CN109207762A - 一种以微波烧结制备钨钼铜复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种以微波烧结制备钨钼铜复合材料的方法是先将钨粉、钼粉和铜粉球磨充分混匀，将混匀后的粉末放入模具内压制成圆柱结构生坯，然后将生坯放入微波烧结炉内，以特定的热处理工艺，在较低温度下制备钨钼铜复合材料。由于本发明是针对现有传统方法制备钨钼铜合金存在的问题，提供一种以微波烧结制备钨钼铜复合材料的方法，与现有传统方法相比，该方法可使制备温度由1100~1600℃降低至700~1000℃，也可使制备时间由100~760min缩短至20~50min，且本发明只需混粉、压制、烧结三个步骤即可完成致密化过程，简化了工艺、易于实施，还可获得晶粒更细小、均匀且机械性能优良的产品。解决了现有传统烧结方法存在的烧结温度高、烧结时间长，工艺复杂等缺点。

Description

一种以微波烧结制备钨钼铜复合材料的方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法。

背景技术

W-Cu和Mo-Cu合金都是由既不互相固溶又不形成金属间化合物的两相混合组织组成的复合材料。W-Cu具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性、高强度和高硬度等特点，被广泛应用于电子电气、军事装备、航空航天及其它新技术领域，Mo-Cu虽能很大程度上实现部件的减重要求，但其高温强度和抗烧蚀性在高温恶劣环境下仍不能胜任，只能应用在一些使用温度较低的场合，如空气舵、配重、连接板等。因此，在W-Cu合金的基础上，用部分Mo在成分上替代W，合成W-Mo-Cu复合材料有望实现W-Cu、Mo-Cu合金性能的优化组合，且可根据需要改变钨钼配比以更为灵活地对材料性能进行调控，进一步拓宽材料的应用范围，适用于更多的领域。

目前国内外对W-Mo-Cu复合材料的研究报道甚少，经技术查新所检索到的以及所了解到的与本发明相关的技术仅有三例。唐亮亮等人（钨钼渗铜材料的力学性能和组织研究,粉末冶金工业, 2011, 21(3):6-10）采用传统熔渗法制备钨钼渗铜材料，该方法将粉末粒度分别为6.64μm的钨粉和5.0μm的钼粉混匀后经冷等静压成形，通过特定的热处理工艺制成钨钼骨架（具体工艺参数文中未给出），然后在渗铜炉中将金属铜熔渗到骨架中得到钨钼渗铜材料。CN103194629公开了一种钨钼铜复合材料的制备方法，同样以钨钼混合粉末压制成钨钼素坯，再以先真空、后氢气气氛的烧结方法预烧得到钨钼骨架，而后将预烧骨架浸入液相铜中制备得到钨钼铜复合材料。其制备工艺为：将钨钼素坯置于在真空条件下以10~30℃/min的升温速率升温至800~1600℃后保温60~240min，接着关闭真空，向加热炉内充入氢气，继续保温60~240min，最后随炉冷却，得到钨钼骨架；再在1100~1400℃熔浸20~120min后冷却得到钨钼铜复合材料。这种方法不仅对生产设备要求较高，且耗能高；其次因需先获得钨钼骨架再熔浸，需经过两次热处理，故工艺复杂，制备周期长，大大增加了生产成本；且烧结温度高、烧结时间长，容易造成材料晶粒粗大，影响该材作为新型功能材料的应用。CN102154568公开了一种Mo-W-Cu合金的制备方法，提出了一种机械合金化法制粉（原料混粉+机械制粉）、等静压成型、液相烧结和热挤压变形加工制备Mo-W-Cu合金的方法。具体步骤为：（1）原料混粉：按照以下质量分数钼粉75～80%、钨粉10～15%、铜粉5～15%取钼粉、钨粉和铜粉于球磨罐中，在球磨机上混粉30～40分钟，制得原料粉；（2）机械制粉：向步骤（1）的球磨罐中加入不锈钢球和原料粉重量2～4%的乙醇，然后在氩气气体保护下球磨20～30小时，制得复合粉末；（3）压型：将复合粉末放入橡胶包套中，于190～220MPa压力下保压10～20分钟，冷等静压压制成压型坯体；（4）烧结：将压型坯体放入烧结炉中，以200～250℃/h的速度升温至1300～1400℃，保温1～1.5小时，然后随炉冷却至室温，出炉制得Mo-W-Cu液相烧结体；（5）热挤压：将Mo-W-Cu液相烧结体加热至950～1000℃，进行热挤压变形加工，变形率为30～40%，热挤压后在640～660℃进行消除应力退火，退火保温时间为1～1.5小时，保温后随炉冷却至200℃，出炉冷却至室温，制成Mo-W-Cu合金。其优选的烧结炉为氢气烧结炉。

