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影响钨铜合金相对密度和组织结构的因素有那些?

来源:   发布时间:2020-06-30   点击量:366

       钨铜合金介绍

       本文简要介绍了钨铜合金的基本性能和常用制备方法,并对影响合金致密度和组织均匀性的相关因素进行了分于提高粉末活性,降低粉末粒度;尽量不使用助剂。认为以细小均匀的混合粉末为原料,采取等静压或注射成形及进行适当的后续处理等,可提高钨铜合金的组织均匀性。

       钨铜合金是一种由钨与铜组成的既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的假合金(pseudo-alloy)。因钨铜合金既具有钨的耐高温、高硬度、高密度等特性,又具有铜的高导电导热性、好的塑性等综合性能,且这种综合性能还可通过成分的不同配比而加以调整,故被广泛用作电触头材料、电极材料、高温材料、电子封装和热沉材料等。然而,由于钨与铜的性质差异较大,而且两者既不互溶又不形成金属间化合物,因此难以通过常规粉末冶金方法获得致密度高、组织均匀的钨铜合金。

        针对这一情况,本文阐述了钨铜合金的制备工艺及其基本特点,并对影响合金致密度和组织结构的主要因素进行了较为系统的分析,以期为高性能钨铜合金的制备提供参考。

        

钨铜合金的基本性能和制备方法

一、钨铜合金的物理机械性能

        钨铜合金的物理机械性能主要以其密度、电导率、硬度等来衡量,附表中列出了几种常用钨铜合金的相关指标见附表1

        

二、钨铜合金的主要制备方法

        1、液相活化烧结法:是因高温液相烧结法不能获得接近理论密度的高钨-钨铜材料,而受纯钨活化固态烧结理论启示发展出来的一种方法。该法在钨铜材料制备中加入微量活化元素来提高烧结效果,即通过液相烧结就可获得高密度的钨铜复合材料,故也被称为活化强化液相烧结。

        2、熔渗法:是通过制备一定密度、强度的多孔钨基体骨架,再渗以熔点较低的铜液填充多孔骨架孔隙,以使材料获得优良综合性能的一种方法。目前,该法在钨铜合金生产中的应用较为广泛。

        3、混合粉末直接烧结法:纳米技术的发展促进了钨铜合金制备工艺的进步,因为原料粉末越细,合金所需的烧结温度也就越低且越容易实现致密化。采用超细或纳米钨铜混合粉为原料,可在较低温度下通过直接烧结制得近全致密的钨铜材料。

        4、其他制备方法:近几年来,在制备高性能钨铜材料方面出现了一些新的工艺技术,如快速定向、凝固技术、纤维强化法、电弧熔炼法、原位反应铸造法、特定结构法等。

        5、总之,钨铜合金作为一种用途广泛的粉末冶金复合材料已受到人们的普遍关注,但相关技术的发展仍受到常规烧结条件下金属钨与铜在致密化过程中互不相溶和低浸润性的影响,故其致密化程度、组织结构分布、成分及尺寸控制等均难以达到理想状态。表征钨铜合金的指标有相对密度、组织均匀性、硬度、抗拉强度、导热导电性等,本文仅就其相对密度和组织均匀性进行分析。

         

钨铜合金的相对密度及影响因素

       1、相对密度是衡量钨铜合金性能最重要的指标之一,其值为实测密度与理论密度之比,可准确反映特定成分合金的致密程度。在某种意义上,相对密度也反映了合金内部孔洞等缺陷的多少,直接影响到合金的硬度、组织均匀性、抗拉强度等多方面。理想合金的相对密度应为100%,而实际生产中由于各种因素的影响不可能达到此理想值。一般认为,较为理想钨铜合金(即高性能钨铜合金)的相对密度不应低于97%。

        2、原料因素的影响:粉末中的含氧量实际上反映了粉末中氧化物的多少,而氧化物作为一种盐(即成盐氧化物),其性质与金属单质截然不同。一个简单的例子为金属单质对氧化物盐基本没有浸润性,故对钨铜合金的致密化产生了阻碍作用,由此可见含氧量对钨铜合金的性能有着重要影响。

        3、表面存在的氧化物对烧结制品致密度的影响表现为两个方面:一是在压制成形过程中,由于氧化物的弹性模量较高,粉末难以产生塑性变形,从而使成形毛坯的致密度下降;二是在烧结过程中,没有充分还原的粉末不能提供烧结收缩所需要的收缩力,同时产生水蒸气,而这两者均对试样的致密化产生不利影响。

        4、纯度高及含氧量低是保证钨粉具有良好浸润性,从而达到良好渗铜效果的前提。钨粉的含氧量增加使钨与铜液之间的浸润角增大,浸润性变差,当含氧量大于0.5%时,浸铜试样将出现严重夹心现象,渗铜区局限于表面层,一般钨粉含氧量不能大于0.2%。含氧高的钨粉、铜粉在使用前须进行氢气还原处理。通常钨粉可选择在600~900℃温度下还原,而铜粉则可选择在300℃温度下还原,由于铜粉的熔点低,其还原温度最好不要超过500℃,否则容易引起铜的固相烧结。

        5、钨粉的粒径不同,粉末之间的搭桥效应与接触面就不同,导致压制至相同密度时所需的压力也不同。粗颗粒钨粉较细颗粒钨粉更易压制。在相同烧结温度下,细粉多孔钨的孔隙度较粗粉多孔钨的小。因为在烧结过程中,自由能随粉末粒度的减小而增大,而自由能越大越利于烧结的进行,即细粉更容易致密化。
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