熔滲用多孔鉬骨架制備工藝研究

梁 靜，林小輝，李來平，王國棟，張 新

(西北有色金屬研究院，陜西西安710016)

0 前言

鉬銅合金是由鉬和銅組成的互不相溶的一種“假合金”，它既具備了銅優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，又具備了鉬的低熱膨脹系數(shù)和高強度，而且，其熱膨脹系數(shù)可以通過調(diào)節(jié)鉬/銅比例進(jìn)行設(shè)計，因而，具有優(yōu)異的熱學(xué)與電學(xué)性能。被廣泛應(yīng)用在電觸頭、熱沉、電子封裝以及航天高溫材料等領(lǐng)域［1～4］。目前，上述領(lǐng)域的快速發(fā)展及新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，如電動汽車行業(yè)，對鉬銅合金的需求量急劇增多，同時，對其質(zhì)量也有了更高的要求。鉬銅合金目前主要的制備方法有粉末混合法、熔滲法、機械合金化、液相燒結(jié)法等，但發(fā)展較為成熟、使用最為廣泛的仍為熔滲法［5］。而作為銅熔滲的載體，鉬多孔骨架的性能參數(shù)，如孔隙形貌、燒結(jié)特性的控制等是決定熔滲過程的關(guān)鍵，也是影響鉬銅合金最終質(zhì)量好壞的重要因素，因此，對多孔鉬骨架制備技術(shù)及性能的研究，是鉬銅材料研究中需要解決的關(guān)鍵問題。本文從制備鉬骨架的鉬粉選型入手，通過在其中添加不同比例的添加劑，采用不同的燒結(jié)工藝，制備了不同孔隙率的多孔鉬骨架，系統(tǒng)研究了制備及燒結(jié)過程中各因素如粉末粒度、燒結(jié)溫度等對熔滲用鉬銅合金鉬骨架孔隙形貌和性能的影響。

1 實驗方法

實驗采用的2種鉬粉的平均費氏粒度分別為3.12 μm和5.02 μm(以下分別以40#和38#表示)。粉末形貌如圖1所示。

圖1 實驗所用鉬粉形貌

在以上2種粒度的鉬粉中分別添加2%和4%的ON添加劑進(jìn)行混合，混料時間2 h。將混合均勻的粉末在YD－300液壓壓力成型機上壓制成直徑為φ50，厚度不等的圓片。壓坯致密度采用限定壓坯厚度的方法進(jìn)行控制，使壓坯初始致密度基本維持在40%～60%之間，波動不超過±2%。將壓制好的壓坯在不同溫度下氫氣氛保護(hù)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)分別為1 550℃、1 650℃、1 750℃，保溫時間2 h，試樣隨爐冷卻，最終得到致密度約為50%～90%的多孔鉬骨架。采用JSM－6460型掃描電子顯微鏡對多孔鉬骨架的孔隙形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓坯致密度與燒結(jié)體致密度的關(guān)系

圖2是壓坯致密度與不同溫度下燒結(jié)后鉬骨架致密度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，多孔鉬骨架致密度隨壓坯致密度的增加呈現(xiàn)出線性增長，但當(dāng)壓坯致密度較高時(如達(dá)到60%時)，鉬骨架的燒結(jié)收縮量相對略有下降，下降量在0.5%～3%之間。粉末粒度對于燒結(jié)過程中鉬骨架致密化的影響非常明顯。當(dāng)其他條件相同時，40#粉末(3.12 μm)坯體的燒結(jié)收縮量要明顯高于38#粉末(5.02 μm)坯體，收縮量提高約9.1%～14.6%。其中，隨著坯體致密度的增大，不同粒度坯體之間燒結(jié)收縮量的差距逐漸減小。通過該圖不同參數(shù)的變化，可以在已知壓坯初始致密度的前提下較為準(zhǔn)確地預(yù)測不同工藝下燒結(jié)體的致密度。

