CN112593105B - 一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺 - Google Patents

一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，具体包括：混粉基体的制备：混合带有不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末，得到含有不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体；压制：将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在液压机上进行压制，得到各个成型工件；脱胶：进行烧结脱胶；烧结：将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，再在钼丝炉进行液相烧结；采用本发明方法进行铜钨梯度材料的制备，能够有效地降低材料成本及设备要求，进一步降低成本，提高材料性能，并且满足批量化生产。

Description

一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺
技术领域
本发明涉及铜钨梯度功能材料的制备技术领域，具体涉及一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺。
背景技术
钨铜材料是由高熔点、高硬度的钨与高导电、高导热的铜构成，钨铜之间不相互固溶，因此钨铜材料被称为假合金。
钨铜复合材料是由两个理化性能相差较大的金属钨和铜组成的二相假合金，其各项性能可随组织的变化而变化，从梯度结构的方面考虑，其可以一端为具有高硬度、高熔点、高密度的钨或是含铜量较低的钨铜，而另一端则是具有优良导电导热性以及可塑性的铜或含铜量较高的钨铜，这样一来所形成的具有梯度结构钨铜复合材料就有了良好的特异性以及更为广阔的应用前景。
钨铜材料的优点是在性能上呈现出钨与铜这两种金属的本征物理性能，既具有钨的高强度、高硬度、低膨胀特征，又具有铜的高导电、高导热性能；因此该类材料被广泛应用于航天、航空、电子、电力、冶金、机械、民用器材等行业。
现有技术方案通过粉末冶金法制备铜钨合金，将含有不同比例铜钨的粉末进行热压压制，涉及热压、脱脂，及氢气烧结等多重工序，对于压制设备及烧结设备有一定要求，不适合批量化生产，且生产过程中材料成本及加工成本较高。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，本发明方法能够降低材料成本及设备要求，进一步降低成本提高材料性能，并且满足批量化生产。
本发明的技术方案为：一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，具体包括：
步骤一：混粉基体的制备
混合带有不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末，得到含有不同比例成型剂的混粉基体；
步骤二：压制
将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在液压机上进行压制，得到各个成型工件；
步骤三：脱胶
将上述各个成型工件装炉，抽真空并维持真空在90～110Pa；以4～6℃/min进行升温至120℃，保温30min，以2～4℃/min进行升温至500℃，保温60min，以1～2℃/min进行升温至700℃，保温60min，以2～4℃/min进行升温至900℃，保温120min，然后关加热降温，＜100℃出炉，得到不同梯度的铜钨坯块；采用梯度升温处理的方式能够使得成型工件的密度缓慢增加，使得颗粒之间能够紧密接触直至形成紧密堆积的结构，从而使得脱胶处理更彻底；
步骤四：烧结
将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，再在钼丝炉进行液相烧结。
进一步地，所述步骤一具体步骤为：将不同梯度的铜钨粉末分别分批次放入混合机中，再分别向混合机中放入不同比例的成型剂，混合4～6h，得到各个梯度铜钨粉末的混粉基体，其中，成型剂所占铜钨粉末质量百分比为0.5～4.5％。
进一步地，各个梯度铜钨粉末中加成型剂比例不同，其中，CuW55加成型剂4.5％，CuW60加成型剂4％，CuW65加成型剂3.5％，CuW70加成型剂3％，CuW75加成型剂2.5％，CuW80加成型剂1.5％，CuW85加成型剂1％，CuW90加成型剂0.5％；在不同梯度铜钨粉末中加入不同含量的成型剂能够在成型的基础上有效地节约原材料、降低成本。
更进一步地，所述成型剂具体采用SBP胶；SBP胶具备较强的粘结性，能够使得成型工件的压坯强度更高。
进一步地，所述步骤二的具体步骤为：将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在200T液压机上将压力调整至60T进行压制，得到成型工件。
进一步地，所述步骤四具体工艺为：将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入钼丝炉中，再在1200～1450℃进行熔渗，2h/舟的条件下进行液相烧结，使铜充分熔渗到坯块中；采用液相烧结的方式能够使得脱胶后的成型工件的颗粒重新排列，更利于铜充分熔渗到坯块中。
进一步地，将所述铜钨梯度功能材料根据实际产品需求选择对应梯度的铜钨梯度功能材料制造出各种类型的热沉材料、药型罩材料、电子封装材料和电触头材料。
更进一步地，选择CuW60和CuW80这两种铜钨梯度功能材料，以CuW60为材质的基础层，以CuW80为材质的工作面层，制造用于开断电路的高压开关零部件。
进一步地，所述步骤四具体工艺为：将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入微波炉中，再在2.45GHz微波辅助热场下在1200～1450℃进行熔渗，使铜充分熔渗到坯块中；采用微波辅助进行烧结有利于减少烧结时间，能够加快致密化过程，使得合金的组织更加均匀。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用本发明方法进行铜钨梯度材料的制备，能够有效地降低材料成本及设备要求，进一步降低成本提高材料性能，并且满足批量化生产；并且具备以下特点：1)对原材料用粉粒度无特殊要求；2)无需进行热压，由组成的多层梯度材料在常规液压机下直接一次成型；3)在连续烧结炉中进行烧结渗铜，提高生产效率；4)梯度材料各层厚度容易控制。
具体实施方式
实施例1：一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，具体包括：
