不同压制条件下铜基粉末的致密化研究.pdf

第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a b V d ．6 1 ．N o ．1 F e b r u a r y2009 不同压制条件下铜基粉末的致密化研究 莫德锋，何国求 同济大学材料科学与1 “ - 程学院，上海2 0 0 0 9 2 摘要研究铜基粉末在不同压制条件下压坯密度与相对密度的变化。结果表明，添加少量石墨有利于提高压坯的相对密 度，当石墨含量超过1 ％时，以片状形貌存在的石墨大大增加了与铜基体的孔隙，相对密度急剧下降。相同压力下，温压压制的压 坯密度明显高于冷压压制，在压制压力为5 0 0 ～6 0 0 M P a 时，密度提升达0 ．2 4 9 ／c m 3 。对所研究的铜基粉末，最佳烧结温度和压制 温度分别为9 2 0 ℃和1 3 0 ℃。 关键词金属材料；铜基粉末；致密化；压制；石墨；烧结 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 ；T G l l 3 ．2 2 1 ；T F l 2 4文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 2 6 0 4 石墨／铜复合材料以其良好的导电、导热、耐磨、 抗电弧侵蚀性能、高强度以及良好的经济性而被广 泛应用于集成电路的引线框架、各种电焊电极、电器 工程开关的触头、发动机的集电环、电枢、转子、电力 火车空架导线、以及冶金工业中的高炉风口、连铸结 晶器、氧枪喷头等要求高的导电导热环境中。由于 粉末冶金材料一般都是基体和孔隙的复合体，而孔 隙是粉末冶金材料的固有特性，它显著影响着材料 的力学、物理、化学和工艺性能，而实现这一目标的 最有效方法就是使材料高致密化[ 1 _ 2 ] ，材料的硬 度、抗拉强度、疲劳强度、韧性等都会随密度的增加 而呈几何级数的增加，倪东惠等人的研究表明bJ ， 纯铜粉末通过温压工艺制得的粉末冶金产品密度可 达到8 ．5 7 9 ／c m 3 ，相当于无孔隙密度 P F D 产品的 9 6 ％，产品性能有大幅度提高。进一步研究不同压 制条件对铜基粉末致密化的影响，并分析致密化的 机理。 1实验方法 1 ．1 试验原料与设备 选用的材料为铜粉、锡粉、石墨粉和其他一些微 量金属粉末，微量金属粉末含量小于5 ％，主要粉末 的化学成分和工艺性能参见表1 。 收稿日期2 0 0 6 1 2 1 4 基金项目教育都“新世纪优秀人才支持计划”资助项目 N C E T 一 0 5 0 3 8 8 ；上海市金属功能材料开发应用重点实验室 开放基金资助项目 作者简介莫德锋 1 9 8 2 一 ，男，浙江桐乡县人，硕士，主要从事材 料的疲劳与失效等方面的研究。 表1混合粉末的化学组成与工艺性能 T a b l e1 C o m p o s i t i o na n dp e r f o r m a n c eo fa d m i x e dp o w d e r 所用压力机为Y A 7 0 一5 0 0 测压式粉末制品液 压机，温压装置 压模及加热线圈 为自行加工组装， 粉末混料机为锥形金属粉末混料机。自制润滑剂， 主要成分为聚苯乙烯，含量小于0 ．5 ％。 1 ．2 试验过程 试验步骤为原料粉末混合一冷压一烧结一冷压 或温压一制样一样品密度测定和组织观察。在混合 粉末的过程中，由于粉末密度差别较大，为保证粉末 的均匀混合，混料时间应保证在3 h 以上，而且每隔 1 5 m i n 金属粉末混料机的转向改变一次。粉末冶金 样品的烧结，一般选择的烧结温度为基体金属熔点 的8 0 ％，选择了三组样品在不同温度下烧结，分别 是8 8 0 ，9 2 0 ，9 4 0 ℃，保温时间为3 h 。 2 试验结果及分析 2 ．1 石墨含量对密度的影响 表2 为烧结温度9 2 0 ℃，冷压压制压力5 0 0 M P a 时压坯密度随石墨含量的变化关系。从表2 可以看 出，石墨含量增高，压坯密度明显减小，主要原因是 石墨的密度小于铜锡基体合金粉末的密度。然而， 压坯相对密度的变化较为迟缓，当石墨含量小于 1 ％时，无明显变化，甚至在石墨含量为0 ．6 ％，出现 小幅度上升。 万方数据 第1 期莫德锋等不同压制条件下铜基粉末的致密化研究 2 7 表2 石墨含量与压坯密度的关系 T a b l e2R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a p h i t ec o n t e n t a n dg r e e nd e n s i t y 为进一步研究石墨对压坯密度的影响，对石墨 含量为4 ％的式样进行了金相观察、透射电镜观察 和能谱分析。