圖2 不同燒結(jié)溫度下壓坯致密度與燒結(jié)體致密度的關(guān)系

2.2 燒結(jié)溫度對坯體燒結(jié)收縮量的影響

圖3所示是燒結(jié)溫度對38#粉末壓坯燒結(jié)收縮量的影響。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 550℃時，坯體的燒結(jié)收縮變化較小，致密度增加量約8%～10%，這表明對于鉬骨架的燒結(jié)，該燒結(jié)溫度過低。隨著燒結(jié)溫度升高到1 650℃，燒結(jié)體的致密度較壓坯提高了約16%～19%，與本次試驗的預(yù)期燒結(jié)收縮量基本相符(實驗初期預(yù)期燒結(jié)收縮為15%～20%)，燒結(jié)溫度及保溫時間選擇合理。但當(dāng)溫度為1 750℃時，坯體致密度增加量達(dá)到了21%～26%。鉬骨架致密度過高，不利于熔滲的進(jìn)行。40#粉末在燒結(jié)過程中表現(xiàn)出與38#相同的變化趨勢，相同燒結(jié)溫度下，40#燒結(jié)體的致密度比38#燒結(jié)體平均高出7%～15%，并且隨燒結(jié)溫度的繼續(xù)升高，燒結(jié)體致密度的增加量趨于減小，特別是壓坯初始致密度較高時，燒結(jié)收縮變小。

圖3 燒結(jié)溫度對未添加添加劑的燒結(jié)體燒結(jié)收縮量的影響

2.3 添加劑含量對燒結(jié)體致密度的影響

圖4是添加劑含量對燒結(jié)體收縮變化量的影響。在燒結(jié)溫度一定時，添加劑含量對38#鉬骨架致密度的影響基本呈現(xiàn)出一個下降趨勢，但影響并不明顯，添加劑含量從0%增加到4%，燒結(jié)致密度的變化基本維持在0%～2%之間。而對于40#鉬骨架在添加2%時，致密度下降較明顯，比未添加時降低了5%左右，但隨添加量增大，燒結(jié)體致密度基本不變。所以，少量添加劑的添加對于燒結(jié)過程中鉬骨架致密度的提高影響很小。但從鉬骨架微觀形貌觀察可以看出，添加劑的加入對孔隙形貌會產(chǎn)生明顯影響(如圖6所示)。添加劑對鉬多孔骨架致密度影響不大的主要原因可能是因為添加劑在200～300℃左右開始揮發(fā)造孔，但隨著燒結(jié)溫度的進(jìn)一步提高，添加劑揮發(fā)所產(chǎn)生的大量孔隙會隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行，如粉末顆粒間接觸面積增大，燒結(jié)頸的長大而大量消失，從而低溫下較高的孔隙率在高溫下降低到與未添加的燒結(jié)體相近的水平，對鉬骨架致密度的影響減小。

圖4 添加劑含量對1 550℃燒結(jié)體燒結(jié)收縮量的影響

2.4 不同致密度下燒結(jié)體孔隙形貌

2.4.1 不同致密度及添加劑含量燒結(jié)體的孔隙形貌

圖5為38#粉末壓坯在1 650℃燒結(jié)后的孔隙形貌。對照圖5中(a)、(b)、(c)圖可以看出，壓坯的初始致密度對燒結(jié)體孔隙結(jié)構(gòu)的影響非常明顯。壓坯致密度為40%時，燒結(jié)體最終致密度為57.7% (圖5a)，孔隙之間相互連接，貫通孔較多，斷裂方式主要以燒結(jié)顆粒之間的脫粘開裂為主，含有少量從顆粒中間撕裂形成的斷口。隨著燒結(jié)體致密度升高，孔隙率明顯降低，貫通孔大量減少，閉孔增多，斷口多以從顆粒中間撕裂斷裂為主。該種孔隙結(jié)構(gòu)不利于熔滲，且封閉孔的存在會降低熔滲鉬銅合金的致密度，從而影響其電學(xué)及熱學(xué)性能等。添加了4%的添加劑后(圖6)，38#粉末坯體在燒結(jié)過程中，形成了更多的貫通孔，內(nèi)部孔隙特征明顯要比未含添加劑的燒結(jié)體孔隙更加平滑圓潤，燒結(jié)頸明顯，斷口也主要以燒結(jié)頸處顆粒接觸斷裂為主。孔隙結(jié)構(gòu)的圓潤與平滑更利于熔滲金屬的流動，有利于熔滲進(jìn)行。隨致密度增加，孔隙減少，但與未含添加劑的燒結(jié)體相比，其貫通孔隙仍然要更多一些。

