粉末溫軋工藝對(duì)W-20Cu合金密度和顯微組織的影響

楊東麟，李達(dá)人，蔡一湘

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粉末溫軋工藝對(duì)W-20Cu合金密度和顯微組織的影響

楊東麟1, 2，李達(dá)人2，蔡一湘2

(1. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 廣東省材料與加工研究所，廣州 510650)

在W-Cu混合粉末中加入0.1%~2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的有機(jī)添加劑，在60~150 ℃溫度下溫軋成生板坯，然后進(jìn)行液相燒結(jié)，獲得W-20Cu合金板材。通過正交試驗(yàn)研究粉末軋制速度、軋制溫度與添加劑含量對(duì)生板坯密度的影響，并對(duì)燒結(jié)板材的密度和顯微組織進(jìn)行分析與表征。結(jié)果表明，軋制溫度與添加劑含量對(duì)粉末軋制板坯密度有顯著影響，二軋制速度對(duì)生板坯密度的影響較小。隨軋制溫度升高，W-20Cu生板坯的密度增大，燒結(jié)板材的孔隙尺寸逐漸減小，孔隙率逐漸降低，燒結(jié)密度相應(yīng)提高；隨添加劑含量增加，板坯密度先升高后降低。在軋制溫度為150℃，添加劑含量為0.3%時(shí)，生板坯的相對(duì)密度達(dá)到最大值85.38%，液相燒結(jié)后獲得相對(duì)密度為99.65%的W-20Cu合金板材，金屬Cu元素在鎢基體中均勻、彌散分布。

粉末溫軋；W-20Cu合金；生板坯；正交試驗(yàn)；密度

W-20Cu合金具有高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、耐燒蝕、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于微電子技術(shù)和高精度機(jī)械加工等領(lǐng)域[1]。近年來對(duì)于W-20Cu合金的研究大多集中在超細(xì)原料粉末[2]與包覆粉的制備方法[3?4]、成形工藝以及燒結(jié)技術(shù)等方面[5?6]。W-20Cu合金板帶材的制備工藝主要有傳統(tǒng)熔滲燒結(jié)成形后切片、粉末溫壓成形、粉末注射成形等[7?9]，但這些工藝都受限于模具尺寸和成形壓力，制備平面尺寸較大的W-20Cu合金板材較困難[10]。常溫狀態(tài)下的粉末軋制一般采用水平輥或傾斜輥軋制，可得到平面尺寸較完整、連續(xù)的W-20Cu合金板帶材生坯，但生坯密度通常較低，相對(duì)密度低于70%，在后續(xù)加工處理過程中容易碎裂，難以運(yùn)輸與保存，并且對(duì)其最終燒結(jié)密度影響較大。因此，提高粉末軋制W-20Cu合金板帶生坯的密度，增強(qiáng)W-20Cu合金板帶生坯的保形能力，對(duì)于制備高密度W-20Cu合金板帶材具有很重要的意義。本文作者在粉末軋制工藝的基礎(chǔ)上提出金屬粉末溫軋成形工藝，即在混合粉末體系中添加合適的低熔點(diǎn)聚合物組元，在較低溫度下軋制(輥溫和料溫均為80~150 ℃)，利用添加劑的粘性流動(dòng)減少摩擦阻礙，降低軋制力，從而提高生坯板的密度。粉末溫軋工藝能在一定程度上克服粉末冷軋難變形，合金粉末成形困難、抗力大，以及生坯密度低等缺點(diǎn)。采用正交試驗(yàn)研究軋制溫度、添加劑含量以及軋制速度對(duì)W-20Cu粉末生軋板密度的影響；同時(shí)，將合金生板坯進(jìn)行液相燒結(jié)，對(duì)燒結(jié)板材的致密化程度與孔隙分布狀況進(jìn)行分析和研究。研究結(jié)果對(duì)于采用粉末溫軋與液相燒結(jié)這一短流程加工方式制備質(zhì)量較高、厚度較薄的W-20Cu合金板材具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

所用原料粉末為市售的W粉和Cu粉，粉末性能參數(shù)列于表1。首先按照4:1的質(zhì)量比稱量W粉和Cu粉，用錐形混料機(jī)混合24 h后，加入有機(jī)添加劑，繼續(xù)混合24 h。將兩輥臥式粉末軋機(jī)的軋輥(軋輥的直徑和長度均為400 mm)預(yù)熱至設(shè)定的溫度，將W-20Cu混合粉末放入加熱箱中加熱至與軋輥同溫，保溫1 h。在軋輥線速度為0.5~1.5 m/min的條件下對(duì)混合粉末進(jìn)行軋制，得到W-20Cu生板坯。由于在本實(shí)驗(yàn)過程中，軋制方向?yàn)榇怪避堉?，?dāng)溫度低于60 ℃時(shí)，W-20Cu混合粉末無法軋制成形，難以得到完整的生板坯，所以將溫軋溫度設(shè)為60~150 ℃。將W-20Cu生板坯在H2氣氛、1 250 ℃/2 h條件下液相燒結(jié)，獲得W-20Cu合金板帶材。

