雙粒度配比鎢粉對W-10Cu復(fù)合材料致密化、組織與性能的影響

范景蓮，張驍，游峰，田家敏

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

鎢銅復(fù)合材料是由互不相溶的鎢、銅兩相均勻混合形成的假合金，它兼有鎢、銅材料的本征物理性能,可靈活、準(zhǔn)確地設(shè)計其成分和性能，因而得到廣泛重視[1]。鎢銅復(fù)合材料一般采用液相燒結(jié)或熔滲的方法制備[2]。對于高鎢含量的鎢銅材料，液相燒結(jié)法制備的材料導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能低，漏氣率高，難以滿足現(xiàn)代微電子工業(yè)的要求，因此，高鎢含量的鎢銅材料一般采用鎢骨架滲銅的方法制備[3]。對于熔滲法來說，鎢骨架的孔隙度決定了銅相熔滲的體積，對材料的性能及微觀組織有重大影響。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，由于鎢顆粒的硬度較高，鎢骨架較難壓制致密，不容易達到理想的孔隙度；當(dāng)鎢粉的粒徑過粗時，會引起鎢銅材料硬度降低,而粒徑過小的鎢粉則會促使鎢銅材料組織中產(chǎn)生銅的富集或空隙缺陷[4]。所以, 如何采用不同粒徑配比的粉末制備W-10Cu復(fù)合材料，進而控制鎢骨架的孔隙度是熔滲法制備鎢銅材料的關(guān)鍵。在此，本文作者采用不同粒徑配比的粉末制備W-10Cu復(fù)合材料，探討不同粒徑配比對復(fù)合材料的密度和性能的影響。

1 試驗方法

分別采用平均粒徑為0.5，2.5，7.5和24 μm的粉末為原料制備W-10Cu復(fù)合材料。圖1所示為4種不同粒徑粉末的掃描照片，粉末有一定團聚，顆粒呈球形。

不同粒徑粉末的配比如表1所示，粗顆粒與細顆粒的質(zhì)量比均為3∶1。將混合后的鎢粉在日產(chǎn)RAM型自動壓機上進行模壓，壓制壓力為300 MPa，然后，在鉬絲爐中進行骨架燒結(jié)和滲銅。制得的鎢銅合金試樣在精度為10-4g的BS210S電子分析天平上用阿基米德排水法測定密度。采用 MeF3A型金相顯微鏡觀察鎢銅合金的組織形貌；采用日本JEOL公司的JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌；采用7501A型渦流電導(dǎo)儀測量樣品的電導(dǎo)率。

表1 不同粒徑的粉末配比Table 1 Different kinds of particle size ratios

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鎢粉粒徑配比對鎢銅復(fù)合材料致密化的影響

在一定范圍內(nèi)，不同粒徑顆粒堆積體的相對密度取決于其組成和粒徑比。對于任何組成的粉粒，粒徑比越大，其密度越高[5]。顆粒尺寸相差很大的 2種粉末，在隨機緊密堆積的情況下，通常相對密度為63.7%，在最緊密堆積條件下粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.4%，粗、細顆粒粉末質(zhì)量比略為3∶1[6]。

表2所示為粉末粒徑比對壓坯密度的影響。從表2可以看出，隨著粒徑比的增加，壓坯密度迅速上升；粒徑比為10∶1和15∶1的2種粉末的壓坯，其相對密度達到了W-Cu骨架預(yù)先設(shè)計的要求(壓坯相對密度為80.5%)。

圖1 不同粒徑粉末的掃描照片F(xiàn)ig.1 SEM images of powder of different particle sizes

表2 粉末粒徑比對W骨架密度的影響Table 2 Effect of particle size ratio on density of W skeleton

圖2所示為不同粒徑粉末進行配比制備的鎢骨架斷口形貌。骨架在氫氣氣氛下進行燒結(jié)，溫度為1 350℃，保溫時間為90 min。從圖2可以看出：顆粒之間已經(jīng)產(chǎn)生明顯的燒結(jié)頸，孔洞不斷圓化。圖 2(a)中箭頭所指區(qū)域是連通孔洞，大量的連通孔洞有利于銅的充分熔滲[7]。小顆粒黏附在大顆粒的周圍，而且看不出明顯的界面，這說明顆粒相互粘結(jié)緊密，而且分布均勻[8]。粒徑比為 5∶1的鎢粉制得的合金中顆粒更細小，連通孔洞明顯減少。孔隙的堵塞會導(dǎo)致銅在熔滲的過程中無法填充孔隙，留下許多獨立的閉孔洞[9]，這就是造成細顆粒鎢粉制備的W-10Cu復(fù)合材料密度無法提高的重要原因。但細顆粒之間形成的燒結(jié)頸更明顯，骨架燒結(jié)更充分。隨著粒徑比的增大，孔洞數(shù)目明顯增多。

