鎢銅複合材料的(de)制(zhì)備工(gōng)藝

一(yī)、前言

鎢銅複合材料由于自(zì)身(shēn)的(de)諸多(d​γ'uō)優良特性，目前已廣泛應用(yòng)于大(dà)容量真空(kōng©​π)斷路(lù)器(qì)和(hé)微(wēi"'β✘)電(diàn)子(zǐ)領域^［1～4］。鎢具有(yǒu)高(gāo)的(de)熔點、低(dī)的(φ®™de)線膨脹系數(shù)和(hé)高( ☆gāo)的(de)強度；銅具有(yǒu)很(hěn)好(h&™εǎo)的(de)導熱(rè)性能(néng)和(hé)導電(diàn)‌™φ性能(néng)。兩種金(jīn)屬各有(≠λyǒu)所長(cháng)，但(dàn)鎢、銅互不(bù)相(§¶≠xiàng)溶，通(tōng)過粉末冶金(jīn)技(jì)術(shù)制(γ♦ zhì)造的(de)鎢銅複合材料兼具鎢、銅的(de)優點，可Ω​(kě)以滿足許多(duō)領域材料的(de)使用(y ↑Ωòng)要(yào)求。例如(rú)：鎢的(de)抗熔焊性能(néng)和≥ ↔£(hé)抗侵蝕能(néng)力好(hǎo)，銅的(de)導電(diàn)性能λ←"(néng)好(hǎo)，兩者結合用(yòng)于真空(kōng)>γ 斷路(lù)器(qì)，可(kě)以滿足真空(kōng)斷路(lΩ→‌≈ù)器(qì)大(dà)容量開(kāi)斷要(yào)求；鎢的(deλ→×)線膨脹系數(shù)小(xiǎo)，銅的(de)導熱(rè)性能(néng♠∏∏)好(hǎo)，鎢銅複合材料用(yòng)作(zuò)大(∏σ"dà)規模集成電(diàn)路(lù)和(hé)λ∞÷微(wēi)波器(qì)件(jiàn)中的(de)散熱(rè)元♠∑件(jiàn)，可(kě)以有(yǒu)效減少™<(shǎo)因散熱(rè)不(bù)足和(hé)線膨脹系數(shù)₩<∑差異導緻的(de)應力問(wèn)題，延長(cháng♣÷)電(diàn)子(zǐ)元件(jiàn<©Ω&)的(de)使用(yòng)壽命。

由于鎢和(hé)銅互不(bù)相(xiàng)溶×★ ₽，所以用(yòng)傳統的(de)燒結方法制(zhì)造全"σ緻密度鎢銅複合材料會(huì)遇到(dào)許多(duō)困難，經過各國(↓ ÷guó)科(kē)研人(rén)員(yuán)€ < 的(de)努力，發明(míng)了(le)許多(duō) →©δ方法生(shēng)産緻密的(de)鎢銅複合材料^［5～17］。本文(wén)在全面調研的(de)基礎上(shàng)綜述λ§÷了(le)國(guó)內(nèi)外(wài)有(yǒσ u)關文(wén)獻的(de)研究成果，詳細叙述各種工(gōng)藝及其'€特點，以供參考。

二、鎢銅複合材料的(de)制(zhì)備工(gōng)藝

鎢、銅的(de)熔點相(xiàng)差很(hěn)大(dà)$ ∑，鎢的(de)熔點高(gāo)于銅的(de)沸點且鎢銅不(bù)互溶ε↑，一(yī)般的(de)熔煉方法難以生(shēng)産鎢銅複合材料，目前隻有(ε•yǒu)粉末冶金(jīn)方法才能(néng)使©↓鎢銅複合材料制(zhì)造成為(wèi)現≥×(xiàn)實。其制(zhì)取方法主要(•Ω$yào)分(fēn)為(wèi)兩大(dà)類：熔滲法≤☆♣和(hé)直接燒結法。近(jìn)年(nián)來(lái)，由于納米技(>↕&jì)術(shù)的(de)飛(fēi)速發展，直接燒結法獲得(de)Ω§‌了(le)很(hěn)大(dà)的(de)發展。

