CN108296480A - 一种高纯难熔金属块体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高纯难熔金属块体的制备方法，涉及金属冶金技术领域。一种高纯难熔金属块体的制备方法，选用与待烧结金属粉末难相溶的金属包覆料制成包覆片，用包覆片包裹待烧结的金属粉末。且金属粉末未被包覆片完全密封。将包裹的物料经过真空烧结，得到外表面完全被包覆料覆盖的烧结物，然后去除烧结物外表面的包覆料，即得到无碳污染的高纯块体。在烧结过程中，随温度升高，包裹料融化成液体。液体金属紧密附着在待烧结金属的表面，形成屏障，良好隔绝高温环境下碳气氛对物料的影响。包覆料简单、灵活的适用烧结过程，普通高温烧结设备即可完成加工，可适用于高纯度需求的难熔金属块体的高效低成本烧结成型。

Description

一种高纯难熔金属块体的制备方法

技术领域

本发明涉及金属冶金技术领域，且特别涉及一种高纯难熔金属块体的制备方法。

背景技术

难熔金属材料通常指钨、钼、钽、铌、钛及其合金等，这些材料因熔点很高，通常采用粉末冶金工艺来成型各种产品，由于它们的高熔点、高密度、良好导热导电性能、低热膨胀系数、高温抗变形能力和较好耐磨性等特性，使其成为高温、强辐射等使用场合的首选材料，在电子、电力、国防军工、窑炉热场加热和结构件中受到广泛应用。

但上述这些难熔金属及其合金材料的优异性能与其纯度、致密度等都有很大的关系。在电子、太阳能等行业，常使用W、Mo、Ta、Nb、Zr、Ti、Co、Ni等高纯或二、三及多元合金用作溅射靶材及传感器，而合金材料的高纯度是保证产品质量和保证产品在使用过程中稳定性的重要条件。在靶材方面，只有保证较高的纯度才能保证溅射出膜层的均匀性和一致性。若是靶材中杂质较高，则材料的电性能将下降，还会导致溅射薄膜的厚度不均匀，降低膜层的附着强度，最终影响溅射薄膜的性能。

发明人研究发现，在获取高纯度粉末冶金制品的过程中，除了要保证原材料的高纯度外，还需严控后续加工过程中杂质的带入。现有技术中，为了提高靶材的纯度，一种是采用电子束熔炼的方法，但这种方法成本高，操作复杂，熔炼后的坯材金属晶粒粗大，后续加工困难，很难保证成品靶材要求的的细小均匀的晶粒组织。另外一种是采用热等静压法，但这种方法的缺点是设备成本高，工艺及操作相对复杂，得到靶材的密度不易控制，而且由于设备规格的限制，很难制备出大规格尺寸的钼靶材。而常规的高温热压炉的方法，虽方便制取粉末冶金制品，但其中的碳气氛易在制品中引入杂质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯难熔金属块体的制备方法，此制备方法简单、灵活，能有有效隔绝高温环境下碳气氛对物料的影响，得到高纯块体材料。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种高纯难熔金属块体的制备方法，包括以下步骤：

S1，用包覆片包裹待烧结金属粉末，使待烧结金属粉末被完全包裹住，得到待烧结物，其中，所述包覆片由与所述待烧结金属粉末难相溶的金属包覆料制成；

S2，所述待烧结物经过真空烧结，得到外表面完全被所述包覆料覆盖的烧结物；

S3，去除所述烧结物外表面的所述包覆料，得到无碳污染的高纯难熔金属块体。

本发明实施例的高纯难熔金属块体的制备方法的有益效果是：

选用与待烧结金属粉末难相溶的材质作为包覆料，包覆料与待烧结金属粉末基本上不发生反应。在真空烧结过程中，包覆料制成的包覆片包覆住待烧结金属粉末。且由于包覆片未完全进行密封，保证抽真空的进行。在真空烧结设备中，抽真空后进行高温烧结。随着温度的升高，包覆片熔化成液体。液体金属紧密附着在待烧结金属的表面，形成屏障，良好隔绝高温环境下碳气氛对物料的影响。包覆料简单、灵活的适用烧结过程，普通高温烧结设备即可完成加工，可适用于高纯度需求的难熔金属材料的高效低成本烧结成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的高纯难熔金属块体在制备过程中包覆片包覆待烧结金属粉末的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的高纯难熔金属块体的制备方法进行具体说明。