综上，对于上述现有的三例制备钨钼铜复合材料的方法均为传统制备方法，这些方法存在烧结温度高、烧结时间长、晶粒长大严重等缺点，而且这些繁琐的过程增加了生产工序，加大了生产的难度，增加生产成本，从而在一定程度上限制了钨钼铜复合材料的推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种以微波烧结制备钨钼铜复合材料的方法，本发明给出的技术解决方案概括地说是：采用的是微波烧结法，通过制粉、压制、烧结三个步骤在低于铜熔点的较低温度下实现短时快速固相烧结来制备W-Mo-Cu合金，本发明的核心是通过微波这种物理作用来实现活化烧结。微波烧结方法（MicrowaveSintering）与传统粉末冶金法的真空炉加热方式具有本质的不同。微波烧结方法是利用微波所具有的特殊波段与材料的基本微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法，其烧结示意图如图1所示。由于微波烧结是材料吸收微波能转化为内部分子的动能和热能，使得材料整体均匀加热，因此这种工艺具有快速加热、烧结温度低、细化材料组织、改进材料性能、安全无污染以及高效节能等优点。与现有的传统方法制备钨钼铜复合材料相比，将微波烧结法应用于烧结制备W-Mo-Cu合金，制备温度可由1100~1600℃降低至700~1000℃，制备时间也可由100~760min缩短至20~50min，钨、钼晶粒细小且结合紧密，比传统烧结方法节能70%以上，解决了现有传统方法存在的烧结温度高、烧结时间长，工艺复杂等缺点。

本发明提供的以微波烧结制备钨钼铜复合材料的方法，该方法的具体工艺步骤和条件如下。

1、先将10~70wt%W、10~70wt%Mo和10~30wt%Cu粉加入高能行星式球磨机内的不锈钢球磨罐中，然后进行球磨以混合均匀（球磨转速为80~150r/min，球磨时间为0.5~4小时），球磨的同时加入少许酒精以防止粉料在球磨过程中被氧化。

2、将球磨混合均匀的钨钼铜粉末在模具中压制成圆柱体结构且相对密度为68％~78％的生坯，然后将生坯放置于微波烧结炉内，利用微波加热来对材料进行烧结，使生坯升温至200℃后保温1~5min，接着以25~50℃/min的升温速率继续升温至700~1000℃并保温5~20min后断电随炉冷却完成烧结得到W-Mo-Cu合金，优选烧结气氛为氮气。

为了更好地实现本发明的目的，本发明还采用了以下措施：即使用的W、Mo粉的粒度为2~3μm，采用粒度为5~75μm的Cu粉。

本发明与现有技术相比，具有以下积极效果。

1、本发明采用的微波烧结是依靠材料本身吸收微波能转化为材料内部分子的动能和势能，材料内外同时均匀加热，这样材料内部热应力可以减少到最小，其次在微波电磁能作用下，材料内部分子或离子的动能增加，使烧结活化能降低，扩散系数提高，可以进行低温快速烧结，使细粉来不及长大就被烧结。

2、烧结温度大幅度降低，烧结时间缩短。本发明以微波烧结法制备钨钼铜复合材料，相对于传统的辐射加热过程致密化速度加快，与现有的传统方法制备钨钼铜复合材料相比，该方法可使制备温度由1100~1600℃降低至700~1000℃，制备时间由100~760min缩短至20~50min。