表3所示為不同粒徑粉末配比制備的W-10Cu樣品的相對密度。2種粒徑配比試樣的骨架燒結(jié)溫度為1 350 ℃，保溫時間90 min，熔滲溫度為1 300 ℃，保溫時間120 min。從表3可以看出：隨著粒徑比的增加，材料的密度也相應(yīng)提高，粒徑比為15∶1的試樣相對密度達到98.9%。粒徑比為5∶1的試樣密度較低，這是因為參與配比的2種粉末的粒徑均很小，分別為2.5 μm和0.5 μm，一般地，細粉末的壓坯密度比其他粒徑配比的試樣的要低。同時，細粉末壓制的壓坯不連續(xù)孔隙多，阻礙了Cu的充分滲入[10]，導(dǎo)致材料中大量封閉孔隙存在，相對密度較低。

表3 粒徑比對熔滲后材料的相對密度的影響Table 3 Effect of particle size ratio on relative density of W-10Cu

圖2 不同粒徑粉末配比制備的鎢骨架的斷口形貌Fig.2 Fractography of W skeleton prepared by different particle size ratios

2.2 不同鎢粉粒徑配比對鎢銅復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)的影響

圖3所示是鎢粉粒徑比為10∶1和15∶1的W-10Cu材料的金相照片。

圖3 不同粒徑比試樣的金相照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of W-10Cu that prepared by different particle size ratios

從圖3可以看出：粒徑比為15∶1的鎢粉制得的合金組織比較均勻，銅相分布在鎢相的周圍形成連通網(wǎng)絡(luò)，沒有出現(xiàn)較大的富銅區(qū)域；粒徑比為10∶1的鎢粉制得的合金顆粒之間的間距更大，沒有出現(xiàn)明顯的燒結(jié)頸，而且粗顆粒與細顆粒分布不均勻，這樣的鎢骨架結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致銅相的分布不均，出現(xiàn)了很多富銅區(qū)域[11]。

2.3 不同鎢粉粒徑配比對鎢銅復(fù)合材料性能的影響

表4和表5所示分別為隨粒徑比對W-10Cu復(fù)合材料的洛氏硬度和電導(dǎo)率的影響。由表4可以看出：隨粒徑比的增加，材料的硬度逐漸增大。鎢粉粒徑比為15∶1的試樣洛氏硬度(HRC)達28.9。粒徑比越大，材料的密度就越高，硬度也就相應(yīng)增大。但是鎢粉粒徑比為10:1時，材料的硬度較低，這是因為雖然粒徑比為10∶1時，鎢骨架密度相對較高，但是，粒徑比為10∶1的鎢骨架試樣組織空隙分布不均勻，這樣滲銅就不均勻，從而導(dǎo)致硬度較低[12]。而粒徑比為5∶1的試樣為細粉末制備的材料，雖然材料密度相對較低，但由于細顆粒粉末比表面積大，粉末燒結(jié)活性高。在相同的溫度下燒結(jié)，顆粒之間更容易形成燒結(jié)頸，燒結(jié)的骨架強度高[13]，所以，洛氏硬度(HRC)也達到了28.5。

表4 粒徑比對熔滲后材料洛氏硬度的影響Table 4 Effect of particle size ratio on relative density of W-10Cu material

從表5可以看出：W-10Cu復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨著鎢粉粒徑比的增大而增加，這與材料密度的變化趨勢一致。粒徑比為15∶1的試樣，密度達到98.9%，電導(dǎo)率達到了23.8 S/m。與美國和澳大利亞生產(chǎn)的相同銅含量的鎢銅復(fù)合材料(電導(dǎo)率為 21.9 S/m[14])相比，電導(dǎo)率明顯提高。粒徑比為5∶1的試樣由于密度較低，閉孔的存在阻礙了銅相網(wǎng)絡(luò)的形成，所以材料的電導(dǎo)率相應(yīng)較低。

表5 粒徑比對熔滲后材料的電導(dǎo)率的影響Table 5 Effect of particle size ratio on conductive of W-10Cu material