图1 a 为式样的金相照片，分析表 明，铜石墨材料的显微组织为白色的铜基体上分布 着黑色的组织 为石墨和空隙的夹杂 ，3 h 的混料时 间保证了石墨粉与基体金属粉末的充分混合。一方 面，石墨是一种十分优良的固体润滑剂，少量的添加 可以减小在压制过程中的减切和摩擦作用，有利于 压坯相对密度的提高。另一方面，在铜基体中有大 量片状形貌的存在，这些片状组织在高倍下十分清 晰，见图1 b ，能谱分析结果表明，这些物质就是石 墨。从图图1 b 可以观察到，石墨和周围基体问形 成了很大的空隙，这是由石墨和基体金属间浸润性 不好而引起的。片状的石墨是一种高压缩模量的固 体，在外力作用下主要发生弹性变形，并在铜基体表 面产生桥架作用，使压坯空隙度增加，且石墨含量越 多，铜基体与石墨的界面越大，桥架作用越明显，相 对密度下降很快。 a 一金相照片； b 一透射电镜照片 图1 石墨在铜基体中的存在形式 F i g ．1A p p e a r a n c eo fg r a p h i t ei nc o p p e rs u b s t r a t e 2 ．2 压力对密度的影响 图2 为烧结温度9 2 0 ℃，石墨含量0 ．6 ％时冷压 和温压对压坯密度的影响，温压压制时，温压温度为 1 2 0 ℃。由图2 可见，两条曲线具有相同的走向，随 着压力的升高，不管冷压还是温压，压坯密度和相对 密度均升高。在温压 1 2 0 ℃ 和冷压压制过程中，粉 末固结的规律性基本相同，即都经历了颗粒重新排 布、颗粒塑性变形、颗粒断裂3 个阶段HJ 。在某一相 同压制压力下，采用温压的压坯密度明显高于采用 冷压的压坯密度。一方面温压时润滑剂发生玻璃 化，在压力作用下发生流动，从而提高了压制过程中 粉末颗粒与模壁之间以及粉末颗粒相互之间的润滑 效果，减少了摩擦阻力，使压制时粉末颗粒能更好地 传递压力，提高了有效压力，并促使小粉末颗粒填充 到大粉末颗粒的间隙中，增大了粉末颗粒重排的机 会，有利于密度的提高。另一方面在温压压制的温 度范围内，金属粉末颗粒的屈服强度、加工硬化速度 和程度都有所降低，增大了粉末颗粒的塑性变形，有’ 利于获得较高密度。 乒 暑 U ● 埘 懈 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 压力／I ⅥP a 图2 压坯密度随压力变化曲线 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r e e nd e n s i t y a n dc o m p a c t i o np r e s s u r e 从图2 曲线还可以看出，当压制压力在5 0 0 6 0 0 M P a 时，密度的提升量最大，达0 ．2 4 9 ／e m 3 ，若再 8 6 4 2 O 8 7 7 7 7 7 6 万方数据 有色金属第6 1 卷 增大压制压力，增幅反而减小。原因是随压力增大， 颗粒间弹性后效作用增强，密度提高程度减缓。 2 ．3 烧结温度对密度的影响 表3 为石墨含量2 ％，冷压压制压力5 0 0 M P a 时 不同烧结温度下压坯的密度值。由表3 可以看出， 烧结温度越高，原子的扩散速度越大，结果对烧结颈 的长大、晶界的迁移、烧结体的收缩、孔隙的球化等 越有利，压坯密度越大。然而烧结温度也不能过高， 过高的烧结温度会引起单晶粒粉末颗粒的合并，烧 结体将会发生剧烈的晶体长大，材料性能急剧下降。 裹3 烧结温度与压坯密度的关系 T a b ．3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na i n t e r i n g t e m p e r a t u r ea n dg r e e nd e n s i t y a 一9 2 0 1 2 ； b 一9 4 0 “ C 图3 冲击断口的扫描电子显微镜像 F i g ．3F r a e t o g r a p h yo ft o p p e rs u b s t r a t e 图49 4 0 ℃烧结试样颗粒分布和颗粒电子能谱图 F 螗．4D i s t r i b u t i n ga n dd e c t r o n 辞圯c n D s 0 。