钨铜复合材料制备技术初探

来源:用户上传      作者: 曾铁初

　　摘 要： 钨具备高熔点、高密度、高强度、低膨胀系数等特点，而铜则具备良好的导热性与导电性。钨铜复合材料兼有钨与铜之优点，也就是说具备高密度、良好导热导电性、小膨胀系数等有时，所以被广泛应用于制作电接触材料以及电极材料。鉴于全球电器业、电子业的不断发展，对于钨铜复合材料的需求数量也在变得愈来愈大。因此，加强钨铜复合材料制备技术的研究具有十分重要的现实意义。分析钨铜复合材料制备技术的发展现状，
　　着重论述钨铜复合材料的制备方法，并探讨钨铜复合材料制备技术发展趋势。
　　关键词： 钨铜复合材料；制备技术；制备方法
　　中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210146－02
　　
　　所谓钨铜复合材料，是指以高熔点与高硬度的钨，结合以高塑性、高导电导热性的铜粉作为原料，运用粉末冶金技术而制备出来的一种复合型材料。这种材料具有较高的导电导热性，良好的耐电弧侵蚀性与抗熔焊性，较高的强度与硬度等众多优势，被广泛地应用于开关电器、电加工电极、电子封装及高密度合金等产品之中。由于钨铜复合材料的运用范围正在变得越来越广阔，这在客观上对于钨铜复合材料之设计与制备提出了新的更高的要求。
　　1 钨铜复合材料制备技术的发展现状
　　鉴于现代科技的高速发展，对于钨铜复合材料所具有的性能也提出了新的要求，那就是致密度和散热率要高，导电导热要好等等。但是，传统粉末冶金与熔渗法所制备的钨铜复合材料已无法满足以上要求。纳米钨铜复合材料因为具有众多传统钨铜复合材料所难以比拟的性能。比如，可以提高钨铜复合材料的固溶度，极大地提高烧结的活性，并且降低烧结的温度，提升烧结的致密度，以上这些均将提高钨铜复合材料的性能。因为纳米技术在快速发展，所以在纳米钨铜复合材料在制备方法上出现了新的突破，比如，功能梯度、剧烈塑性变形等被运用在钨铜复合材料制备上，使钨铜复合材料制备技术有新的发展。
　　2 钨铜复合材料的制备方法
　　2.1 普通烧结法
　　这种方法属于传统意义上的粉末冶金制备方法。其制备步骤如下：一是要把钨粉与铜粉进行称量与混合，随后再压制成形与烧结。普通烧结法的工艺较为简单，成本偏低，然而这一烧结方式因为温度较高，所以容易出现钨晶粒较为粗大之问题，因而难以获得成分均匀的那种合金。通过实施机械合金化，能够让粉末在压制与烧结之前得到原子级标准上的均匀与混合。这种在钨粉中有铜粉存在的一种复合粉，在稍微高于铜熔点之上的温度在短时间内烧结，就能得到94%以上致密度的钨铜复合材料，特别是适合低铜含量的钨铜材料之制备。因为超细粉末的表面活性较高，能够在较低的烧结温度上与较短的烧结时间条件内来得到致密化。把钨铜粉末的原料在高温之下进行氧化以后，通过三至六个小时的高能球磨，再在630℃的条件下还原以得到0.5μm之下均匀分散的一种钨铜复合粉。把这种复合粉在1200℃的高温烧结60分钟之后得到钨铜合金，致密度达到了99.5%。因为普通烧结设备的要求并不够高，而且工艺相对较为简单。因此，这一方法所制备的钨铜材料只能运用于对于材料性能要求并不高的一些地方。
　　2.2 熔渗法
　　这一方法的制备步骤如下：先那钨粉或者添加混有少量引导铜粉的钨粉制作成为压坯，随后在还原气氛或者真空当中，在900℃至950℃的条件之下进行预烧结，从而得到相当强度的多孔钨骨架。把块状铜金属或者压制好的铜坯放在多孔钨骨架之上或者之下，在高于铜熔点之上的温度实施的烧结被称之为熔渗，而把多孔钨骨架全部浸没于熔点比较低的铜熔液之中所得到的致密产品办法就是熔浸。铜熔液在多孔钨骨架毛细管的作用用，通过渗入钨骨架中的孔隙当中，从而形成了铜的网络分布。熔渗密度一般的理论密度为97%至98%，由于烧结骨架当中总是会存在着非常少的封闭孔隙无法为熔渗金属所填充，而在熔渗之后还可通过冷加工与热加工进一步地提高材料的密度。当前，这一种工艺方法已经被一些大、中型高压断路器与真空开关钨基触头生产当中得到运用。但是，熔浸法的工艺技术难度相对较高，所得到的触头材料成分较为均匀，而且性能也比较好。