表1 原料粉末的性能與特征

采用排水法測(cè)定W-20Cu生板坯和燒結(jié)板材的密度，通過掃描電鏡觀察W-20Cu合金板材的顯微組織與形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

利用正交實(shí)驗(yàn)研究W-20Cu粉末軋制速度、軋制溫度與添加劑含量等軋制工藝參數(shù)對(duì)溫軋板坯密度的影響，設(shè)計(jì)三因素(軋制速度、軋制溫度和添加劑含量)、三水平的正交試驗(yàn)，共9次實(shí)驗(yàn)，假設(shè)三因素之間無交互作用。軋制速度分別采用0.5，1.0和2 m/min；軋制溫度分別設(shè)定為60，80和110 ℃；添加劑的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.3%，0.6%和1.2%。以W-20Cu生板坯的相對(duì)密度作為正交實(shí)驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果列于表2。從表2可看出在軋制速度1.0 m/min，軋制溫度110 ℃和添加劑含量為0.3%時(shí)，可獲得具有最大相對(duì)密度78.27%的生板坯。

表2 W-20Cu混合粉末溫軋正交試驗(yàn)結(jié)果

表3所列為正交試驗(yàn)中的主要影響值。其中，1，2和3分別為軋制速度、軋制溫度以及添加劑含量在同一水平條件下W-20Cu生板坯相對(duì)密度的平均值；為1，2以及3之間的極差值，的大小表征工藝參數(shù)影響的顯著性。其中，軋制溫度的值最大，為3.56；其次是添加劑含量，為2.90；軋制速度的最小，為0.61。由此可見對(duì)于W-20Cu粉末軋制板坯成形性與相對(duì)密度的影響程度從大到小依次為：軋制溫度、添加劑含量和軋制速度，即軋制溫度與添加劑含量對(duì)軋制板坯的密度影響較大，而軋制速度的影響較小。因此選擇在軋制速度為0.5 m/min條件下進(jìn)一步研究軋制溫度和添加劑含量對(duì)板材性能的影響。

表3 W-20Cu混合粉末溫軋正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1,2 and3 are average values of relative density of W-20Cu alloy green strips under same level condition of rolling speed, rolling temperature and percentage of additives, respectively;is range among1,2 and3)

汪維金[11]采用傳統(tǒng)粉末冷軋工藝制備的W-20Cu生板坯，相對(duì)密度不超過60%，且生坯表面質(zhì)量較差。本研究通過粉末溫軋得到的W-20Cu合金生坯，相對(duì)密度達(dá)到70%以上，而且生板坯的成形性與保形性較好。由此可見，采用金屬粉末溫軋工藝制備W-20Cu合金生板坯優(yōu)于采用傳統(tǒng)金屬粉末冷軋方法。

2.2 軋制溫度

圖1 所示為加入0.3%添加劑、軋制速度為0.5 m/min條件下，粉末溫軋溫度對(duì)W-20Cu生板坯相對(duì)密度的影響。由圖1可見，隨軋制溫度升高，生板坯的相對(duì)密度提高。當(dāng)溫度升高至150 ℃時(shí)相對(duì)密度達(dá)到85.38%。隨溫度升高，有機(jī)添加劑的黏度減小，流動(dòng)性與潤滑性能增強(qiáng)，添加劑均勻地覆蓋在金屬顆粒表層，有助于金屬顆粒之間的相對(duì)滑動(dòng)，金屬粉末與軋輥之間，以及粉末與粉末之間的摩擦減小，從而導(dǎo)致W-20Cu合金生板坯密度提高。由于采用的有機(jī)添加劑為多組元混合物，當(dāng)軋制溫度超過110 ℃時(shí)，部分低沸點(diǎn)有機(jī)添加劑組元揮發(fā)，導(dǎo)致添加劑的配比成分不確定，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此選擇在軋制溫度為110 ℃進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2.3 添加劑含量

圖2所示為軋制溫度為110 ℃、軋制速度為0.5 m/ min條件下，添加劑含量對(duì)W-20Cu生板坯相對(duì)密度的影響。從圖2看出，隨添加劑含量增加，生板坯的相對(duì)密度先升高后降低，當(dāng)添加劑含量為0.3%時(shí)，板坯相對(duì)密度達(dá)到最大值78.51%，進(jìn)一步提高添加劑含量時(shí)，板坯的相對(duì)密度反而下降。這一方面可能是由于添加劑含量過多，其中潤滑組分隨之增加，金屬顆粒間的摩擦急劇下降，造成金屬顆粒之間的咬合能力降低，因而軋制的生坯密度下降；另一方面，作為混合粉末中的一種低密度組元，添加劑的加入導(dǎo)致混合粉末的密度降低，當(dāng)其含量過高時(shí)對(duì)密度降低的影響抵消甚至超過溫軋對(duì)生坯密度提高的影響。