步骤一：混粉基体的制备
将不同梯度的铜钨粉末：CuW55粉末、CuW60粉末、CuW65粉末、CuW70粉末、CuW75粉末、CuW80粉末、CuW85粉末、CuW90粉末分别分批次放入混合机中，再分别向混合机中放入各个铜钨粉末质量百分数0.5％的成型剂，混合4h，得到各个梯度铜钨粉末的混粉基体：含0.5％成型剂的CuW55粉末、含0.5％成型剂的CuW60粉末、含0.5％成型剂的CuW65粉末、含0.5％成型剂的CuW70粉末、含0.5％成型剂的CuW75粉末、含0.5％成型剂的CuW80粉末、含0.5％成型剂的CuW85粉末、含0.5％成型剂的CuW90粉末；其中，成型剂具体采用SBP胶；
步骤二：压制
将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在200T液压机上将压力调整至60T进行压制，得到各个成型工件；
步骤三：脱胶
将上述各个成型工件装炉，抽真空并维持真空在90Pa；以4℃/min进行升温至120℃，保温30min，以2℃/min进行升温至500℃，保温60min，以1℃/min进行升温至700℃，保温60min，以2℃/min进行升温至900℃，保温120min，然后关加热降温，60℃出炉，得到不同梯度的铜钨坯块；
步骤四：烧结
将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入钼丝炉中，再在1200℃进行熔渗，2h/舟的条件下进行液相烧结，使铜充分熔渗到坯块中。
将上述铜钨梯度功能材料根据实际产品需求选择对应梯度的铜钨梯度功能材料制造出各种类型的热沉材料、药型罩材料、电子封装材料和电触头材料。
实施例2：一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，具体包括：
步骤一：混粉基体的制备
将不同梯度的铜钨粉末：CuW55粉末、CuW60粉末、CuW65粉末、CuW70粉末、CuW75粉末、CuW80粉末、CuW85粉末、CuW90粉末分别分批次放入混合机中，再分别向混合机中放入各个铜钨粉末质量百分数2％的成型剂，混合5h，得到各个梯度铜钨粉末的混粉基体：2％成型剂的CuW55粉末、含2％成型剂的CuW60粉末、含2％成型剂的CuW65粉末、含2％成型剂的CuW70粉末、含2％成型剂的CuW75粉末、含2％成型剂的CuW80粉末、含2％成型剂的CuW85粉末、含2％成型剂的CuW90粉末；其中，成型剂具体采用SBP胶；
步骤二：压制
将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在200T液压机上将压力调整至60T进行压制，得到各个成型工件；
步骤三：脱胶
将上述各个成型工件装炉，抽真空并维持真空在100Pa；以5℃/min进行升温至120℃，保温30min，以3℃/min进行升温至500℃，保温60min，以2℃/min进行升温至700℃，保温60min，以3℃/min进行升温至900℃，保温120min，然后关加热降温，50℃出炉，得到不同梯度的铜钨坯块；
步骤四：烧结
将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入钼丝炉中，再在1300℃进行熔渗，2h/舟的条件下进行液相烧结，使铜充分熔渗到坯块中。
将上述铜钨梯度功能材料根据实际产品需求选择对应梯度的铜钨梯度功能材料制造出各种类型的热沉材料、药型罩材料、电子封装材料和电触头材料。
实施例3：一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，具体包括：
步骤一：混粉基体的制备
将不同梯度的铜钨粉末：CuW55粉末、CuW60粉末、CuW65粉末、CuW70粉末、CuW75粉末、CuW80粉末、CuW85粉末、CuW90粉末分别分批次放入混合机中，再分别向混合机中放入各个铜钨粉末质量百分数4％的成型剂，混合6h，得到各个梯度铜钨粉末的混粉基体：含4％成型剂的CuW55粉末、含4％成型剂的CuW60粉末、含4％成型剂的CuW65粉末、含4％成型剂的CuW70粉末、含4％成型剂的CuW75粉末、含4％成型剂的CuW80粉末、含4％成型剂的CuW85粉末、含4％成型剂的CuW90粉末；其中，成型剂具体采用SBP胶；
步骤二：压制
将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在200T液压机上将压力调整至60T进行压制，得到各个成型工件；
步骤三：脱胶
将上述各个成型工件装炉，抽真空并维持真空在110Pa；以6℃/min进行升温至120℃，保温30min，以4℃/min进行升温至500℃，保温60min，以2℃/min进行升温至700℃，保温60min，以4℃/min进行升温至900℃，保温120min，然后关加热降温，20℃出炉，得到不同梯度的铜钨坯块；
步骤四：烧结
将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入钼丝炉中，再在1450℃进行熔渗，2h/舟的条件下进行液相烧结，使铜充分熔渗到坯块中。
将上述铜钨梯度功能材料根据实际产品需求选择对应梯度的铜钨梯度功能材料制造出各种类型的热沉材料、药型罩材料、电子封装材料和电触头材料。
实施例4：与实施例1不同的是：各梯度铜钨粉末中加成型剂比例不同，其中，CuW55加成型剂4.5％，CuW60加成型剂4％，CuW65加成型剂3.5％，CuW70加成型剂3％，CuW75加成型剂2.5％，CuW80加成型剂1.5％，CuW85加成型剂1％，CuW90加成型剂0.5％。
实施例5：与实施例1不同的是：步骤四具体工艺为：将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入微波炉中，再在2.45GHz微波辅助热场下在1300℃进行熔渗，使铜充分熔渗到坯块中；采用微波辅助进行烧结有利于减少烧结时间，能够加快致密化过程，使得合金的组织更加均匀。
应用例：分别用实施例1～5方法制备一种用于开断电路的高压开关零部件，高压开关零部件包括以CuW60为材质的基础层，以及设置在基础层上以CuW80为材质的工作面层；其中，基础层以CuW60为材质能更好的与材质为CuCr1的外部基体材料连接；而工作面层以CuW80为材质，是因为CuW80的性能比CuW60更好，用作的电压等级更高。
分别对制备的高压开关零部件进行性能参数测试，测试结构如下：
Figure BDA0002731780320000071
结论：采用本发明发制备的高压开关零部件均能够满足其产品性能，且其基础层与工作面层之间界面结合牢固。

