结2h后得到条状的W-25Cu复合材料，该材料致密度在99.0％以上，且组织细小、均匀，晶粒度在1μm以下，材料导热率达到210-230W/(m·K)，导电率达到26-28MS/m(IACS：44.8-48.3)。

实施例4：

(1)采用溶胶-喷雾干燥-多步氢还原技术制备超细W-20Cu复合粉(该步骤为现有技术，详见ZL200510031446.1)；

(2)在(1)中的超细W-20Cu复合粉末中添加0.6wt％的聚乙二醇，再在300MPa下模压成30mm×30mm×5mm的板状电极压坯，压坯在900℃预烧1.5h，最后在1350℃烧结1.5h后得到板状的W-20Cu电极材料，该材料致密度在98.5％以上，且组织细小、均匀，晶粒度在1μm以下，材料导热率达到200-220W/(m·K)，导电率达到25-27MS/m(IACS：43.1-46.6)。

实施例5：

(2)在(1)中的超细W-20Cu复合粉末中添加1.5wt％的低分子有机物混合物(其混合物成分为60wt％石蜡+30wt％聚乙二醇+10wt％硬脂酸)，再在260MPa下模压成200mm×50mm×10mm的板状电极压坯，压坯在900℃预烧3.0h，最后在1350℃烧结2.5h后得到板状的W-20Cu电极材料，该材料致密度在98.5％以上，且组织细小、均匀，晶粒度在1μm以下，材料导热率达到200-220W/(m·K)，导电率达到25-27MS/m(IACS：43.1-46.6)。

Claims

1.一种新型细晶钨铜电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的新型细晶钨铜电极材料的制备方法，其特征在于，所述的预烧时间为1-3h；所述的烧结时间为0.5-3h。

3.根据权利要求1或2所述的新型细晶钨铜电极材料的制备方法，其特征在于，所述的低分子有机物为：石蜡、聚乙二醇、硬脂酸、聚乙烯醇中的一种或几种。