（一(yī)）熔滲法

熔滲法分(fēn)為(wèi)高(gāo)溫燒←♥結鎢骨架後滲銅和(hé)低(dī)溫燒結部分(fēn)混和(hβ↑&™é)粉後滲銅兩種方法。

1、高(gāo)溫燒結鎢骨架法

高(gāo)溫燒結鎢骨架法的(de)典型工(gōng)藝§₹如(rú)下(xià)：

此種方法可(kě)以制(zhì)得(de)相(xiàn​β<₩g)對(duì)密度>99.2%的(de)鎢銅∞‍材料^［5］。由于采用(yòng)高(gāo)溫燒結，所以W φ還(hái)原很(hěn)充分(fēn)，低(dī)熔點雜(zá)質及難還(♥​hái)原的(de)低(dī)價氧化(huà)物(w↑λ‍♠ù)都(dōu)可(kě)以通(tōng)過揮發和(hé)熱(rè)γ​分(fēn)解除去(qù)。鎢銅材料的(de)含氧量較低(dī)、純度較高§∏ε(gāo)，高(gāo)溫燒結方法适宜于制(zhì)造銅的(de±™π)質量分(fēn)數(shù)［φ（Cu）］不(b>↓₽≈ù)大(dà)于15%的(de)鎢銅材料。利用(yòng)高(gāo)溫 ÷燒結法制(zhì)造的(de)材料相(xiàng)對(du•™♠←ì)密度高(gāo)，綜合性能(néng±©↔)好(hǎo)。高(gāo)溫燒結鎢骨架法的(de‍₽↕)其中缺點是(shì)生(shēng)産‌→≠工(gōng)藝周期長(cháng)且複雜(zá)，生(sh•♥ēng)産成本較高(gāo)。

2、部分(fēn)混合粉燒結滲銅法

部分(fēn)混合粉燒結滲銅法的(de)工(gōng)藝大(dà)緻有(yǒuλ™↓)以下(xià)兩種：

此種方法工(gōng)藝流程簡單，适宜于制(zhì<÷&↓)造φ（Cu）>20%的(de)鎢銅複合✘&>材料。這(zhè)種方法生(shēng)産的×ε(de)鎢銅材料，銅沿著(zhe)鎢晶界分(fē≈ ε∑n)布，鎢骨架強度不(bù)如(rú)高(gāo)溫燒結法，如(rú)用(yò↓&¶÷ng)此法作(zuò)為(wèi)斷路(lù)器(qì)中的(de)觸頭材©↑料，易産生(shēng)燒蝕現(xiàn)象。此法對(duì)原材料成分(fē₽™n)要(yào)求較高(gāo)，否則産品會(huì)含有 ♦♣(yǒu)較多(duō)的(de)雜(zá)←≈質和(hé)氣體(tǐ)。

b.文(wén)獻［6］介紹了(le)超細<♣δ↓鎢粉的(de)注射成形工(gōng)藝和(hé)熔✔‍‍π滲工(gōng)藝，工(gōng)藝流程如(rú)下(φ ‍xià)：

這(zhè)種工(gōng)藝生(shēng)産的(de)W－10%C'©→u和(hé)W－20%Cu相(xiàng)對(duìφ≈)密度均大(dà)于99%，利用(yòng)注射成形工(gō↑≥ng)藝可(kě)以制(zhì)取形狀複雜(zá)的(≈♣ de)零部件(jiàn)。此工(gōng)藝中熔滲燒結時$×¥>(shí)間(jiān)對(duì)産品的(Ωαde)性能(néng)影(yǐng)響較大(dà)，随著(zhe)熔滲時(sh§εΩ≤í)間(jiān)的(de)增加，産品的(de)相(xiàng)對(du'♣ì)密度、硬度、強度均有(yǒu)所提高(gāo)，↕★§λ但(dàn)超過某臨界值後性能(néng)反而下(xià)降。這(δ✔zhè)是(shì)因為(wèi)超細粉的(de)燒≈↑δ£結機(jī)理(lǐ)所決定的(de)，超細粉的&<♣(de)熔滲燒結過程中出現(xiàn)固溶析出現(xiàn∑φγ)象。

（二）直接燒結法

顧名思義，直接燒結法是(shì)将所需成分(fēn)的(de)鎢和(h∏€é)銅的(de)混合粉壓制(zhì)成形後直接燒結制(z✘β ₩hì)得(de)産品。根據所用(yòng)混合粉制£★₹(zhì)取方法的(de)不(bù)同，主要(yào)有(yǒu)混合氧化(h®​≤uà)物(wù)共還(hái)原法和(h$÷™é)機(jī)械合金(jīn)化(huàΩ )等工(gōng)藝；按粉末粒度大(dà)小₽±(xiǎo)不(bù)同，機(jī)械合金(jīγ‌♦n)化(huà)粉又(yòu)分(fēn)為(wèi)一(γ>§yī)般機(jī)械合金(jīn)化(huà)粉和(hé)機(jī)械×↔合金(jīn)化(huà)納米粉；另外(≈ wài)還(hái)有(yǒu)液相(xiàng)活化(huà)燒結φ÷‌法。以前這(zhè)種工(gōng)藝燒結後得(de)到(dào) ₹的(de)鎢銅材料密度較低(dī)（相(xiàng)對(duì)密度小(xiǎ≈®o)于97%）尤其是(shì)φ（Cu）<15™§÷↑%的(de)材料更為(wèi)嚴重，因此一(yī)般無法直接應用(↓γεyòng)。近(jìn)年(nián)來(lái)由于制(zhì)粉方法及粉的≤₽↔(de)預處理(lǐ)方法改進，可(kě)以得(de)δβ☆€到(dào)密度高(gāo)的(de)燒結産品（相(xiàng)對(duì)δ§>密度大(dà)于99%），因此引起普遍關注并獲'≤α≥得(de)迅速發展。