本发明实施例提供一种高纯难熔金属块体的制备方法，包括以下步骤：

S1，用包覆片包裹待烧结金属粉末，使其被完全包裹住，得到待烧结物，其中，包覆片由与待烧结金属粉末难相溶的金属包覆料制成。

进一步地，在本发明较佳实施例中，高纯难熔金属物料选自钨、钼、钽、铌、钛中的一种或钨、钼、钽、铌、钛中的两种或两种以上材料的合金材料中的一种。相对应的，根据所要得到的高纯块体的不同，选用不同的材质作为包覆料。优选地，当高纯难熔块体为钨或钼时，选用铜或铁作为包覆料。钨/铜，钨/铁，钼/铜，钼/铁均难以相溶，固溶度低，彼此之间基本不发生反应，有利于形成高纯块体。

进一步地，在本发明较佳实施例中，待烧结金属粉末的纯度大于或等于99.95％。严格控制原材料的纯度，保证产品的纯度。

进一步地，在本发明较佳实施例中，包覆片的厚度为0.01～0.3mm，更为优选地，包覆片的厚度为0.2mm。包覆片的厚度会影响到对待烧结金属粉末的包覆效果，厚度过小，在包覆片融化成液体金属时，液体金属容易因流动造成部分待烧结物料无法被覆盖，从而影响包覆片的屏障隔离效果。而厚度过大，则后续去除不方便。

进一步地，在本发明较佳实施例中，待烧结物料置于真空烧结设备的模具中进行烧结，在真空烧结前，在包覆料与模具间放置防漏垫片。

进一步地，包覆片未对待烧结物形成完全密封。待温度上升到一定程度时，包覆片融化成液体金属，液体金属在自身表面张力以及防漏垫片的包裹作用下，从而减少流失现象的发生，紧密附着在初步烧结的金属块表面。

优选地，真空烧结设备的模具为石墨模具，该石墨模具包括石墨凹模和石墨凸模。石墨模具具有优良的导热性能，且具有热稳定性好、耐腐蚀、与多数金属不易发生反应、易于成型加工等优点。

进一步地，防漏垫片选用碳纸。在碳纸的包覆作用下，保证包覆料能够对初步烧结的金属块的表面进行覆盖。此外，碳纸在真空烧结以及烧结完成冷却后，都不会发生融化，不与包覆料发生反应，还能对液态下的包覆料起到良好防漏作用。本实施例中，碳纸可选用购买于东洋碳素的高纯碳纸。

如图1所示，具体地，先在石墨凹模的四周铺设碳纸1，然后在碳纸1上铺垫包覆片2，接着将待烧结难熔金属粉末3添加到包覆片2上。最后裁剪一片包覆片盖合在将待烧结难熔金属粉末上，再盖上碳纸，装配上石墨凸模，得到待烧结物，即完成待烧结金属粉末的装分环节。先在凹模的四周铺满一层碳纸，再在碳纸上铺满一层包覆片，装入待烧结金属粉末，最后才在金属粉末上盖上包覆片和碳纸，从而能够对待烧结金属粉末形成良好包覆，且不会对物料形成完全密封，从而具备抽真空的效果。

S2，反应物经过真空烧结，得到外表面完全被包覆料覆盖的烧结物。

真空烧结过程中，先在低温下抽真空，然后进行真空烧结。优选地，真空度为1×10^-2Pa。真空烧结过程中，升温速率优选为8～15℃/min，更进一步地，升温速率为10℃/min。在该升温速率下，烧结效果最佳，且包覆料能够较为均匀地在烧结物体表面形成包覆层。

随着温度的上升，当温度升高至包覆片的熔点附近时，待烧结金属粉末被初步烧结成金属块。而包覆片开始熔化为液态，液态金属紧密在表面张力和防漏垫片的作用下，紧密附着在初步烧结的金属块的表面。随着温度的继续升高，初步烧结的金属块实现高致密的烧结，由于碳纸与包覆料以及待烧结金属粉末与包覆料均难相溶，两两之间无反应或渗透的发生，得到碳含量在25ppm以下的高纯度烧结物。

S3，去除烧结物外表面的包覆料，得到无碳污染的高纯难熔金属块体。

进一步地，在本发明较佳实施例中，步骤S3中，采用机加工的方法去除包覆料。例如可以采用铣削或磨削的方式去除表面的包覆料，获得表面光亮的高纯难熔金属块体。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种高纯钼块的制备方法，其包括以下步骤：