3、比传统烧结方法节能70%以上，降低烧结能耗费用。微波烧结的时间大大缩短，烧结温度大幅度降低，大大提高了能源的利用效率。

4、使用微波法快速升温和致密化可以抑制晶粒组织长大。由于用本发明方法制备钨钼铜复合材料的烧结温度低，烧结时间短，因而烧结体的晶粒生长能得到有效控制，采用微波烧结法可以制备0.5~4μm左右的超细晶粒组织，有利于提高材料的性能。而用传统方法时，制备钨钼铜合金的晶粒组织为10~15μm。

5、相比传统方法制备钨钼铜复合材料，本发明直接利用微波来对材料进行加热完成致密化过程制备钨钼铜复合材料，因而大大简化了生产工艺，缩短了制备周期，不仅可降低能耗，进一步节约了生产成本，还可改善制备环境的工作条件。因此耗能低、周期短、效率高，符合“绿色生产”的要求。

6、本发明方法简单、可靠，易于调节控制。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所采用的微波烧结示意图。

图2为本发明实施例2制备的钨钼铜复合材料显微形貌图。

图3为本发明实施例7制备的钨钼铜复合材料显微形貌图。

图4为本发明实施例9制备的钨钼铜复合材料显微形貌图。

图5为本发明实施例18制备的钨钼铜复合材料显微形貌图。

图6为本发明实施例21制备的钨钼铜复合材料显微形貌图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

值得说明的是：1)以下各实施例所用物料的比例均为质量百分比；2)本发明实施例都是压制成直径为13mm，高度为11mm的圆柱生坯，再将生坯放置于微波烧结炉内，利用微波来对材料进行加热而实现烧结致密化。

本发明具体的实施步骤如下。

实施例1~21。

1、将粒度为5~75μm的铜粉，粒度为2~3μm的钨粉和钼粉分别按照表中所列的质量配比加入高能行星式球磨机内进行球磨，同时在球磨罐中加入少许酒精以防止粉料在球磨过程中被氧化。

2、将球磨混匀的钨钼铜粉末装入模具内压制成圆柱结构的生坯，且生坯相对密度保持在68％~78％。

3、将生坯放置于微波烧结炉内，生坯升温至200℃后保温1~5min，接着以25~50℃/min的升温速率升温至700~1000℃并保温5~20min后断电随炉冷却完成烧结得到W-Mo-Cu合金。

4、烧结过程中坯体形状保持完好，所得钨钼铜合金的致密化程度很高；为了比较本发明方法与传统烧结法制备的钨钼铜合金的微观形貌差异，将本发明实施例2、7、9、18、21烧结所得钨钼铜合金用扫描电镜对其进行了观测照相，其照片分别见图2、3、4、5、6。从图中可以看出，用本发明方法烧结钨钼铜复合材料晶粒都极为细小，这说明本发明能获得细晶粒组织并具有高性能的钨钼铜合金。

表1 W-Mo-Cu复合材料的各实施例的配方和工艺条件

Claims (6)

1.一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法，其特征在于先将以重量百分比计的10~70wt%W、10~70wt%Mo和10~30wt%Cu粉按照配比混合均匀，再将混合好的钨钼铜粉末在模具中压制成圆柱体结构且相对密度为68％~78％的生坯，然后将生坯放置于加热设备中，利用微波对生坯进行加热，使生坯升温至200℃后保温1~5min，接着以25~50℃/min的升温速率继续升温至700~1000℃并保温5~20min后断电随炉冷却得到W-Mo-Cu合金，优选烧结气氛为氮气。

2.根据权利要求1所述的一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法，其特征在于该方法直接利用微波来对材料进行加热完成烧结致密化，简化了工艺、易于实施。

3.根据权利要求1所述的一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法，其特征在于该方法对生坯的烧结升温速度控制在25~50℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法，其特征在于该方法可在700～1000℃的低温下完成烧结制备钨钼铜复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法，其特征在于整个加热制备过程只需20~50min。

6.根据权利要求1所述的一种以微波烧结钨钼铜复合材料的制备方法，其特征在于使用的W、Mo粉的粒度为2~3μm，采用粒度为5~75μm的Cu粉。