圖1 軋制溫度對(duì)生軋板坯相對(duì)密度的影響

圖2 添加劑含量對(duì)生軋板坯相對(duì)密度的影響

2.4 燒結(jié)板材的密度與顯微組織

在添加劑含量為0.3%，軋制溫度分別為60，110，125和150 ℃條件下制備的W-20Cu生板坯，在H2氣氣氛和(1250 ℃，2 h)條件下進(jìn)行液相燒結(jié)獲得W-20Cu合金板材，圖3和圖4所示分別為合金板材的相對(duì)密度和SEM形貌。由圖3看出合金板材的相對(duì)密度隨粉末軋制溫度升高而升高，生坯密度直接影響燒結(jié)坯的密度。粉末軋制使用的純銅粉平均粒徑為34 μm，從圖4可看出液相燒結(jié)后的W-20Cu板材中大部分區(qū)域Cu相尺寸約為30 μm，與銅粉的粒徑相當(dāng)。通過Image-Pro PlusTM軟件對(duì)圖4組織進(jìn)行分析，獲得軋制溫度分別為60，110，125和150 ℃條件下，燒結(jié)板材的孔隙率分別為5.63%，1.74%，2.99%和0.35%，這表明隨軋制溫度升高， W-20Cu合金板材的孔隙尺寸逐漸減小，孔隙率逐漸降低，并且金屬Cu元素在鎢基體中的分布更加彌散、均勻。在150 ℃溫度下軋制的W-20Cu生板坯，液相燒結(jié)后相對(duì)密度達(dá)到99.65%。

圖3 軋制溫度對(duì)生坯板與燒結(jié)板材相對(duì)密度的影響

3 結(jié)論

1) 采用垂直式軋制方法對(duì)W-20Cu混合粉末進(jìn)行溫軋，只有當(dāng)軋輥與粉末溫度超過60 ℃時(shí)，才可軋制得到較完整的W-20Cu合金板帶生坯。溫度與添加劑含量對(duì)生板坯的致密度影響顯著，軋制速度的影響 較小。

圖4 不同軋制溫度條件下制備的W-20Cu合金燒結(jié)板材的顯微組織

2) W-20Cu生板坯的相對(duì)密度隨粉末軋制溫度升高而增加，隨添加劑含量增加發(fā)生先增大后減小的變化。軋制溫度為110 ℃、添加劑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.3%時(shí)，生板坯相對(duì)密度達(dá)到78.51%。

3) 隨粉末軋制溫度升高，W-20Cu合金燒結(jié)板材的相對(duì)密度逐漸增大，軋制溫度為150 ℃條件下板材的相對(duì)密度達(dá)到99.65%， Cu相尺寸約為30 μm，與原料粉末的粒徑相當(dāng)，Cu在鎢基體中均勻、彌散分布。

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(編輯 湯金芝)

Effects of warm rolling processes on density and microstructure of W-20Cu alloy

YANG Donglin1, 2, LI Daren2, CAI Yixiang2

(1. School of Material Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangdong Institute of Materials and Processing, Guangzhou 510650, China)

W-Cu powder mixtures were added with 0.1%?2.0% (mass fraction) organic additives, then warm rolled into green strips at 60~150℃, and finally suffered liquid-phase sintering to prepare W-20Cu alloy strips. The effects of rolling speed, rolling temperature and additive content on green strips density were studied by orthogonal experiments, and the density and microstructure of the sintered alloy strips were also analyzed and characterized. The results show that the density of W-20Cu alloy green strips are significantly affected by rolling speed and additives content, while little affected by rolling speed. With increasing rolling temperature, the density of W-20Cu alloy green strips increases, the pore size of sintered strips reduces and the porosity decreases. With increasing additives content, the density of green strips increases first and then decreases. Under the conditions of rolling temperature at 150 ℃ and with 0.3% additives content, the W-20Cu alloy green strips reach the maximum relative density of 85.38%, and W-20Cu alloy strips with 99.65% relative density are prepared after the liquid-phase sintering. Copper element exhibits homogeneous and dispersed distribution in the tungsten matrix.

warm rolling; W-20Cu alloy; green strip; orthogonal experiment; density

TG146.1

A

1673?0224(2016)03?470?05

廣東省省屬科研機(jī)構(gòu)改革創(chuàng)新(2014B070706022)；廣東省金屬強(qiáng)韌化技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2014B030301012)；廣州市先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(201509010003)；廣東省金屬基復(fù)合材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)(2016B070701024)；廣東省難變形材料粉末溫加工成形創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)(2016B070701021)

2015?06?15；

2015?12?10

李達(dá)人，高級(jí)工程師，博士。電話：020-61086127；E-mail: darenli@126.com