CN104561915A - 一种大尺寸钼铌靶材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸钼铌靶材的制备方法，采用独特的球磨工艺，球磨机内衬材料与磨球均为钼或铌为母体的合金，引入的杂质很少，可保证靶材的高纯度；经球磨、真空烧结使粉末粒度均匀，烧结组织均匀，包套处理防止了钼铌靶材氧化或者氢化而生成脆性相，保证了钼铌合金的可塑性，解决了低成大尺寸钼铌靶材的难题。发明的效果和益处是在制造成、产品性能、规模化生产和环境友好等方面都展现出显著的竞争优势和利润空间。

Description

一种大尺寸钼铌靶材的制备方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸钼铌靶材的制备方法，属于薄膜材料制备技术领域，特别涉及到高纯粉末球磨技术和包套锻轧技术。

背景技术

随着平面显示器和触摸屏的不断发展，目前市场对大尺寸的平面显示和触摸屏需求越来越旺盛，因此对钼铌靶材的尺寸要求越来越高。

目前主流的钼铌靶材制备方法有三种：其一，热等静压烧结法，即把钼铌原料混合后，通过热等静压烧结的方式获得高密度大尺寸高纯度的钼铌靶材，日本日立金属有限公司即是采用此工艺进行生产。但该工艺设备投资大，热等静压烧结设备需要几千万的投资，而且烧结坯需要采用线切割切割，一片尺寸为1200*200*10mm的钼铌靶材需要3天的切割时间，生产效率很低。其二，机械合金化方法，即把钼铌粉末在高能球磨机中球磨混合至达到合金化的程度，使粉末基本呈钼相的性质，然后经过氢气烧结、轧制、热处理、机加工获得钼铌靶材。该工艺目前被奥地利攀时公司所掌握，相比热等静压法，成本比较低，但该工艺对粉末纯度要求很高，且高能球磨过程中极易引入其他杂质，工艺要求十分严格。其三，类钼靶材制备法，此方法为国内一些企业直接沿用纯钼靶材的制备方法来生产钼铌靶材，结果导致只能生产小尺寸的钼铌靶材，而800mm长度以上的钼铌靶材成材率不足30%。

造成上述现状的原因是因为，目前市场上可以提供的高纯钼粉一般粒度在2μm~5μm，而铌粉一般在200目~300目（相当于48μm~75μm）之间，两者直接混合后，在高温烧结过程中铌粉类似大颗粒杂质的形态镶嵌在钼粉之中，在热锻或热轧过程中，烧结体极易开裂成为废品。要解决该问题，使钼铌靶材具有良好的可塑性，必须降低合金粉末中铌粉的粒度，但是市场上纳米铌粉的价格十分昂贵，是普通铌粉的十几倍。

近年来虽然发展了多种大尺寸钼铌靶材的制备方法，总的来说，这些方法均存在成本高、效率低、纯度低、晶粒不均匀等问题。因此，发展大尺寸和低成本的钼铌靶材制备技术一直是研究的热点。

发明内容

本发明旨在获得低成本的大尺寸钼铌靶材，以提高生产效率和降低综合成本。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，按照下述步骤完成：

1）把钼粉和铌粉按照重量比1:2~2:1加入球磨机中球磨混合；所述球磨机内衬及磨球采用铌碳硬质合金；

2）继续添加钼粉，使钼粉和铌粉的重量比达到9:1，然后在V型混料机中进行混合；

3）将混合好的钼粉和铌粉冷等静压成型，得钼铌坯；

4）将钼铌坯进行高温烧结；

5）烧结后的钼铌坯包裹不锈钢包套，抽气体密封处理，加热至1300℃~1400℃进行轧制，然后900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品；

