CN102061431B - 一种钨铜复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜钨复合材料，铜和钨互相包覆、贯通，铜钨复合材料成分为按照重量百分比钨的含量为60%-90%，其余为铜。制备方法为将钨丝进行酸洗和清洁后进行三维或二维编织，得到钨丝编织体；将铜材放置于石墨容器中，将得到的钨丝编织体放置于铜材上，在真空度大于1×10^-3Pa的真空环境下、在1200~1350℃温度下保温0.5~2小时；随炉冷却至室温后去除所得坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。这种制备方法所制备的铜钨复合材料具有可避免传统工艺制备的钨铜合金因混料不均匀导致的组织不均匀问题等优点。

Description

一种钨铜复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及复合材料的制备工艺，尤其是一种铜钨复合材料及其制备方法。

背景技术

钨铜复合材料兼有钨的高硬度、低膨胀系数，又有铜的高导电导热性，其导热、导电性能及热膨胀系数可以通过调整钨、铜组分含量加以设计，因此广泛应用于微波器件、集成电路封装材料、电接触材料等广泛领域。

制备钨铜复合材料的技术工艺通常有熔渗法、液相活化烧结法等两种方法。

熔渗法：将钨粉或掺入部分铜粉的混合粉末压制成坯块，然后在坯块上放置所需的铜粉（压块），使铜熔化渗入到压坯的孔隙中，形成钨铜材料。该技术方法的优点是钨粉压坯中的孔隙基本会被铜填充，气密性较好，缺点是产品尺寸变化大，精度低，需要预留较多的加工余量，不仅效率低，且原材料浪费较大，制造成本高。此外，该技术方法难以得到钨铜元素均匀分散、相互包裹的钨铜合金。

液相活化烧结法：这种方法采用常规粉末冶金工艺，即混粉、压制和烧结。为了降低烧结温度，在压坯中添加了微量的例如镍、钴、氧化铜等烧结助剂，从而达到降低烧结温度的效果。该技术的优点是烧结零件的尺寸精度较高，缺点是合金中引入了不需要的合金元素，降低了合金的导热率，此外，该技术方法制备得到的钨铜合金局部会存在微孔，因此气密性和热导率都低于熔渗法。

除了上述提到的一些局限性或缺点，上述两种技术方法还存在一些共同的缺陷：（1）粉末混料和烧结过程难以完全避免污染，使得合金中总的氧、氮等杂质含量较高，阻碍了其在高真空环境的应用；（2）合金中钨的分布均匀性难以得到保证。

本发明克服了上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种杂质含量低、致密度高、钨和铜相互包覆、相互贯通结构的钨铜复合材料及制备方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种铜钨复合材料，铜和钨互相包覆、贯通，其中，所述的钨的含量按照重量百分比为60%～90%，其余为铜。

对于上述钨的质量百分比含量可以为60，61，62，63，64，65，66，67，68，69，70，71，72，73，74，75，76，77，78，79，80，81，82，83，84，85，86，87，88，89或90%。

针对上述的钨铜复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，将直径为0.1～100 μm的钨丝进行酸洗和清洁后进行三维或二维编织，得到钨丝编织体；

步骤二，将铜材放置于石墨容器中，将得到的钨丝编织体放置于铜材上，在真空度大于1×10^-3Pa的真空环境下、在1200～1350℃温度下保温0.5～2小时；

步骤三，随炉冷却至室温后，将所得钨铜合金坯体表面多余的铜去除，即制成钨铜复合材料。

在上述方案的基础上，所述步骤二中铜材的重量为按照填充钨丝编织体孔隙需铜重量的105~110%。

在上述方案的基础上，上述步骤一中钨编织体的孔隙率为17，18，19或20%，步骤二中铜材的重量为按照填充钨丝编织体孔隙需铜重量的105，106,107,108,109或110%。

在上述方案的基础上，制备方法包括下述步骤：

步骤一，选用直径为15μm的钨丝，经15%盐酸酸洗后，用水冲洗后晾干；采用纤维编织机器将钨丝进行三维编织，控制编织参数，使得到的编织体的表观密度为15.5～16.0 g/cm³，此时钨编织体的孔隙率为17～20%；

步骤二，计算完全充填所得钨编织体孔隙所需的铜的重量，将计算重量110%的铜锭放入石墨容器中，再将钨丝编织体放置于铜锭上方，然后将石墨容器置于真空炉中，保持炉内真空度在1×10^-3Pa以上，加热升温速度为3～10℃/分钟，熔渗温度为1300℃，保温时间为1.5小时；

步骤三，随炉冷却至室温，取出后，去除钨铜材料坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。

在上述方案的基础上，制备方法也可按下述步骤：

步骤一，选用直径为25μm的钨丝，经15%盐酸酸洗后，用水冲洗后晾干，然后采用纤维编织机器将钨丝进行三维编织，控制编织参数，使得到的编织体的表观密度为11.5～12.0 g/cm³，此时钨编织体的孔隙率在38～40%；

步骤二，计算完全充填所得钨编织体孔隙所需的铜的重量，将计算重量105%的铜锭放入石墨容器中，再将钨丝编织体放置于铜锭上方，然后将石墨容器置于真空炉中，保持炉内真空度在1×10^-3Pa以上，加热升温速度为3～10℃/分钟，熔渗温度为1200℃，保温时间为2小时；