p yo fg r a i ni ns a m p l ew i t h9 4 0 1 2s i n t e r i n gt 自m p e r a t t t r e 在9 2 0 ℃烧结和9 4 0 ℃烧结，压坯密度已基本接现。选择箭头所示的小球进行能谱分析，分析结果 近，不再有明显上升。对烧结后试样宏观观察发现，表明，这些球状小体中石墨含量均远远高于基体石 9 4 0 ℃烧结时，熔点较低的S n 部分渗出试样表面。墨含量，说明在此温度下烧结，原子间的强烈扩散作 图3 为冲击断口的扫描电子显微镜像，图4 为用和晶界迁移已使石墨出现团聚现象，而且S n 的渗 9 4 0 ℃烧结试样颗粒分布和颗粒电子能谱图。从微 出破坏了 c u ，S n 固溶体，对材料性能不利，因此选 观上比较9 2 0 ℃，9 4 0 1 2 冲击断口形貌可以，看出两择9 2 0 ℃烧结温度对粉末压制最为有利。 者最大的区别是图3 b 中含有很多球状小体，如图 2 ．4 压制温度对密度的影响 4 箭头所指之处，而图3 a 中则没有。对烧结后的图5 表示了石墨含量0 ．6 ％，压制压力5 0 0 M P a 材料的透射电镜观察也表明9 4 0 ℃烧结试样中存在时压坯在不同温度下压制所得压坯的密度值。从图 很多这种球状的颗粒，而9 2 0 ℃烧结试样中则未发5 可见，压坯密度并不是随着压制温度的升高而单 万方数据 第1 期莫德锋等不同压制条件下铜基粉末的致密化研究 2 9 调递增，而是存在一个最佳压制温度，在此压制温度 下能获得最大的密度。当温压温度低于1 0 0 ℃时， 压坯密度较冷压压坯的密度并无明显的提高，但当 温压温度超过1 0 0 ℃时，随着温度升高，压坯密度明 显升高。由于润滑剂的玻璃化温度约为1 0 0 ℃，因 此当温压温度低于1 0 0 ℃时，包覆于铜粉颗粒表面 的润滑剂在压力下的变形程度较低，它对粉料在压 7 ．8 b 7 ．6 嚣7 ．4 7 ．2 6 01 0 0 温度，℃ 图5 压坯密度随温度变化曲线 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r e e nd e n s i t y a n dc o m p a c t i o nt e m p e r a t u r e 参考文献 力下的位移和变形的影响也较小，故此时温压压坯 的密度与冷压压坯差别不大。当温度超过润滑剂的 玻璃化温度时，润滑剂表现出一定的粘流性，且在一 定范围内温度升高，润滑剂的粘流性增加，故压坯密 度也随之增加∞j 。在1 3 0 ℃时，压坯密度达到最大 值，但若温压温度过高 超过1 5 0 ℃时 ，由于润滑剂 开始接近熔点温度，破坏了它在粉末颗粒表面的包 覆，而且高压缩模量的石墨，在高温下的弹性作用更 加明显，此时，压坯密度不再上升，反而呈下降趋势。 3 结论 石墨是一种很好的固体润滑剂，少量添加有利 于提升铜基粉末压坯的相对密度，但石墨具有很高 的压缩模量，在铜基体中以片状形貌分布，与基体问 存在较大孔隙，当添加量超过1 ％时，相对密度急剧 下降。9 2 0 ℃接近石墨／铜复合材料的充分烧结温 度。温压温度必须高于润滑剂的玻璃化温度，低于 熔点温度，对所研究的铜基粉末，温压温度在1 3 0 ℃ 时效果最佳。 [ 1 ] 肖志瑜，陈平，李元元．粉末冶金高致密化的新途径[ J ] ．材料导报，2 0 0 3 ，1 7 1 1 5 8 ． [ 2 ] R u t zHG ，H a n e i k oFG ．H i g hd e n s i t yp r o c e s s i n go fh i g hp e r f o r m a n c ef e r r o u sm a t e r i a l s 【J ] ．T h eI n t e r n a t i o n a lo fP o w d e rM e t a l l u r g y ，1 9 9 5 ，3 1 1 9 1 7 ． [ 3 ] N G A IT u n g w a iL e o ，W A N GS h a n g l i n ，L IY u a n - y u a n ．W a r mc o m p a c t i o np o w d e rm e t a l l u r g yo fC u [ J ] ．T r a n sN o n f e r r o u sM e t S o cC h i n a ，2 0 0 5 ，1 5 1 7 7 ～8 1 ． [ 4 ] 林涛，果世驹，李明怡，等．