　　2.3 热压烧结法
　　热压烧结法又被之称为加压烧结法，也就是将粉末装到模腔之中，并在加压同时让粉末能够加热到正常的烧结温度或者更低一些的温度。在通过比较短时间的烧结之后，能够得到致密而且均匀的制成品。热压烧结法是把压制与烧结这两道工序在同时加以完成，并能在比较低的压力之下快速得到冷压烧结状态之下所难以得到的密度。然而，热压烧结工艺对于模具的要求比较高，而且耗费比较大，而单件生产的效率又相对较低，所以，在实际生产中并不是经常用到的。比如，在1800℃下的炉膛压力是18N/mm3，在2h的条件之下获得的材料理论密度达到了94.6％，而富铜端的铜含量最高值是22.55vo1％。对于钨铜复合材料来说，热压烧结法还需要得到氢气保护或者真空烧结，因此生产的成本比较高。
　　2.4 活化烧结法
　　一般来说，为了加快钨铜复合材料在烧结当中的致密化进程，完全可通过添加其他类别的合金元素这种方法来加以实现。比如，Co与Fe的活化烧结效果是最好的。究其原因就在于Co与Fe 在铜当中的溶解度是有限的，可以和钨在烧结时形成较为稳定的中间相，并且形成大量具有高扩散性的界面层，并且促进固相钨颗粒之烧结。对于W-10Cu材料来说，Fe或者Co含量在0.35%至0.5%之时，它的密度、强度与硬度出现了最佳结果。同时，加入到活化剂之中的方式具有多样性。把钨粉直接加入到含有活化剂离子的盐溶液当中，随后在低温之下进行烘干，从而能够得到表面较为均匀的活化剂所覆盖的钨颗粒。其后，再对已经经过化学涂层处理的粉末压坯加以烧结，从而得到了致密度达到97%的复合材料。然而，活化剂之加入也就相当于引入了杂质元素，从而导致材料在导电与导热之时的电子散射作用有所增加，而且明显地使钨铜复合材料所具有的热导性与电导性有所下降。有鉴于此，采取活化烧结法制备的钨铜复合材料所具有的最大不足就是降低了钨铜材料所具有的导电性与导热性。然而，因为这一方法较为简单，而且生产成本偏低，对于一些性能要求相对较低的钨铜产品依然具有一定的生命力。
　　2.5 注射成形法
　　通过注射成形法所生产出来的钨铜复合材料主要有以下两种方法：其一是运用钨铜混合粉加以注射成形，其后再进行直接烧结。比如，在对纳米钨铜复合粉实施注射成形所得到的W-30Cu的主要参数所进行的研究。通过开展实验，就能得到粉末填充量是体积分数为45％至50％的注射成形坯，而且直接烧结之后的成品密度要高于96％。其二是首先注射成形钨坯，随后再通过熔渗进行烧结，比如，在对质量分数分别为10％、15％、20％的钨铜材料实施注射成形，粉末填充量的体积分数达到了52％，在经过了两步脱脂之后，在1150℃的高温下预烧结钨坯30分钟，最后再在1150℃的高温下熔渗5分钟，其中，W-15Cu在熔渗之后的致密度就达到了99％。对于钨铜复合材料而言，通过注射成形的最大优势就在于大批量地生产小型而复杂的零件或者细长的棒材。
　　2.6 功能梯度法
　　对于钨铜功能梯度材料所进行的研究，主要来自于传统均质材料所难以满足的高功率等条件。钨铜功能梯度材料的一端可以是高熔点与高硬度的钨或者高钨含量的钨铜复合材料，而另一端则是高导电性、导热性、可塑性的铜或者较低钨含量的钨铜复合材料，而中间则是成分进行连续变化的一个过渡层。这样一来就能较好地缓和因为钨和铜的热性能不相匹配而导致的热应力，这在整体上具有比较好的力学性质与抗烧蚀性、抗热震性等各种性能。据报道，可以运用热等静压扩散连接等方法，把不同组织的钨铜复合材料结合成为功能梯度材料。同时，一部分特殊成形工艺也能实现的成分梯度进行分布。比如，进行等离子喷涂，开展激光熔覆，实施电泳沉积与离心铸造等等。功能梯度之中心在于材料所具有的功能梯度设计进行优化，因而可以借助于数学计算方法与计算机分析软件进行辅助实施。

　　2.7 剧烈塑性变形法
