[发明专利]一种高致密细晶钨铜合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钨铜材料的制备方法，特别是指一直高致密细晶钨铜合金的制备方法。属于粉末冶金材料制备技术领域。

背景技术

钨铜复合材料是由高熔点、低热膨胀系数的钨和高电导率、高热导率的铜组成的复合材料，综合了钨和铜各自的特性，因此，被广泛应用于电子封装材料、热沉材料、真空技术及航天领域等。用作电子封装和散热材料的钨铜合金的理想结构应为高致密度,均匀分散的钨颗粒形成连续的骨架,凝固态的Cu填充到钨骨架的孔隙当中,呈连续的三维连通结构。

由于钨和铜在固态与液态下都互不相溶，粉末冶金是制备钨铜合金材料与制品的主要工艺途径。目前传统钨铜合金的制备工艺有熔渗法、液相烧结、以及真空热压烧结等。熔渗法是先将钨粉冷压成坯，初步烧结制成钨骨架，再在骨架上放置压制的铜粉或铜块，升至高温，使铜熔化渗入钨坯空隙中，从而制得钨铜材料。由于在钨骨架烧结过程中容易形成闭孔（1%~3%），因此不能获得高致密的钨铜合金，同时当钨含量较低时，难以形成稳定的骨架，限制了该方法的应用范围。液相烧结主要是将钨粉和铜粉混合均匀，并加入粘合剂冷压成坯，再在1200℃以上的高温下通过液相烧结直接获得钨铜复合材料。由于钨和铜的润湿性较差，为了致密化液相烧结过程中往往会加入少量的Ni，Co等元素改善其润湿性，然而这些元素会使钨铜合金的热导率及导电率降低。固相热压烧结是指将W-Cu复合粉末置于惰性石墨模具内，在加压的同时使粉末在低于Cu熔点的温度下烧结，能够在较短时间内烧结得到均匀的制品，是一种强化烧结方法。热压的最大优点就是可以大大降低成形压力和缩短烧结时间，同时制备出的钨铜合金的晶粒较细，然而固相的Cu几乎没有流动性，制备的钨铜合金的致密度一般低于98%。

为了解决传统工艺存在的问题，目前国内外研究了许多制备钨铜材料的新工艺，这些新工艺共同的特点是制备出具有更大烧结活性的超细钨铜复合粉末，再通过传统的冷压烧结工艺制备出高致密的钨铜材料，对于超细钨铜复合粉末的制备方法，主要有化学法和机械法两种，其中化学法是对含钨，铜的前驱物溶液通过喷雾干燥形成粉末或利用沉淀剂生成沉淀物，再焙烧形成氧化钨和氧化铜的混合物，然后由氢气还原生成纳米钨铜复合粉体，如专利200710118440.7，200710024801.1，201110007251.9等，这些方法虽能制备出纳米钨铜复合粉末，但工序复杂，且过程中使用或生成腐蚀性物质（如浓硝酸，浓硫酸，二氧化氮等），对设备要求高，并容易造成环境污染。机械法主要是通过高能球磨粉碎钨铜复合粉末，如专利03143145.3，通过高能湿磨制备出纳米晶钨铜复合粉末，然而在高能湿磨过程中，由于球磨介质和表面活性剂的加入，一方面容易对粉末造成污染，另一方面这些试剂在颗粒表面形成液体薄膜阻碍了钨铜的机械合金化。另外，在这些工艺中，都主要是围绕生成纳米钨铜复合粉末进行生产，烧结工艺依旧按照传统的冷压成形液相烧结工艺，烧结温度一般在1200℃以上，时间也一般在2h以上，不利于形成晶粒细小，组织均匀的高致密钨铜合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺简单，制备的钨铜合金组织均匀，氧含量低，晶粒小，致密度高的高致密细晶钨铜合金的制备方法。

本发明一种高致密细晶钨铜合金的制备方法，包括以下步骤：

第一步：原材料预还原处理

分别取纯铜粉、纯钨粉在氢气气氛中预还原，纯铜粉还原温度为：400~500℃；纯钨粉还原温度为：700~800℃；纯铜粉、纯钨粉的平均粒度均为2~15μm；

第二步：球磨

将第一步所得纯铜粉、纯钨粉混合均匀，置于密封球磨罐中，抽真空至10^-1~10^-2Pa，然后，向球磨罐中通入惰性气体至常压；首先，以400~500r/min的球磨转速高速干磨后；再向球磨罐中加入占球、料总质量0.1~0.2%的低分子助磨剂，然后，以125~200r/min的球磨转速低速湿磨，得到高固溶纳米晶钨铜复合粉末；

第三步：再还原

将第二步所得高固溶纳米晶钨铜复合粉末置于氢气气氛中，加热至700~800℃，保温0.5~1.0h，进行再还原；

第四步：烧结