所采用的钼粉平均粒度为1μm ~5μm，所采用的铌粉平均粒度为30μm ~100μm。

步骤1）所述球磨机为滚筒式、搅拌式、振动式或者行星式。

步骤1）所述球磨时间4h~20h。

步骤2）所述在V型混料机中进行混合的时间为30min~100min。

步骤3）所述冷等静压成型压力为170MPa~250MPa。

步骤4）所述真空烧的最高温度为1850℃~2000℃，保温时间20h~35h。

本发明有益效果在于：

一、钼粉与铌粉比例为1:1混合球磨后，粉末平均粒度为2μm~8μm，粒度分布良好。而直接取铌粉进行相同的球磨工艺，铌颗粒呈薄片状，平均粒度仍在30μm以上，仍需与钼粉继续混合球磨才能达到预期。

二、球磨装置内壁、磨球及其他可能与钼铌粉末接触部位全部采用铌碳硬质合金制备，有效防止球磨过程中除钼和铌以外的杂质引入。

三、采用包套处理后，钼铌烧结体在箱式炉中加热至1300℃以上，再经轧制变形后，钼铌靶材在长度方向可延伸3-5倍没有裂纹出现，表现出良好的延展性；与不加包套的工艺相比，延展性明显提高，且钼铌靶材综合利用率高，达到90%以上。

四、钼铌靶材随着延展性的提高，致密度也有一定的提高。

具体实施方式

为了更清晰的阐述本发明结构特征和工艺过程，下面结合具体实施方式来对本发明进行详细说明。

实施例1

购买市售纯度为99.95%、平均粒度为2.8μm的钼粉和纯度为99.5%、平均粒度为45μm的铌粉；首先钼粉与铌粉按1:1的重量比在行星式球磨机中球磨混合5h；所述球磨机内衬及磨球采用铌碳硬质合金；然后再继续加入钼粉，达到Mo/Nb=9:1的总重量配比，在V型混料机中混合60min；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为220MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内进行高温烧结，最高烧结温度为1900℃，保温27h。接着钼铌烧结体包裹不锈钢包套，并抽气体密封处理，然后在箱式炉中加热至1350℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至1200mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.95%、致密度为99.1%。

实施例2

购买市售纯度为99.95%、平均粒度为5μm的钼粉和纯度为99.5%、平均粒度为100μm的铌粉；首先钼粉与铌粉按2:1的重量比在滚筒式球磨机中球磨混合5h；所述球磨机内衬及磨球采用铌碳硬质合金；然后再继续加入钼粉，达到Mo/Nb=9:1的总重量配比，在V型混料机中混合100min；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为250MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内进行高温烧结，最高烧结温度为2000℃，保温20h。接着钼铌烧结体包裹不锈钢包套，并抽气体密封处理，然后在箱式炉中加热至1400℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至1300mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.96%、致密度为99.2%。

实施例3

购买市售纯度为99.95%、平均粒度为1μm的钼粉和纯度为99.5%、平均粒度为30μm的铌粉；首先钼粉与铌粉按1:2的重量比在搅拌式球磨机中球磨混合4h；所述球磨机内衬及磨球采用铌碳硬质合金；然后再继续加入钼粉，达到Mo/Nb=9:1的总重量配比，在V型混料机中混合30min；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为170MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内进行高温烧结，最高烧结温度为1920℃，保温27h。接着钼铌烧结体包裹不锈钢包套，并抽气体密封处理，然后在箱式炉中加热至1300℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至1000mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.96%、致密度为99.0%。

实施例4

钼粉与铌粉原料与实施例1相同；首先钼粉与铌粉按1:1的重量比在振动式球磨机中球磨混合10h；所述球磨机内衬及磨球采用铌碳硬质合金；然后再继续加入钼粉，达到Mo/Nb=9:1的总重量配比，在V型混料机中混合60min；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为220MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内进行高温烧结，最高烧结温度为1850℃，保温35h。接着钼铌烧结体包裹不锈钢包套，并抽气体密封处理，然后在箱式炉中加热至1350℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至1500mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.94%、致密度为99.2%。

对比例1

钼粉与铌粉原料与实施例1相同；首先铌粉在行星式球磨机中球磨5h；然后再按照Mo/Nb=9:1的重量比配入钼粉，在V型混料机中混合60min；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为220MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内进行高温烧结，最高烧结温度为2000℃，保温29h。接着钼铌烧结体包裹不锈钢包套，并抽气体密封处理，然后在箱式炉中加热至1350℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至500mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.95%、致密度为98.8%。最终钼铌靶材开裂严重，仅能轻微延伸。