3 結(jié)論

(1) 由 2種不同粒徑的按粗細顆粒質(zhì)量比為 3∶1配制的鎢粉制備的W-10Cu復(fù)合材料，隨著粒徑比的增加，材料的密度隨之提高；當(dāng)粒徑比為10∶1時，鎢骨架相對密度達到80.5%。

(2) 粒徑比為 10∶1的 2種鎢粉(24 μm和 2.5 μm)配比制備的壓坯在1 350 ℃燒結(jié)，保溫時間90 min后，鎢顆粒之間相互黏結(jié)，發(fā)生了明顯的燒結(jié)頸。

(3) 隨著粒徑比增加，制得的材料的硬度和電導(dǎo)率升高。粒徑比為 10∶1和 15∶1的鎢粉制得的合金，與粒徑比為 3∶1和 5∶1的鎢粉制得的合金相比，密度和電導(dǎo)率大幅度提高。

[1] 吳化波, 王志法, 劉金文, 等. 滲銅用鎢骨架制備工藝的研究進展[J]. 中國鉬業(yè), 2008, 32(3): 43-46.WU Hua-bo, WANG Zhi-fa, LIU Jin-wen, et al. Manufacture methods of the W-skeleton for infiltrating[J]. China Molybdenum Industry, 2008, 32(3): 43-46.

[2] 范景蓮, 劉軍. 細晶鎢銅復(fù)合材料制備工藝的研究[J]. 粉末冶金技術(shù), 2004, 22(2): 83-86.FAN Jing-lian, LIU Jun. Study of process of fine-grained W-Cu composites[J]. Powder Metallurgy Technology, 2004, 22(2):83-86.

[3] Xiong C S, Xiong Y H, Dong E, et al. Synthesis and structural studies of the W-Cu alloys prepared by mechanical alloying[J].Nanostructure Materials, 1995, 5(4): 425-432.

[4] Stepanek F, Ansari M A. Computer simulation of granule microstructure formation[J]. Chinese Engineering Science, 2005,60(14): 4019-4029.

[5] German R M. A model for thr thermal properties of liquid-phase sintered composites[J]. Metallurgical Transaction A, 1993, 24:1745-1752.

[6] WANG Yan-min, LI Jing-xian, Forssberg E. Computer simulation for particles packing phenomena[J]. Journal of Chinese Ceramic Society, 2003, 31(2): 169-178.

[7] 范景蓮, 朱松, 劉濤. 納米W-Cu復(fù)合粉末制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 硬質(zhì)合金, 2008, 25(4): 252-254.FAN Jing-lian, ZHU Song, LIU Tao. Current research on fabrication of W-Cu nanocomposite powder[J]. Cemented Carbide, 2008, 25(4): 252-254.

[8] Endo Y, Chen D R, Pui Y H. Theoretical consideration of permeation resistance of fluid through a partical packed layer[J].Powder Technology, 2002, 124(1): 119-126.

[9] Brgskin B, Chriner E K. Processing of high-strengthhighconductivity W-cucomposite[C]//Kneringer G, Rodhammer P,Withartitz P. Proceedings of the 14th Plansee Seminar. Reutte:Plansee Metal A G, 1997, 17(1): 358-370.

[10] 梁淑華, 范志康. 觸頭材料液相熔滲過程分析與控制[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報, 2000, 16(2): 175-178.LIANG Shu-hua, FAN Zhi-kang. Analysis and control of liquid infiltrating process of contact material[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2000, 16(2): 175-178.

[11] 汪軍平. 影響鎢銅合金電觸頭熔滲燒結(jié)的因素[J]. 電氣制造,2008, 9(3): 68-69.WANG Jun-ping. The factor that influence electrical contacthat prepared by W-Cu alloy[J]. Electrical Manufacturing, 2008, 9(3):68-69.

[12] Johnson J L, German R M. Advancing powder metallurgy and particulate materials[J]. The International Journal of Powder Metallurgy, 1993, 29(4): 201-209.

[13] Thn T H, Lee S W, Joo S K. Effect of transition metal addition on liquid phase sintering of W-Cu[J]. Powder Metal, 1994, 13(4):283-288.

[14] 蔡一湘, 劉伯武. 鎢銅復(fù)合材料致密化問題和方法[J]. 粉末冶金技術(shù), 1999, 17(2): 138-144.CAI Yi-xiang, LIU Bo-wu. Problems & solutions in densification of W-Cu composite[J]. Powder Metallurgy Technology, 1999, 17(2): 138-144.