CN102433480A

CN102433480A - 一种低骨架连通度钨铜合金材料及其制备方法

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Publication number: CN102433480A
Application number: CN2011103905488A
Authority: CN
Inventors: 刘金旭; 李树奎; 郭文启; 呼陟宇; 王迎春
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种低骨架连通度钨铜合金及其制备方法，钨铜合金的成分为：W含量为60～80％，Cu含量为20～40％。该方法的具体步骤是：步骤1、选择钨粉的粒径；步骤2、钨粉前处理：按所制钨铜合金的质量百分比计算出钨的质量，并依照步骤1选择的粒径称取钨粉，并对钨粉进行表面预处理；步骤3、制备复合粉末：采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉末；步骤4、混粉：利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合；步骤5、最终烧结：采用放电等离子烧结技术对由步骤4制得的混合粉末进行烧结，得到低骨架连通度的钨铜合金。本发明制备的钨铜合金成分均匀，组织细小，导电导热性能好，热膨胀系数低，同时具有良好的拉伸性能，适用于电火花加工、电子封装及航空航天材料的制备与应用领域。

Description

一种低骨架连通度钨铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末技术冶金领域，尤其涉及一种低骨架连通度钨铜合金的制备方法。

背景技术

钨铜合金由高熔点、高硬度的钨和高导电、导热率的铜所构成的伪合金，具有良好的导电性、抗熔焊性和高强度、高硬度等优点，目前在电子、军工、航天等领域有着广泛的应用。随着科学技术的发展，工业实际应用对W-Cu材料性能的要求越来越高。

传统的钨铜合金一般由高温液相烧结法和熔渗法制备。高温液相烧结法制备钨铜合金是通过在铜熔点以上的高温液相烧结使其致密化。其特点是生产工序简单易控。但缺点是烧结温度较高、烧结时间较长、烧结密度较低(只为理论密度的90％～95％)和烧结性能较差，难以满足使用要求。熔渗法是将钨粉压制成坯块，在一定温度下预烧制备成具有一定密度和强度的钨骨架，然后将熔点较低的金属铜熔化渗入到钨骨架中，从而得到较致密的钨铜合金的方法。但铜含量较低的钨铜合金利用熔渗法难以制备，且铜容易发生不均匀分布，影响材料的导电导热性能与力学性能。

随着大规模集成电路、大功率电子器件和航空航天材料的发展，对钨铜合金的性能也提出了更高的要求，要求材料具有：(1)高的密度与致密度；(2)更高的导电与导热性能；(3)更好的耐高温耐烧蚀性能；(4)更好的的力学性能，尤其是抗拉强度和韧性。利用传统方法制备的钨铜合金已经难以满足这些特殊的要求。

利用钨铜复合粉末制备钨铜合金可以部分程度上改善上述问题，例如机械化合金法、溶胶-凝胶法等，但成分混合不均匀的问题并没有从根本上得到解决。

采用化学镀的方法制备W-Cu复合粉末，在钨粉表面包覆一层均匀、致密的铜镀层。利用铜包覆钨复合粉末制备的钨铜合金可避免钨颗粒之间的直接接触，为制备低骨架连通度的钨铜合金提供良好的基础。化学镀铜过程中的钨粉表面处理、沉积速率等原理性问题已进本得到解决，如中国专利ZL200910083113.1。但实际生产钨铜合金当中如何大幅提高镀层厚度，使得钨颗粒之间接触程度尽可能低、如何通过控制混合粉末中不同粉末的比例以及等离子烧结温度来得到具有低骨架连通度和高拉伸性能的钨铜合金，还都属于尚未解决的问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种具有低骨架连通度与高拉伸性能的钨铜合金的制备方法。

本发明的低骨架连通度钨铜合金的成分质量百分比为：Cu含量为20％～40％，余量为W；优选80W％、20％Cu或75％W、25％Cu或70％W、30％Cu或65％W、35％Cu或60％W、40％Cu。

上述的具有低骨架连通度和高拉伸性能的钨铜合金的制备方法如下：

步骤1：选择适当粒径尺寸的钨粉(2～6μm)，利用HCl、SnCl₂、PdCl₂对原始钨粉进行活化和敏化，活化剂为HCl和SnCl₂，浓度为5％～30％，活化时间为30～50min；敏化剂为PdCl₂，敏化时间为30～50min；

步骤2：采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉，镀液pH值为12～14，温度为50～60℃，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，最终混合粉末中的质量分数百分比为Cu含量为20％～40％，W含量为60％～80％，球磨时间1～10h；

步骤3：采用放电等离子烧结技术对混合粉末进行烧结，烧结温度800～1100℃，升温速率50～150℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连通度的钨铜合金。

上述的化学镀镀液的成分为五水硫酸铜、酒石酸钾钠、甲醛、氢氧化钠、二联吡啶当中的一种或几种。

本发明相对于现有的钨铜合金，其优势在于：

(1)本发明首先对钨粉进行表面预处理，使钨粉具有较好的催化活性。化学镀主盐为CuSO₄·5H₂O，还原剂为甲醛。通过调整镀液的pH值和反应温度，提高镀液的稳定性，并保证一定的反应速率，以得到组织分布均匀且钨-钨之间接触程度低的铜包覆钨复合粉末，这为制备具有低骨架连通度的钨铜合金提供了良好的基础。

(2)为了进一步降低钨颗粒之间接触程度，在烧结前将复合粉末再与一定比例的铜粉进行混合，将混合后的粉末放入特制的模具中进行放电等离子烧结，放电等离子烧结为固相烧结，可以增强钨铜两相自身的活性，改善两相之间润湿条件，有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结，从而得到具有低骨架连通度的钨铜合金。

