CN102492884A - 一种新型钨铜锌合金材料的制备方法 - Google Patents

一种新型钨铜锌合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钨铜锌合金材料的制备方法。具体工艺为：将微米级纯钨粉以及表面包覆纯铜钨粉与微米级铜粉、锌粉经配料、混合、冷等静液挤压以及放电等离子烧结(SPS)等方法制备出一种相对密度在95％以上的钨铜锌合金材料。其优点在于：通过本发明所述的制备方法能够制备出相对密度在95％以上，同时具有较高硬度和较高强度的钨铜锌复合材料。黄铜相对于纯铜具有较高的强度和硬度，综合钨的高强度、高密度以及黄铜的高导电率、高导热率、较高强度和硬度等性能，制备出一种适用于电火花加工、电子封装及航空航天材料领域的耐高温、耐腐蚀的钨铜锌合金材料。

Description

一种新型钨铜锌合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高熔点金属和金属复合材料的制备工艺，属于冶金技术领域，尤其是一种新型钨铜锌合金材料的制备方法。
背景技术
本发明涉及的钨基复合材料为钨-铜锌合金材料。钨铜复合材料兼有钨的高密度、低热膨胀系数，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、电接触材料以及军事工业中的破甲材料等领域。
制备钨铜复合材料的技术工艺通常有溶渗法以及粉末冶金烧结法等两种方法。
钨铜材料虽然兼有钨和铜的优点，但也有其相应的缺点。由于纯铜的强度较低，一般低于200MPa，导致无论采用溶渗法还是粉末冶金烧结法制备的钨铜复合材料强度以及韧性难以达到使用要求。
本发明解决了钨铜复合材料强度低、硬度低的问题，同时使新制备的钨铜锌合金材料具备钨的高密度和黄铜较高的硬度、较高的强度和导热性、导电性能性能。
发明内容
本发明的目的在于克服钨铜复合材料强度和硬度低的缺点，提供一种兼具钨和铜优点且具有较高强度、高硬度的钨铜锌合金复合材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：利用黄铜取代纯铜作为钨铜复合材料中的粘结相，黄铜和钨互相包覆、贯通，其中钨的含量为60％～80％，其余为黄铜，并且利用放电等离子烧结设备对材料进行电脉冲热处理，控制钨铜锌合金材料内部黄铜粘结相的相结构来调整材料强韧性。
对于上述钨的质量百分比含量可以为60-80％；黄铜粘结相中铜的质量百分比可以为59-70％。
针对上述的钨铜锌合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述钨铜锌合金材料的成分含量进行配料，利用“V”型混料器将金属钨粉或表面镀铜钨粉、金属铜粉以及金属锌粉按一定质量百分比进行混合。
(2)将步骤(1)中混合好的合金元素粉末在氢气氛中还原，得到混合充分且极少被氧化的三种纯金属粉末的机械混合物。
(3)将还原后的金属粉末装入石墨模具中，利用放电等离子体进行烧结，烧结温度为800℃～1200℃，施加压力为20MPa～50MPa，烧结保温时间为1min～5min，烧结气氛为真空或氩气保护。
(4)将烧结制备后的合金材料在放电等离子烧结设备中进行电脉冲真空热处理，调控合金组织中的析出相形貌及成分，热处理采用温度为400℃～800℃，保温时间为2h～4h，随炉冷却至室温。
相对于现有钨铜复合材料，本发明制备的新型钨-黄铜复合材料具有如下优点：
本发明制备的新型钨铜锌合金材料除具备钨的高熔点、高密度和低的热膨胀系数等特点，兼具铜的高导热性和高导电性，同时本材料还具有黄铜材料所具有的高硬度、高强度等特点。可以通过放电等离子烧结设备进行真空热处理，通过控制黄铜粘结相的相组成来调整材料的强度和硬度。
附图说明
图1为钨铜锌合金整体形貌；
图2为钨铜锌合金局部放大形貌。
具体实施方式
以下结合六个具体实施例，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，因此不能理解为对本发明技术方案的限定。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
一种钨铜锌合金材料，包含以下组分和含量(重量百分比)：钨80％，黄铜粘结相中铜59％，锌41％，制备方法包括以下步骤：
步骤一，选用平均粒径为2～4μm的钨粉、铜粉和锌粉，利用“V”型混料器混合24h后利用氢气进行还原，得到纯度在95％以上的三种金属粉末的混合物。
步骤二，将混合好的粉末放入石墨模具中，在放电等离子烧结设备中进行真空烧结。烧结工艺采用烧结温度800℃，升温速率为50℃/min，保温时间5min进行固相烧结。
步骤三，将烧结制备得到的钨铜锌合金材料继续在放电等离子烧结设备中进行热处理，热处理温度采用600℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到调控粘结相组成的钨-铜锌合金材料。
实施例2
一种钨铜锌合金材料，包含以下组分和含量(重量百分比)：钨80％，黄铜粘结相中铜68％，锌32％，制备工艺包括以下步骤：
步骤一，选用平均粒径为2～4μm的钨粉、铜粉和锌粉，利用“V”型混料器混合24h后利用氢气进行还原，得到纯度在95％以上的三种金属粉末的混合物。
步骤二，将混合好的粉末放入石墨模具中，在放电等离子烧结设备中进行真空烧结。烧结工艺采用烧结温度800℃，升温速率为50℃/min，保温时间5min进行固相烧结。
步骤三，将烧结制备得到的钨铜锌合金材料继续在放电等离子烧结设备中进行热处理，热处理温度采用600℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到调控粘结相组成的钨铜锌合金材料。
实施例3
一种钨铜锌合金材料，包含以下组分和含量(重量百分比)：钨80％，黄铜粘结相中铜59％，锌41％，制备方法包括以下步骤：
步骤一，在钨粉表面利用化学镀的方式包覆一层铜，镀层厚度为50nm，将平均粒径为2～4μm的镀铜钨粉、铜粉以及锌粉利用“V”型混料器混合24h后利用氢气进行还原，得到纯度在95％以上的三种金属粉末的混合物。
步骤二，将混合好的粉末放入石墨模具中，在放电等离子烧结设备中进行真空烧结。烧结工艺采用烧结温度800℃，升温速率为50℃/min，保温时间5min进行固相烧结。
步骤三，将烧结制备得到的钨-黄铜材料继续在放电等离子烧结设备中进行热处理，热处理温度采用600℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到调控粘结相组成的钨铜锌合金材料。
实施例4
一种钨铜锌合金材料，包含以下组分和含量(重量百分比)：钨80％，黄铜粘结相中铜59％，锌41％，制备方法包括以下步骤：
步骤一，选用平均粒径为2～4μm的钨粉、铜粉和锌粉，利用“V”型混料器混合24h后利用氢气进行还原，得到纯度在95％以上的三种金属粉末的混合物。
步骤二，将混合好的粉末放入石墨模具中，在放电等离子烧结设备中进行真空烧结。烧结工艺采用烧结温度1200℃，升温速率为50℃/min，保温时间5min进行液相烧结。
步骤三，将烧结制备得到的钨铜锌合金材料继续在放电等离子烧结设备中进行热处理，热处理温度采用400℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到调控粘结相组成的钨铜锌合金材料。
实施例5
一种钨铜锌合金材料，包含以下组分和含量(重量百分比)：钨80％，黄铜粘结相铜68％，锌32％，制备工艺包括以下步骤：
步骤一，选用平均粒径为2～4μm的钨粉、铜粉和锌粉，利用“V”型混料器混合24h后利用氢气进行还原，得到纯度在95％以上的三种金属粉末的混合物。
步骤二，将混合好的粉末放入石墨模具中，在放电等离子烧结设备中进行真空烧结。烧结工艺采用烧结温度1200℃，升温速率为50℃/min，保温时间5min进行液相烧结。
步骤三，将烧结制备得到的钨铜锌合金材料继续在放电等离子烧结设备中进行热处理，热处理温度采用400℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到调控粘结相组成的钨铜锌合金材料。
实施例6
一种钨铜锌合金材料，包含以下组分和含量(重量百分比)：钨80％，黄铜粘结相中铜59％，锌41％，制备方法包括以下步骤：
步骤一，在钨粉表面利用化学镀的方式包覆一层铜，镀层厚度为50nm，将平均粒径为2～4μm的镀铜钨粉、铜粉以及锌粉利用“V”型混料器混合24h后利用氢气进行还原，得到纯度在95％以上的三种金属粉末的混合物。
步骤二，将混合好的粉末放入石墨模具中，在放电等离子烧结设备中进行真空烧结。烧结工艺采用烧结温度1200℃，升温速率为50℃/min，保温时间5min进行液相烧结。
步骤三，将烧结制备得到的钨铜锌材料继续在放电等离子烧结设备中进行热处理，热处理温度采用400℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到调控粘结相组成的钨铜锌合金材料。

