粉末温轧工艺对W-20Cu合金密度和显微组织的影响

杨东麟，李达人，蔡一湘



粉末温轧工艺对W-20Cu合金密度和显微组织的影响

杨东麟1, 2，李达人2，蔡一湘2

(1. 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083；2. 广东省材料与加工研究所，广州 510650)

在W-Cu混合粉末中加入0.1%~2.0%(质量分数)的有机添加剂，在60~150 ℃温度下温轧成生板坯，然后进行液相烧结，获得W-20Cu合金板材。通过正交试验研究粉末轧制速度、轧制温度与添加剂含量对生板坯密度的影响，并对烧结板材的密度和显微组织进行分析与表征。结果表明，轧制温度与添加剂含量对粉末轧制板坯密度有显著影响，二轧制速度对生板坯密度的影响较小。随轧制温度升高，W-20Cu生板坯的密度增大，烧结板材的孔隙尺寸逐渐减小，孔隙率逐渐降低，烧结密度相应提高；随添加剂含量增加，板坯密度先升高后降低。在轧制温度为150℃，添加剂含量为0.3%时，生板坯的相对密度达到最大值85.38%，液相烧结后获得相对密度为99.65%的W-20Cu合金板材，金属Cu元素在钨基体中均匀、弥散分布。

粉末温轧；W-20Cu合金；生板坯；正交试验；密度

W-20Cu合金具有高导电、高强度、耐烧蚀、热膨胀系数低等优良性能，广泛应用于微电子技术和高精度机械加工等领域[1]。近年来对于W-20Cu合金的研究大多集中在超细原料粉末[2]与包覆粉的制备方法[3−4]、成形工艺以及烧结技术等方面[5−6]。W-20Cu合金板带材的制备工艺主要有传统熔渗烧结成形后切片、粉末温压成形、粉末注射成形等[7−9]，但这些工艺都受限于模具尺寸和成形压力，制备平面尺寸较大的W-20Cu合金板材较困难[10]。常温状态下的粉末轧制一般采用水平辊或倾斜辊轧制，可得到平面尺寸较完整、连续的W-20Cu合金板带材生坯，但生坯密度通常较低，相对密度低于70%，在后续加工处理过程中容易碎裂，难以运输与保存，并且对其最终烧结密度影响较大。因此，提高粉末轧制W-20Cu合金板带生坯的密度，增强W-20Cu合金板带生坯的保形能力，对于制备高密度W-20Cu合金板带材具有很重要的意义。本文作者在粉末轧制工艺的基础上提出金属粉末温轧成形工艺，即在混合粉末体系中添加合适的低熔点聚合物组元，在较低温度下轧制(辊温和料温均为80~150 ℃)，利用添加剂的粘性流动减少摩擦阻碍，降低轧制力，从而提高生坯板的密度。粉末温轧工艺能在一定程度上克服粉末冷轧难变形，合金粉末成形困难、抗力大，以及生坯密度低等缺点。采用正交试验研究轧制温度、添加剂含量以及轧制速度对W-20Cu粉末生轧板密度的影响；同时，将合金生板坯进行液相烧结，对烧结板材的致密化程度与孔隙分布状况进行分析和研究。研究结果对于采用粉末温轧与液相烧结这一短流程加工方式制备质量较高、厚度较薄的W-20Cu合金板材具有重要指导意义。

1 实验

所用原料粉末为市售的W粉和Cu粉，粉末性能参数列于表1。首先按照4:1的质量比称量W粉和Cu粉，用锥形混料机混合24 h后，加入有机添加剂，继续混合24 h。将两辊卧式粉末轧机的轧辊(轧辊的直径和长度均为400 mm)预热至设定的温度，将W-20Cu混合粉末放入加热箱中加热至与轧辊同温，保温1 h。在轧辊线速度为0.5~1.5 m/min的条件下对混合粉末进行轧制，得到W-20Cu生板坯。由于在本实验过程中，轧制方向为垂直轧制，当温度低于60 ℃时，W-20Cu混合粉末无法轧制成形，难以得到完整的生板坯，所以将温轧温度设为60~150 ℃。将W-20Cu生板坯在H2气氛、1 250 ℃/2 h条件下液相烧结，获得W-20Cu合金板带材。

表1 原料粉末的性能与特征

采用排水法测定W-20Cu生板坯和烧结板材的密度，通过扫描电镜观察W-20Cu合金板材的显微组织与形貌。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

利用正交实验研究W-20Cu粉末轧制速度、轧制温度与添加剂含量等轧制工艺参数对温轧板坯密度的影响，设计三因素(轧制速度、轧制温度和添加剂含量)、三水平的正交试验，共9次实验，假设三因素之间无交互作用。轧制速度分别采用0.5，1.0和2 m/min；轧制温度分别设定为60，80和110 ℃；添加剂的含量(质量分数)分别为0.3%，0.6%和1.2%。以W-20Cu生板坯的相对密度作为正交实验的综合评价标准，结果列于表2。从表2可看出在轧制速度1.0 m/min，轧制温度110 ℃和添加剂含量为0.3%时，可获得具有最大相对密度78.27%的生板坯。