(3)低骨架连通度钨铜合金具有良好的组织均匀性以及较高的致密度，满足电极用钨铜合金高致密度、高均匀性、高导电导热性和良好的耐高温耐烧蚀性能的要求；同时，低骨架连通度钨铜合金在塑性变形过程中主要依靠铜相的滑移来协调整体变形，因而具有良好的塑性变形能力，满足钨铜合金应用于航天以及机械领域中特定的力学要求。

附图说明

图1为铜包覆钨复合粉末整体形貌；

图2为铜包覆钨复合粉末颗粒形貌；

图3为低骨架连通度钨铜合金整体形貌；

图4为低骨架连通度钨铜合金局部放大形貌。

具体实施方式

实施例1

1、选择直径为4μm的钨粉，利用HCl、SnCl₂、PdCl₂对原始钨粉进行活化和敏化，活化剂为HCl和SnCl₂，浓度为10％，活化时间为30min；敏化剂为PdCl₂，敏化时间为30min；

2、采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉末，镀液pH值为13，温度为50℃，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，最终混合粉末中的质量分数百分比为Cu含量为20％，W含量为80％，球磨时间4h；

3、采用放电等离子烧结技术对混合后的粉末进行烧结，烧结温度800℃，升温速率50℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连通度的钨铜合金。该钨铜合金致密度达98％以上，显微组织细小且均匀，具有较低的骨架连通度。

实施例2

1、选择直径为4μm的钨粉，利用HCl、SnCl₂、PdCl₂对原始钨粉进行活化和敏化，活化剂为HCl和SnCl₂，浓度为10％，活化时间为35min；敏化剂为PdCl₂，敏化时间为35min；

2、采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉末，镀液pH值为13，温度为55℃，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，最终混合粉末中的质量分数百分比为Cu含量为25％，W含量为75％，球磨时间4h；

3、采用放电等离子烧结技术对混合后的粉末进行烧结，烧结温度850℃，升温速率100℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连通度的钨铜合金。该钨铜合金致密度达98％以上，显微组织细小且均匀，具有较低的骨架连通度。

实施例3

1、选择直径为3μm的钨粉，利用HCl、SnCl₂、PdCl₂对原始钨粉进行活化和敏化，活化剂为HCl和SnCl₂，浓度为10％，活化时间为40min；敏化剂为PdCl₂，敏化时间为40min；

2、采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉末，镀液pH值为13，温度为60℃，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，最终混合粉末中的质量分数百分比为Cu含量为30％，W含量为70％，球磨时间4h；

3、采用放电等离子烧结技术对混合后的粉末进行烧结，烧结温度900℃，升温速率150℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连通度的钨铜合金。该钨铜合金致密度达98.5％以上，显微组织细小且均匀，具有低的骨架连通度。

实施例4

1、选择直径为3μm的钨粉，利用HCl、SnCl₂、PdCl₂对原始钨粉进行活化和敏化，活化剂为HCl和SnCl₂，浓度为10％，活化时间为45min；敏化剂为PdCl₂，敏化时间为45min；

2、采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉末，镀液pH值为13，温度为60℃，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，最终混合粉末中的质量分数百分比为Cu含量为35％，W含量为65％，球磨时间4h；

3、采用放电等离子烧结技术对混合后的粉末进行烧结，烧结温度950℃，升温速率150℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连通度的钨铜合金。该钨铜合金致密度达99％以上，显微组织细小且均匀，具有低的骨架连通度。

Claims

1.一种低骨架连通度钨铜合金材料，其特征在于：钨铜合金的成分为：W含量为60～80％，Cu含量为20～40％，该合金材料是通过化学镀结合放电等离子烧结制备得到的。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于：材料成分按质量百分比为：80％W，20％Cu。

3.如权利要求1所述的材料，其特征在于：材料成分按质量百分比为：75％W，25％Cu。

4.如权利要求1所述的材料，其特征在于：材料成分按质量百分比为：70％W，30％Cu。

5.如权利要求1所述的材料，其特征在于：材料成分按质量百分比为：65％W，35％Cu。

6.如权利要求1所述的材料，其特征在于：材料成分按质量百分比为：60％W，40％Cu。

7.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述材料是通过以下过程制备的：(1)采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉末，其中钨粉直径为2～6μm，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，球磨时间1～10h；

(2)采用放电等离子烧结技术对混合粉末进行烧结，烧结温度800～1100℃，升温速率为50～150℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连接度的钨铜合金。

8.如权利要求1所述的一种低骨架连通度钨铜合金材料的制备方法，其特征在于：

(1)选择适当粒径尺寸的钨粉(2～6μm)，利用HCl、SnCl₂、PdCl₂对原始钨粉进行活化和敏化，活化剂为HCl和SnCl₂，浓度为5％～30％，活化时间为30～50min；敏化剂为PdCl₂，敏化时间为30～50min；

(2)采用化学镀的方法制备铜包覆钨复合粉，镀液pH值为12～14，温度为50～60℃，再利用行星球磨机将铜包覆钨复合粉末与一定比例的铜粉进行混合，制成混合粉末，最终混合粉末中的质量分数百分比为Cu含量为20％～40％，W含量为60％～80％，球磨时间1～10h；

(3)采用放电等离子烧结技术对混合粉末进行烧结，烧结温度800～1100℃，升温速率50～150℃/min，保温时间5min，最终得到具有高致密度和低骨架连通度的钨铜合金。

9.如权利要求8所述的一种低骨架连通度钨铜合金材料的制备方法，其特征在于：上述的化学镀过程中镀液的成分为五水硫酸铜、酒石酸钾钠、甲醛、氢氧化钠和二联吡啶。