1、混合氧化(huà)物(wù)共還(hái)原粉法

文(wén)獻^［7～9］介紹的(de)典型工(gōng)藝如(rú)下(xià)：

從(cóng)文(wén)獻［7］的(de)圖表中可(kě)以φπ'看(kàn)出利用(yòng)共還(hái)原法可(kě)以制(zh≠♣ì)取含φ（Cu）>25%的(de)鎢銅≥<<‍材料，相(xiàng)對(duì)密度幾乎可(kě)以達到(dào)9&♠9%，但(dàn)對(duì)于φ（Cu）<20%的($∏≈de)鎢銅材料，此種方法生(shēng)産的(de)産品相(xi "×àng)對(duì)密度較低(dī)。所以文(wén €)獻^［9］的(de)方法有(yǒu)了(le)進一(yī)步™  ≥改進，對(duì)氧化(huà)物(wù)混合粉進✔÷行(xíng)機(jī)械合金(jīn)化(hu≠₽à)使之産生(shēng)納米晶。結果表明(míng)，隻在1150℃× π™進行(xíng)低(dī)溫燒結就(jiù)可(k€ ≤≤ě)獲得(de)相(xiàng)對(duì)密度大(dà)于97%的(de)W↑™－20%Cu材料。

2、活化(huà)液相(xiàng)燒結法^{［10～12］}

活化(huà)液相(xiàng)燒結即是(shì)在鎢銅材料中加✘"入第三種金(jīn)屬元素，液相(xiàng)燒結過程與鎢和(hé)銅♦™®β生(shēng)成中間(jiān)相(x≤γ↓iàng)或固溶，使鎢和(hé)銅發生(shēng)燒結作(zuò→♦≥)用(yòng)。文(wén)獻^{［10～12］}報(bào)道(dào)了(le)兩種比典型的(de)工☆γα(gōng)藝：

從(cóng)相(xiàng)圖中可(kě)以知γ♥>(zhī)道(dào)，在鎢銅材料中加入钴或鐵(tiě)作(zuò)為(w₽Ωλ↕èi)添加劑，钴和(hé)鐵(tiě)可(kě)以與鎢形成中&¶§‌間(jiān)相(xiàng)Co₇W₆及Fe₂W，并且在液态銅中有(yǒu)一(yī)定的(de)溶解度，↔≠≤钴和(hé)鐵(tiě)可(kě)在鎢顆粒的(de)邊緣形成一(§<>yī)個(gè)擴散能(néng)力很(hěn)強的(d∞♥"€e)邊界層，這(zhè)樣就(jiù)可(kě)起到(dào)增 φ↔☆強鎢銅材料的(de)燒結；而加入鎳，主要(yào)是(sh↕♣ ​ì)因為(wèi)鎳可(kě)以完全溶于液☆ ✔₹态銅中，在鎢中有(yǒu)一(yī)定的(de)£₽$溶解度，随著(zhe)燒結溫度的(de)增加，鎳在鎢中的(de)溶解度可↓↓÷(kě)以增加一(yī)些(xiē)，但(dàn)幅度→•不(bù)大(dà)，所以鎳的(de)作(zuò£✘®)用(yòng)就(jiù)不(bù)如(rú)钴和(hé)∏<♥鐵(tiě)。