该工艺获得的钼铌靶材基本没有延展性，热轧开裂严重，且致密度低。

对比例2

钼粉与铌粉原料与实施例1相同；首先铌粉在行星式球磨机中球磨10h；然后再按照Mo/Nb=9:1的重量比配入钼粉，在V型混料机中混合60min；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为220MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内进行高温烧结，最高烧结温度为1900℃，保温27h。接着钼铌烧结体包裹不锈钢包套，并抽气体密封处理，然后在箱式炉中加热至1350℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至600mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.94%、致密度为98.9%。

该工艺获得的钼铌靶材仍旧开裂严重，延展性能比对比例1稍好，但与实施例差距甚远。

对比例3

钼粉与铌粉原料与实施例1相同；首先钼粉与铌粉按9:1的重量比在行星式球磨机中球磨混合24h；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为220MPa。成型完毕后，钼铌坯放入真空烧结炉内高温烧结，最高烧结温度为1850℃，保温25h。接着在氢气箱式炉中加热至1350℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至1200mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.9%、致密度为99.1%。

该工艺获得的钼铌靶材采用行星式球磨机使钼铌粉末达到机械合金化状态，但粉末的纯度大幅度降低，工艺对粉末原料的纯度要求更高。

对比例4

钼粉与铌粉原料与实施例1相同；首先钼粉与铌粉按9:1的重量比在V型混料机中混合均匀；混合好的粉末采用冷等静压成型，成型压力为220MPa。成型完毕后，钼铌坯放入氢气烧结炉内高温烧结，最高烧结温度为2050℃，保温31h。接着在氢气箱式炉中加热至1350℃，并进行轧制，靶材长度由300mm延伸至400mm，接着在900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品，靶材纯度为99.95%、致密度为89.9%。

该工艺获得的钼铌靶材与对比例1和2类似，虽然纯度和致密度基本能满足要求，但仅能制备小尺寸的钼铌靶材，且钼铌晶粒组织粗大不均匀。

各组产品性能汇总如表1.

表1 不同制备工艺钼铌靶材的性能指标

本发明工艺通过球磨使铌粉粒度达到与钼粉同一级别，在后续烧结过程中形成组织均匀的烧结体，并在热轧加热前包套处理，防止烧结体氧化或氢化，而形成硬化相，最终使钼铌烧结体具备良好的可塑性，可轧制成大尺寸的钼铌靶材。

Claims (6)

1.一种大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，按照下述步骤完成：

1）把钼粉和铌粉按照重量比1:2~2:1加入球磨机中球磨混合；所述球磨机内衬及磨球采用铌碳硬质合金；

2）继续添加钼粉，使钼粉和铌粉的重量比达到9:1，然后在V型混料机中进行混合；

3）将混合好的钼粉和铌粉冷等静压成型，得钼铌坯；

4）将钼铌坯进行高温烧结；

5）烧结后的钼铌坯包裹不锈钢包套，抽气体密封处理，加热至1300℃~1400℃进行轧制，然后900℃真空热处理3h，最后机加工为钼铌靶材产品；

所采用的钼粉平均粒度为1μm~5μm，所采用的铌粉平均粒度为30μm ~100μm。

2.根据权利要求1所述的大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，步骤1）所述球磨机为滚筒式、搅拌式、振动式或者行星式。

3.根据权利要求1所述的大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，步骤1）所述球磨时间4h~20h。

4.根据权利要求1所述的大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，步骤2）所述在V型混料机中进行混合的时间为30min~100min。

5.根据权利要求1所述的大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，步骤3）所述冷等静压成型压力为170MPa~250MPa。

6.根据权利要求1所述的大尺寸钼铌靶材的制备方法，其特征在于，步骤4）所述真空烧的最高温度为1850℃~2000℃，保温时间20h~35h。