Claims (5)

1.一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，其特征在于，具体包括：
步骤一：混粉基体的制备
将不同梯度的铜钨粉末分别分批次放入混合机中，再分别向混合机中放入不同比例的成型剂，混合4~6h，得到各个梯度铜钨粉末的混粉基体，其中，成型剂所占铜钨粉末质量百分比为0.5~4.5%；
步骤二：压制
将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在液压机上进行压制，得到各个成型工件；
步骤三：脱胶
将上述各个成型工件装炉，抽真空并维持真空在90~110Pa；以4~6℃/min进行升温至120℃，保温30min，以2~4℃/min进行升温至500℃，保温60min，以1~2℃/min进行升温至700℃，保温60min，以2~4℃/min进行升温至900℃，保温120min，然后关闭加热降温，＜100℃出炉，得到不同梯度的铜钨坯块；
步骤四：烧结
将准备好的铜块放在不同梯度的铜钨坯块上，放入钼丝炉中，再在1200~1450℃进行熔渗，2h/舟的条件下进行液相烧结，使铜充分熔渗到坯块中；
所述步骤一中各个梯度铜钨粉末中加成型剂比例不同，其中，CuW55加成型剂4.5%，CuW60加成型剂4%，CuW65加成型剂3.5%，CuW70加成型剂3%，CuW75加成型剂2.5%，CuW80加成型剂1.5%，CuW85加成型剂1%，CuW90加成型剂0.5%；
所述步骤四烧结温度为1200~1450℃。
2.如权利要求1所述的一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，其特征在于，所述成型剂具体采用SBP胶。
3.如权利要求1所述的一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺，其特征在于，所述步骤二的具体步骤为：将混好的不同比例成型剂的各个梯度铜钨粉末的混粉基体根据需求分别倒入适合的模具中，在200T液压机上将压力调整至60T进行压制，得到成型工件。
4.如权利要求1~3任一所述方法制备的铜钨梯度功能材料的应用，其特征在于，将所述铜钨梯度功能材料根据实际产品需求选择对应梯度的铜钨梯度功能材料制造出各种类型的热沉材料、药型罩材料、电子封装材料和电触头材料。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，选择CuW60和CuW80这两种铜钨梯度功能材料，以CuW60为材质的基础层，以CuW80为材质的工作面层，制造用于开断电路的高压开关零部件。
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