温压成形和注射成形制备钨铜复合材料研究

摘要

钨铜粉末冶金复合材料是由互不相溶的W和Cu组成的假合金。它兼有W的高强度、高硬度、低热膨胀系数和Cu的高导电、导热性和高塑性等，具有良好的综合性能。目前，被广泛地用作电触头材料、电子封装材料、热沉材料、电热合金、高密度合金、大规模集成电路的引线框架，以及军事等尖端科学领域。 W-Cu材料通常通过粉末冶金液相烧结和熔渗烧结方法生产，然而上述传统工艺难以获得高致密、微观组织均匀、形状复杂的W-Cu合金，不能满足现代科技对高性能W-Cu材料的要求。本论文根据粉末温压成形、注射成形工艺的突出的技术和经济优势，及其在制备高密度铁基粉末冶金材料和复杂形状零件方面的成功应用，尝试通过粉末温压成形来制备高密度W-Cu复合材料，通过粉末注射成形来制备复杂形状的W-Cu复合材料，探索了制备高性能W-Cu复合材料的新途径。 采用一种新型温压粘结剂对W-20wt％Cu粉末进行温压成形实验，对W-Cu粉末的温压行为进行了系统的研究，其中包括温压温度、压制压力、粘结剂含量，以及粉末粒度等对压坯密度的影响，并与冷压成形压坯进行对比。观察了温压和冷压压坯及烧结体的显微组织，并对烧结体的密度、电导率和硬度等物理、力学性能进行了测定。实验结果表明：与冷压成形相比，温压能够明显提高W-Cu粉末压坯的密度和强度。在400MPa，170℃条件下温压压坯的密度和强度分别可达10.68g/cm3和22.06MPa，比冷压成形分别提高了0.55 g/cm3和12.45MPa。原料Cu粉粒度对温压压坯的密度也有影响，在相同压制压力下，采用D50为2.79μm细Cu粉的W-Cu压坯的密度明显高于使用D50为26.27μm粗Cu粉的压坯密度。此外，本文还对烧结温度、成形方式对W-Cu压坯烧结行为和烧结体性能影响等进行了研究，对其烧结致密化机理进行了探讨。结果发现，温压W-Cu压坯的径向烧结收缩率低于冷压压坯，但烧结体的密度仍高于冷压成形的烧结体。W-Cu压坯在1050～1250℃下于H2气氛中烧结，随着烧结温度的升高，温压和冷压烧结体密度不断增大。在1250℃于H2中烧结2h后，温压成形烧结体的相对密度可达95.86％，烧结体组织均匀，具有良好的物理机械性能，其硬度和电导率分别为249HV和33.67％IACS，均高于冷压压坯烧结体的硬度(242HV)和电导率(33.67％IACS)。 本论文的另一研究内容是采用高密度聚乙烯(HDPE)基粘结剂体系，通过注射成形制备出了球形W-20wt％Cu合金。实验中，对注射成形参数对成形坯质量的影响、溶剂脱脂的时间和温度对注射坯脱脂率的影响进行了研究，并对热脱脂升温速率进行了优化。通过扫描电镜观察了不同脱脂时间后脱脂坯及W-Cu烧结体的显微组织。结果表明：较佳的注射工艺参数为：注射温度180℃，注射压力110bar，注射速度30％(占标准注射速度)，模具温度50℃。粘结剂的脱除采用溶剂+热脱脂两步脱脂法，在溶剂脱脂过程中，随着脱脂温度的升高和脱脂时间的延长，脱脂率不断增大。在55℃下经溶剂脱脂11h后，注射坯中62.26％粘结剂被脱除；再经550℃热脱脂1h后，注射坯中粘结剂完全脱除。脱脂后的注射成形W-Cu球坯在1150℃下于H2中烧结2h后，烧结体相对密度可达95.58％，且变形小，组织均匀，具有良好的力学性能，其压溃强度和径向烧结收缩率分别为58KN和17.17％。

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文摘

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章 绪论

1.1引言

1.2 W-Cu复合材料的应用和发展状况

1.2.1气密性电子封装W-Cu复合材料

1.2.2电触头、电极用W-Cu复合材料

1.2.3航天、军工及其它领域用W-Cu复合材料

1.3 W-Cu复合材料的制备方法

1.3.1熔渗法

1.3.2高温液相烧结法

1.3.3活化强化液相烧结法

1.3.4注射成形法

1.3.5电弧熔炼法

1.3.6纤维强化法

1.4温压成形技术的研究状况

1.4.1温压工艺及其特点

1.4.2温压成形的关键技术

1.4.3温压致密化机理

1.5金属注射成形技术概述

1.5.1金属注射成形的特点

1.5.2金属注射成形的关键技术

1.6本课题的研究背景及意义

第二章 实验方案和性能测试方法

2.1实验方案

2.1.1温压法制备W-Cu材料

2.1.2注射成形法制备W-Cu材料

2.2实验主要仪器设备和测试原理

2.2.1主要仪器和设备

2.2.2性能测试分析

第三章温压成形制备W-Cu材料的研究

3.1引言

3.2 W-Cu粉末温压行为的研究

3.2.1温压温度对压坯密度的影响

3.2.2温压压制力对压坯密度的影响

3.2.3温压条件下压制压力与压坯密度的关系解释

3.2.4粘结剂含量对压坯密度的影响

3.2.5压制压力对生坯强度的影响

3.2.6原料Cu粉粒度对W-Cu压坯密度的影响

3.3生坯显微组织观察

3.3.1温压与冷压压坯显微组织观察(400MPa)

3.3.2不同粒度铜粉温压压坯显微组织观察(400MPa)

3.4 W-Cu压坯的烧结行为

3.4.1压制压力对烧结体密度和收缩率的影响

3.4.2烧结体温度对烧结密度的影响

3.4.3 W-Cu材料烧结体性能

3.4.4 W-Cu材料烧结体显微组织分析

3.5本章小结

第四章 注射成形制备W-Cu材料工艺的研究

4.1引言

4.2粘结剂的选择和喂料的制备

4.2.1粘结剂的选择

4.2.2粘结剂差热扫描量热分析

4.2.3喂料的制备

4.3注射成形

4.3.1注射成形工艺的确定

4.3.2注射缺陷分析

4.4脱脂

4.4.1前言

4.4.2溶剂脱脂

4.4.3热脱脂

4.5烧结

4.5.1 W-Cu脱脂坯的烧结工艺

4.5.2 W-Cu脱脂坯的烧结行为

4.5.3 W-Cu烧结体性能分析

4.5.4显微组织分析

4.6本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士期间论文发表情况