温压过程致密化机制探讨[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 0 ，2 2 2 1 3 1 1 3 3 ． [ 5 ] L IY u a n - y u a n ，N G A IT u n g w a iL e o ，X I A OZ h i y u ，e ta 1 ．S t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw a r mc o m p a c ti r o n - b a s em a t e r i a l s [ J ] ．JC e n tS o u t h U n i vo f T e c h n o l ，2 0 0 2 ，9 3 1 5 4 1 5 8 ． R e s e a r c ho nD e n s i f i e a t i o no fC u - b a s e dP o w d e ri nD i f f e r e n tP r e s s i n gC o n d i t i o n M OD e - f e n g ，H EG u o - q i u S c h o o l0 ，M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，T o n iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ev a r i a t i o n s o ft h eg r e e nd e n s i t ya n dt h er e l a t i v ed e n s i t yo fC u b a s e dm e t a lp o w d e rw i t hd i f f e r e n t p r e s s i n gc o n d i t i o na r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l tS H O W St h a tt h er e l a t i v ed e n s i t yo ft h ep r e s s e db l a n ki si n c r e a s e db y af e wg r a p h i t ea d d i t i o n ．b u tt h er e l a t i v ed e n s i t yi ss h a r p l yd e c r e a s e dw h e nt h eg r a p h i t ec o n t e n te x c e e d s1 ％， b e c a u s et h ep o r e so fC u ．b a s ea r eg r e a t l ya u g m e n t e db yt h eg r a p h i t ew i t ht h el a m i n a t e da p p e a r a n c e ．U n d e rt h e s a m ep r e s s u r e ．t h ed e n s i t yo ft h eb l a n kf r o mw a r mc o m p a c t i o ni sl a r g e rt h a nt h a tf r o mc o n v e n t i o n a lc o m p a c t i o n ， a n dt h er e l a t i v ed e n s i t yi si n c r e a s e db y0 ．2 4 9 ／c m 3w i t hap r e s s u r eo f5 0 0 ～6 0 0M P a ．T h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e s i ns i n t e r i n ga n dp r e s s i n g8 r e9 2 0 ℃a n d1 3 0 “ 2f o rt h et e s tC u b a s e dm e t a lp o w d e r ，r e s p e c t i v e l y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；C u - b a s e dp o w d e r ；d e n s i f i e a t i o n ；c o m p a c t i o n ；g r a p h i t e ；s i n t e r i n g 万方数据