(1)选取厚度0.2mm的TU1无氧铜片为包覆片，纯度99.95％钼粉为待烧结原材料。选用的真空烧结设备中，高温炉内发热体可为碳棒材料，热压模具也可为普通高密高强石墨，隔离模具与包裹层间的防漏垫片采用碳纸。

(2)首先，剪裁碳纸，铺于石墨凹模的四周，再在其周围铺垫薄无氧铜片，将纯钼粉添加于无氧铜片上，最后剪裁一片无氧铜片覆盖于钼粉之上，盖上碳纸及石墨凸模即完成待烧结物料的装粉环节。

(3)将由模具装配好的物料放置于高温真空热压炉内，在低温下抽真空。该过程因物料的非完全密封而同样拥有真空效果。当温度升至1080℃左右铜熔点附近时，钼粉也已达到较高的致密度。包覆片则开始熔化为液态，此时液态铜由于表面张力及包裹碳纸作用未完全流失，从而紧密附着在初步烧结钼块的表面。温度继续升高至1600℃，纯钼粉实现高致密的烧结，由于C-Cu及Mo-Cu均有难相溶性特征，即他们间无反应或渗透的发生。

(3)待降温冷却开炉后，将烧结钼块以机加工方式去除表面的铜层，经去除0.5mm厚度后可获取表面光亮的高纯钼块体。由于在较高温度下包覆金属片的熔融为液体，紧密包裹待烧结钼粉，隔绝了烧结炉内碳气氛(高温下碳挥发产生碳气氛)等对钼粉造成的污染，检测其中碳含量C为25ppm，而实现了钼粉的高效高纯烧结目标。

实施例2

本实施例提供的一种高纯钨块的制备方法，其包括以下步骤：

(1)选取厚度0.1㎜的纯铁片为液态金属原料，纯度99.99％钨粉为待烧结原材料。真空烧结设备中，高温炉内发热体为棒材料，热压模具为高密高强石墨，隔离模具与包裹层间铺设有碳纸。

(2)首先剪裁石墨碳纸，铺于石墨凹模的四周，再在其周围铺垫纯铁片，将纯钨粉添加于纯铁片上，最后剪裁一片纯铁片覆盖于钨粉之上，盖上碳纸及石墨凸模即完成待烧结物料的装粉环节。

(3)将由模具装配好的物料放置于高温真空热压炉内，在低温下抽真空。当温度升至1530℃左右铁熔点附近时，钨粉也已达到较高的致密度，包覆片则开始熔化为液态，此时液态铁由于表面张力及包裹碳纸作用未完全流失，从而紧密附着在初步烧结钨块的表面。随着温度继续升高至1900℃，纯钨粉实现高致密的烧结，由于C-Fe及W-Fe均有难相溶性特征，即他们间无反应或渗透的发生。

(4)待降温冷却开炉后将烧结钨块以机加工方式去除表面的铁层，经去除0.5㎜厚度后可获取表面光亮的高纯钨块。由于在较高温度下包覆金属片的熔融为液体，紧密包裹待烧结钨粉，隔绝了烧结炉内碳气氛等对钨粉造成的污染，检测其中碳含量C为20ppm，而实现了钨粉的高效高纯烧结目标。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，用包覆片包裹待烧结金属粉末，且使所述待烧结金属粉末被所述包覆片完全包裹住，得到待烧结物，其中，所述包覆片由与所述待烧结金属粉末难相溶的金属包覆料制成；

S2，所述待烧结物经过真空烧结，得到外表面完全被所述包覆料覆盖的烧结物；

S3，去除所述烧结物外表面的所述包覆料，得到无碳污染的高纯难熔金属块体。

2.根据权利要求1所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，所述高纯难熔金属块体选自钨、钼、钽、铌、钛中的一种或钨、钼、钽、铌、钛中的两种或两种以上材料的合金材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，所述待烧结金属粉末的纯度大于或等于99.95％。

4.根据权利要求1所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，所述包覆片的厚度为0.01～0.3mm。

5.根据权利要求1所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，步骤S3中，采用机加工的方法去除所述包覆料。

6.根据权利要求1所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，步骤S2中，真空烧结的温度大于所述包覆料的熔点。

7.根据权利要求1所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，所述待烧结物于所述真空烧结设备的模具中进行烧结，在真空烧结前，在所述包覆料和所述模具间放置防漏垫片。

8.根据权利要求7所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，所述防漏垫片为碳纸。

9.根据权利要求8所述的高纯难熔金属块体的制备方法，其特征在于，所述模具为石墨模具，所述石墨模具包括石墨凹模和石墨凸模。