圖5 38#粉末壓坯在1 650℃燒結(jié)后燒結(jié)體的孔隙形貌

圖6 38#粉末壓坯含4%添加劑在1 650℃燒結(jié)后燒結(jié)體的孔隙形貌

2.4.2 燒結(jié)溫度對燒結(jié)體孔隙形貌的影響

圖7 40#粉坯體不同燒結(jié)溫度燒結(jié)后的孔隙形貌(壓坯初始致密度40%±2%)

燒結(jié)溫度對多孔鉬骨架孔隙形貌的影響如圖7所示。在初始致密度相同的情況下，在1 550℃燒結(jié)時，由于燒結(jié)溫度較低，坯體收縮量小，內(nèi)部含有大量孔隙，顆粒之間燒結(jié)頸初步形成，因此，斷裂多以顆粒之間燒結(jié)頸的開裂為主，燒結(jié)體強度較差，雖然大量貫通孔隙存在，且利用熔滲，但燒結(jié)體力學(xué)性能差，因此，會影響熔滲合金的強度。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 650℃時，燒結(jié)體明顯致密化，燒結(jié)頸通過遷移長大，使小孔隙大量消失，形成了更多閉孔，燒結(jié)體強度有所提高，斷口以撕裂型斷裂為主。

2.4.3 粉末粒度對燒結(jié)體孔隙形貌的影響

圖8 含添加劑4%的不同粒度坯體1 550℃燒結(jié)后的孔隙形貌(壓坯初始致密度40%)

圖8是鉬粉粒度對燒結(jié)體孔隙形貌的影響。38#燒結(jié)體由于粉末粒度較大，因此，在相同條件下燒結(jié)時，其內(nèi)部含有大量的貫通孔隙，由于燒結(jié)溫度低，燒結(jié)體中仍然保持著粉末形貌，燒結(jié)頸初步形成，燒結(jié)體強度較差，但這種孔隙形貌及分布有利于熔滲的進(jìn)行。40#燒結(jié)體粉末粒度小，在該溫度下燒結(jié)頸已經(jīng)完全形成，開始出現(xiàn)致密化，但內(nèi)部仍然存在較多孔隙，粉末顆粒之間的連接要明顯好于38#粉末燒結(jié)體。

2 結(jié)論

結(jié)合以上各因素對燒結(jié)體致密度的影響以及燒結(jié)體內(nèi)部孔隙形貌可以得出：

(1)在一定燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，鉬粉壓坯的相對致密度與燒結(jié)后的多孔鉬骨架的相對致密度為近似的線性關(guān)系；在同樣燒結(jié)條件下，較細(xì)粉末的壓坯收縮更大一些；壓坯孔隙率較高時，在相同條件下其燒結(jié)收縮量更大。

(2)低含量的ON添加劑在較低溫度下完全揮發(fā)，少量添加劑可略微降低鉬骨架的燒結(jié)收縮量，但其對孔隙形貌的影響明顯，添加劑可以使鉬骨架內(nèi)部孔隙平滑圓潤，有利于孔隙的控制及內(nèi)部貫通孔的形成。

(3)隨著鉬骨架孔隙率的下降，閉孔逐漸增加；粉末顆粒均勻的鉬粉有利于形成較多的貫通孔隙，減少形成閉孔的數(shù)量。

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