步骤三，随炉冷却至室温，取出后，去除钨铜材料坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。

由于控制不同的编制工艺参数，就可以得到不同孔隙率的预编织体，此时钨预编制体的表观密度只有理论密度的40～80%（即钨编织体的孔隙率为20～60%），而后再将孔隙率对应的渗铜量的105～110%（比如一个体积为10cm³、孔隙率为30%的预编制体，本来所需的理论渗铜量为26.7g ，而制备时的渗铜量为 29.3g ），熔渗填充后就得到致密的钨铜材料。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明所制备的钨丝编织体的孔隙是贯通的，在真空中，熔融的铜液非常容易填充到孔隙中，所得的钨铜合金具有接近于理论密度的高致密度;避免了传统工艺制备的钨铜合金因混料不均匀导致的组织不均匀现象;本发明制备的钨铜合金允许的成分变化范围大，在此范围内，合金中的钨与铜都能形成相互包覆、相互贯通的结构;由于熔渗过程是在高真空条件下进行的，所制备的钨铜合金的氧含量和杂质含量较低。

具体实施方式

以下结合两个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本发明的技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。

实施例1

一种钨铜合金，包含以下组分和含量（重量百分比）：钨90%，铜10%。制备方法包括以下步骤：

步骤一，选用直径为15μm的钨丝，经15%盐酸酸洗后，用水冲洗后晾干；采用纤维编织机器将钨丝进行三维编织，控制编织参数，使得到的编织体的的孔隙率为17～20%，此时钨编织体表观密度为15.5～16.0 g/cm³。

步骤二，计算完全充填所得钨编织体孔隙所需的铜的重量，将计算重量110%的铜锭放入石墨容器中，再将钨丝编织体放置于铜锭上方。将石墨容器置于真空炉中，保持炉内真空度在1×10^-3Pa以上，加热升温速度为3～10℃/分钟，熔渗温度为1300℃，保温时间为1.5小时；

步骤三，随炉冷却至室温，取出后，去除钨铜材料坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。

实施例2

一种钨铜合金，包含以下组分和含量（重量百分比）：钨75%，铜25%。制备工艺包括以下步骤：

步骤一，选用直径为25μm的钨丝，经15%盐酸酸洗后，用水冲洗后晾干，然后采用纤维编织机器将钨丝进行三维编织，控制编织参数，使得到的编织体的孔隙率为38～40%，此时钨编织体的表观密度为11.5 ～12.0g/cm³；

步骤二，计算完全充填所得钨编织体孔隙所需的铜的重量，将计算重量105%的铜锭放入石墨容器中，再将钨丝编织体放置于铜锭上方。将石墨容器置于真空炉中，保持炉内真空度在1×10^-3Pa以上，加热升温速度为3～10℃/分钟，熔渗温度为1200℃，保温时间为2小时；

步骤三，随炉冷却至室温，取出后，去除钨铜材料坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。

Claims (4)

1.一种钨铜复合材料的制备方法，其特征是制备方法包括如下步骤：

步骤一，将直径为0.1~100 μm的钨丝进行酸洗和清洁后进行三维编织，得到钨丝编织体；

步骤二，将铜材放置于石墨容器中，将得到的钨丝编织体放置于铜材上，在真空度大于1×10^-3Pa的真空环境下、在1200~1350℃温度下保温0.5~2小时；

步骤三，随炉冷却至室温后，将所得钨铜合金坯体表面多余的铜去除，即制成钨铜复合材料；

上述铜钨复合材料为铜和钨互相包覆、贯通，且按照重量百分比钨的含量为60%-90%，其余为铜。

2.据权利要求1所述的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：

步骤2中铜材的重量为按照填充钨丝编织体孔隙需铜重量的105~110%。

3.根据权利要求1或2所述的钨铜合金的制备方法，其特征在于制备方法包括下述步骤：

步骤一，选用直径为15μm的钨丝，经15%盐酸酸洗后，用水冲洗后晾干；采用纤维编织机器将钨丝进行三维编织，控制编织参数，使得到的编织体的表观密度为15.5-16.0 g/cm³，此时钨编织体的孔隙率为17-20%；

步骤二，计算完全充填所得钨编织体孔隙所需的铜的重量，将计算重量110%的铜锭放入石墨容器中，再将钨丝编织体放置于铜锭上方，然后将石墨容器置于真空炉中，保持炉内真空度大于1×10^-3Pa，加热升温速度为3~10℃/分钟，熔渗温度为1300℃，保温时间为1.5小时；

步骤三，随炉冷却至室温，取出后，去除钨铜材料坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。

4.根据权利要求1或2所述的钨铜合金的制备方法，其特征在于制备方法包括下述步骤：

步骤一，选用直径为25μm的钨丝，经15%盐酸酸洗后，用水冲洗后晾干，然后采用纤维编织机器将钨丝进行三维编织，控制编织参数，使得到的编织体的表观密度为11.5-12.0 g/cm³，此时钨编织体的孔隙率在38-40%；

步骤二，计算完全充填所得钨编织体孔隙所需的铜的重量，将计算重量105%的铜锭放入石墨容器中，再将钨丝编织体放置于铜锭上方，然后将石墨容器置于真空炉中，保持炉内真空度大于1×10^-3Pa，加热升温速度为3~10℃/分钟，熔渗温度为1200℃，保温时间为2小时；

步骤三，随炉冷却至室温，取出后，去除钨铜材料坯体表面多余的铜，即制成钨铜复合材料。