Claims (6)

1.一种新型钨铜锌合金材料的制备方法，其特征在于：所述钨铜锌合金材料中钨的含量为60-80％，其余为粘结相黄铜，其中铜的质量百分比为59-70％；其制备方法包括如下步骤：
(1)按照上述钨铜锌合金材料的成分含量进行配料，利用“V”型混料器将金属钨粉或表面镀铜钨粉、金属铜粉以及金属锌粉按一定质量百分比进行混合。
(2)将步骤(1)中混合好的合金元素粉末在氢气氛中还原，得到混合充分且极少被氧化的三种纯金属粉末的机械混合物。
(3)将还原后的金属粉末装入石墨模具中，利用放电等离子体进行烧结，烧结温度为800℃～1200℃，施加压力为20MPa～50MPa，烧结保温时间为1min～5min，烧结气氛为真空或氩气保护。
(4)将烧结制备后的合金材料在放电等离子烧结设备中进行电脉冲真空热处理，调控合金组织中的析出相形貌及成分，热处理采用温度为400℃～800℃，保温时间为2h～4h，随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的钨铜锌合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，钨粉和表面镀铜钨粉、铜粉以及锌粉的平均粒度为2～4μm，钨粉表面镀铜的镀层厚度为20nm～200nm；所述步骤(2)中还原采用氢气还原法。
3.根据权利要求1和2所述的钨铜锌合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的利用放电等离子体进行烧结为固相烧结、液相烧结或分步烧结。
4.根据权利要求1和2所述的钨铜锌合金材料的制备方法，其特征在于：粉末在“V”型混料器中混合24h以上，应使粉末混合充分，且烧结成型后黄铜粘结相能够均匀的分布于钨颗粒之间。
5.根据权利要求4所述的钨铜锌合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，在放电等离子烧结设备中热处理控制黄铜粘结相的α、β相的成分，控制析出相的成分含量。
6.根据权利要求1所述的钨铜锌合金材料的制备方法，其特征在于：烧结后材料的致密度在95％以上，钨晶粒的平均粒径在3～6μm，烧结制备后的材料硬度在HRC40以上。
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