3、機(jī)械合金(jīn)化(huà)納米粉法^{［13～17］}

文(wén)獻［16］介紹的(de)典型工‍®(gōng)藝是(shì)：

通(tōng)過機(jī)械合金(jīnδ∑)化(huà)方法可(kě)以很(hěn)方便地(dì)大(dà)量生(shē∑₽ng)産納米材料，長(cháng)時(shí)間(j​♦iān)的(de)高(gāo)能(néng)球磨處理¥'>(lǐ)，金(jīn)屬粉末的(de)特性發生(shēng)了>'£(le)變化(huà)。原來(lái)不(bù)相(xiàng)溶的(de÷₩→)金(jīn)屬産生(shēng)了(le)互溶現(xiàn)象。X射±←£線衍射分(fēn)析，經過65h球磨處理(lǐ)後，C®×u原子(zǐ)已經固溶入W晶體(tǐ)中^［17］。球磨過程中産生(shēng)大(dà)量的(de)晶體(tǐ$α)缺陷也(yě)增加了(le)合金(jīn)的$<↓(de)自(zì)由能(néng)，有(yǒu)​>助于産生(shēng)過飽和(hé)固溶體(tǐ)，所以經'¶↓‌過壓制(zhì)成形，在較低(dī)的(d∑←e)燒結溫度下(xià)，就(jiù)出現(xiàn)了(le)固相(x✘₽★↑iàng)燒結現(xiàn)象。通(tōng)✘↓₹常情況鎢銅固相(xiàng)燒結時(shβ₹í)晶粒幾乎不(bù)長(cháng)大(dॱδ)，而文(wén)獻^［15］報(bào)道(dào)經過機(jī)械合金(j®×‍īn)化(huà)處理(lǐ)的(de)鎢銅粉在固相(xiàng)燒結時(sh¶€≥í)晶粒尺寸長(cháng)大(dà)很(hěn)多(duō)，而微(wēi)≈δ$觀結構內(nèi)部也(yě)和(hé)液相₹×δ(xiàng)燒結相(xiàng)似。這(zhè)有↔÷α(yǒu)以下(xià)幾種原因：

（1）高(gāo)能(néng)球磨過程機(jī)械合金(jīn)化(♠δ↕huà)粉儲存的(de)能(néng)量在加熱(rè)過程得(de)到(​δdào)釋放(fàng)，亞穩态的(de)鎢銅晶粒轉變為(×¥wèi)穩定狀态，如(rú)産生(shēng)回γ€複和(hé)再結晶，出現(xiàn)晶粒長(cháng)大(dà)；

（2）球磨過程帶進的(de)雜(zá)質 ↑Ω，如(rú)Fe有(yǒu)助于鎢的(de)活化(>‌↓ huà)燒結，文(wén)獻^{［10～12］}報(bào)道(dào)微(wēi)量添加劑Fe、Ni、Co可(k♠•♣ ě)以引起鎢的(de)活化(huà)燒結；

（3）雜(zá)質的(de)存在可(kě)以産生(shēng)鎢銅的(de£ )液相(xiàng)活化(huà)燒結。機(jī)械合金(jīn)化(huà)σ♣< 法用(yòng)來(lái)制(zhì)得(de)Cu含量大(dà)‍σ±于20%的(de)W－Cu材料可(kě)以§↑取得(de)滿意的(de)結果，但(dàn)對(duì)于φ（Cu↑≤≥<）<15%的(de)W－Cu材料還(há↑β₽"i)有(yǒu)待進一(yī)步研究。

三、結束語

随著(zhe)現(xiàn)代工(gōng)業(yè)技(jì)術(✔‌♥↑shù)的(de)不(bù)斷發展，鎢銅♥<©複合材料的(de)制(zhì)造工(gōng)藝也(yě)在不(bù)斷完善$★ 和(hé)更新。總的(de)來(lái)說(shuō)，是(shì<€∞ε)在保證材料高(gāo)密度和(hé)使用(yòφ φng)性能(néng)的(de)前提下(x ←ià)，使工(gōng)藝簡單、節能(nén'∞φ∞g)和(hé)多(duō)樣化(huà)。例如(rú)七十年(nián≤←)代，利用(yòng)直接燒結法制(zhì)造含←±←£φ（Cu）<20%的(de)鎢銅材料，燒結溫度較高(gāo)但(dà₽<→>n)密度較低(dī)；九十年(nián)代，由于納米技(jì)術(s♣δ ×hù)的(de)發展，高(gāo)能(néng)球磨後的(de)鎢銅混♥​β₽合粉，經過較低(dī)溫度的(de)燒結，就(jiù)可(kě)獲得(de)密∏δ度很(hěn)高(gāo)的(de)W-2☆↓≤0%Cu材料；并且經過高(gāo)能(néng)球磨後，利用(yòn☆→g)注射成形技(jì)術(shù)可(kě)以制φ♦(zhì)造出密度很(hěn)高(gāo)，形狀 ♦©♣較為(wèi)複雜(zá)的(de)零部件(©€$jiàn)。目前制(zhì)造W－Cu複合材料的(de↑♥® )幾種方法，各有(yǒu)特點，問(wèn)題是(shì)λ©ε如(rú)何根據客觀情況，選取合适的(de)工(gōng)藝以達到(d♣≥ào)用(yòng)較低(dī)的(de<™&)成本生(shēng)産滿足使用(yòng)要(σδ≈≤yào)求的(de)鎢銅材料。