表2 W-20Cu混合粉末温轧正交试验结果

表3所列为正交试验中的主要影响值。其中，1，2和3分别为轧制速度、轧制温度以及添加剂含量在同一水平条件下W-20Cu生板坯相对密度的平均值；为1，2以及3之间的极差值，的大小表征工艺参数影响的显著性。其中，轧制温度的值最大，为3.56；其次是添加剂含量，为2.90；轧制速度的最小，为0.61。由此可见对于W-20Cu粉末轧制板坯成形性与相对密度的影响程度从大到小依次为：轧制温度、添加剂含量和轧制速度，即轧制温度与添加剂含量对轧制板坯的密度影响较大，而轧制速度的影响较小。因此选择在轧制速度为0.5 m/min条件下进一步研究轧制温度和添加剂含量对板材性能的影响。

表3 W-20Cu混合粉末温轧正交试验数据分析

(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)

汪维金[11]采用传统粉末冷轧工艺制备的W-20Cu生板坯，相对密度不超过60%，且生坯表面质量较差。本研究通过粉末温轧得到的W-20Cu合金生坯，相对密度达到70%以上，而且生板坯的成形性与保形性较好。由此可见，采用金属粉末温轧工艺制备W-20Cu合金生板坯优于采用传统金属粉末冷轧方法。

2.2 轧制温度

图1 所示为加入0.3%添加剂、轧制速度为0.5 m/min条件下，粉末温轧温度对W-20Cu生板坯相对密度的影响。由图1可见，随轧制温度升高，生板坯的相对密度提高。当温度升高至150 ℃时相对密度达到85.38%。随温度升高，有机添加剂的黏度减小，流动性与润滑性能增强，添加剂均匀地覆盖在金属颗粒表层，有助于金属颗粒之间的相对滑动，金属粉末与轧辊之间，以及粉末与粉末之间的摩擦减小，从而导致W-20Cu合金生板坯密度提高。由于采用的有机添加剂为多组元混合物，当轧制温度超过110 ℃时，部分低沸点有机添加剂组元挥发，导致添加剂的配比成分不确定，对实验结果产生误差，因此选择在轧制温度为110 ℃进行进一步的研究。

2.3 添加剂含量

图2所示为轧制温度为110 ℃、轧制速度为0.5 m/ min条件下，添加剂含量对W-20Cu生板坯相对密度的影响。从图2看出，随添加剂含量增加，生板坯的相对密度先升高后降低，当添加剂含量为0.3%时，板坯相对密度达到最大值78.51%，进一步提高添加剂含量时，板坯的相对密度反而下降。这一方面可能是由于添加剂含量过多，其中润滑组分随之增加，金属颗粒间的摩擦急剧下降，造成金属颗粒之间的咬合能力降低，因而轧制的生坯密度下降；另一方面，作为混合粉末中的一种低密度组元，添加剂的加入导致混合粉末的密度降低，当其含量过高时对密度降低的影响抵消甚至超过温轧对生坯密度提高的影响。

图1 轧制温度对生轧板坯相对密度的影响

图2 添加剂含量对生轧板坯相对密度的影响

2.4 烧结板材的密度与显微组织

在添加剂含量为0.3%，轧制温度分别为60，110，125和150 ℃条件下制备的W-20Cu生板坯，在H2气气氛和(1250 ℃，2 h)条件下进行液相烧结获得W-20Cu合金板材，图3和图4所示分别为合金板材的相对密度和SEM形貌。由图3看出合金板材的相对密度随粉末轧制温度升高而升高，生坯密度直接影响烧结坯的密度。粉末轧制使用的纯铜粉平均粒径为34 μm，从图4可看出液相烧结后的W-20Cu板材中大部分区域Cu相尺寸约为30 μm，与铜粉的粒径相当。通过Image-Pro PlusTM软件对图4组织进行分析，获得轧制温度分别为60，110，125和150 ℃条件下，烧结板材的孔隙率分别为5.63%，1.74%，2.99%和0.35%，这表明随轧制温度升高， W-20Cu合金板材的孔隙尺寸逐渐减小，孔隙率逐渐降低，并且金属Cu元素在钨基体中的分布更加弥散、均匀。在150 ℃温度下轧制的W-20Cu生板坯，液相烧结后相对密度达到99.65%。

图3 轧制温度对生坯板与烧结板材相对密度的影响

3 结论

1) 采用垂直式轧制方法对W-20Cu混合粉末进行温轧，只有当轧辊与粉末温度超过60 ℃时，才可轧制得到较完整的W-20Cu合金板带生坯。温度与添加剂含量对生板坯的致密度影响显著，轧制速度的影响 较小。

图4 不同轧制温度条件下制备的W-20Cu合金烧结板材的显微组织

2) W-20Cu生板坯的相对密度随粉末轧制温度升高而增加，随添加剂含量增加发生先增大后减小的变化。轧制温度为110 ℃、添加剂含量(质量分数)为0.3%时，生板坯相对密度达到78.51%。

3) 随粉末轧制温度升高，W-20Cu合金烧结板材的相对密度逐渐增大，轧制温度为150 ℃条件下板材的相对密度达到99.65%， Cu相尺寸约为30 μm，与原料粉末的粒径相当，Cu在钨基体中均匀、弥散分布。

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(编辑 汤金芝)

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

广东省省属科研机构改革创新(2014B070706022)；广东省金属强韧化技术与应用重点实验室(2014B030301012)；广州市先进金属结构材料重点实验室(201509010003)；广东省金属基复合材料创新团队建设(2016B070701024)；广东省难变形材料粉末温加工成形创新科研团队建设(2016B070701021)

2015−06−15；

2015−12−10

李达人，高级工程师，博士。电话：020-61086127；E-mail: darenli@126.com