　　这种方法完全是近年来逐步地发展起来的，是一种十分独特的运用超微粒子，即纳米晶、亚微晶等金属及其合金材料所制备出来的工艺。它在材料当中处在相对比较低的温度环境之中，一般是低于0.4Tm。在比较大的外部压力作用之下，可以发生较为严重的塑性变形，从而实现材料晶粒尺寸的细化至亚微米级或者纳米量级，这一方法具备十分强烈的细化晶粒之能力，甚至还能把晶体加工成为非晶体。当前，学术界研究比较多的剧烈塑性变形法主要有以下方法，比如，累计轧合的方法、等通道角挤压的方法、高压扭转的方法。其中，高压扭转法的重要装置由模具与压头组合而成，其一端是固定的，而另一端则是运动的，试样会被放置在模具当中，其后再靠近压头与模具，在数个GPa压力之下进行扭转变形。试样在压头旋转所产生的剪切力的影响之下，材料沿着半径方向上的不同位置进行晶粒细化的速率是不一致的，材料边缘部分的晶粒细化速率是最快的，在达到了一定的尺寸之后就不再细化，材料组织主要是沿着半径朝中心方向不断细化，一直到样品组织更加地均匀。尽管材料中的心位置理论应变量还是零，但是因为受到了四周材料之带动，其上、下部分也出现了旋转剪切的变形，所以，中心位置晶粒同样也被细化了。通过实验研究，对于原始钨晶粒的尺寸是2至10μm，而且晶粒的分布不均匀的W-25%Cu，运用高压扭转的方法。W-25%Cu的试样直径达到了8mm，其厚度则是0.8mm，所施加的压力是8GPa。总而言之，当应变比较小，即小于等于64之时，温度之变化对于显微结构之影响并不是十分明显的。一旦应变比较大，也就是大于64时。温度对于显微结构之影响也就比较大了。在室温情况下，当应变比较小时，也就是小于等于4时，只有很少量的钨晶粒出现了断裂，并且形成了少量塑性的变形带。但是，随着应力的不断增加，这种塑性变形也得到了进一步的增加，局部塑性变形带与钨颗粒的断裂也在增加。一旦当应变增加到64之时，钨晶粒就会被拉长，而且和剪切面形成了一定角度，即0°至20°。虽然复合材料中显微组织的均匀性能十分差，然而当应变增大到了256之时，所观察到的晶粒度则是从10 nm至20nm呈现均匀分布状况的一种钨铜复合材料，这时的晶粒度已达到了一定程度的饱和，也就是说，即使应变还会继续进一步地增加，晶粒也不会再持续地细化下去。
　　3 钨铜复合材料制备技术发展趋势
　　笔者认为，新型钨铜复合材料的制备肯定会朝着更高性能的趋势发展下去。虽然一些新技术因为设备与成本等各种因素的制约，还处在实验室研究状态之中，尚未真正达到可以进行规模化生产的状态，但是这一技术的发展前景是可靠的。一是粉末制备技术。比如，热气流雾化与热化学法等先进的制粉技术有希望在制备纳米钨铜复合材料中得到新的突破。前者能够增长金属液滴在液相之中的时间，导致粉末能够经过二次雾化而极大地提升雾化效率，从而容易得到更加细密的粉末粒度，而后者的优势主要是易于实现混合粉所具有的高分散性以及超细化。二是粉末压制技术。随着近年来德国Fraunhofer研究所已经制成了流动温压技术。这一技术在传统冷压工艺的基础之上，以相当低的成本制成高密度、高性能的粉末冶金方法，然而，在关键技术与工艺上还需要进一步加以完善。
　　4 结束语
　　综上所述，作为一种十分重要的粉末冶金复合材料，钨铜复合材料因其具备了很多优秀性能而倍受关注，并得到了广泛的运用。但是，在常规的熔渗与烧结条件之下，钨铜复合材料因为受到了两种金属之间互不溶性、低浸润性等影响，由此而导致其致密化的程度、组织结构的分布、成分、形状及尺寸控制等均无法实现理想化的状态。鉴于现代科技的进一步发展，一些新型技术的引进，获得综合性能更好的高致密性钨铜复合材料已经具有现实可能性。笔者坚信，这肯定会进一步拓展钨铜复合材料的应用范围。
　　
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　　作者简介：
　　曾铁初（1969-），湖南省邵阳人，南昌硬质合金有限责任公司，研究方向：粉末冶金。

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