一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法

摘要

本发明提出一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法。该方法的主要步骤包括：步骤一，将原料粉进行破碎处理，得到破碎后的粉料；步骤二，将步骤一得到的所述破碎后的粉料进行成型处理，得到料坯；步骤三，将步骤二得到的所述料坯进行烧结处理，得到所述高致密度纯钨、纯钼及其合金材料。所述高致密度纯钨、纯钼及其合金材料是致密度达98％以上。通过提高烧结态坯料的密度，能够有效提高烧结态产品的硬度、抗拉强度、抗腐蚀能力、机加工性能、热加工性能等性能。这种方法适用于纯钨、纯钼、钨‑氧化镧合金、钨‑氧化铈合金、钨氧化钍合金等粉末冶金产品。

权利要求

1.一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，将原料粉进行破碎处理，得到破碎后的粉料，所述原料粉为纯钨粉、纯钼粉、钨合金粉或钼合金粉，所述原料粉的平均粒度为2.3～3.5μm，所述破碎处理是采用气流破碎机进行破碎，采用所述气流破碎机进行破碎时，装料速度为0.5～1.0kg/min，气流压力为

0.6～1.2MPa，分级机频率为20～60Hz，气源为空气、氮气、氩气中的至少一种；

步骤二，将步骤一得到的所述破碎后的粉料进行成型处理，得到料坯，所述成型处理是采用冷等静压的工艺进行成型处理，所述冷等静压的压力为220～240MPa，保压时间为19-

21min，泄压速度为2～4MPa/min；

步骤三，将步骤二得到的所述料坯进行烧结处理，得到所述高致密度纯钨、纯钼及其合金材料，所述烧结处理的烧结温度为2000～2350℃，保温时间为4～9.5h，所述高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的致密度为98.5％以上。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述钨合金粉是钨-氧化镧合金、钨-氧化铈合金或钨-氧化钍合金，所述钼合金粉是钼-氧化镧合金、钼-氧化铈合金或钼-氧化钍合金。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤三中所述烧结处理是在非氧化气氛下或真空下进行。

4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述非氧化气氛为氢气氛、氮气氛和氩气氛中的至少一种。

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤三中所述烧结处理在氢气气氛下进行时，氢气流量为10～20m3/h。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述烧结处理是采用中频感应加热炉进行烧结。

说明书

一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制备高密度难熔金属的工艺技术，尤其涉及一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法，属于粉末冶金领域。

背景技术

[0002] 钨、钼及其合金，以其高熔点、高密度、良好的导热导电性能、低热膨胀系数、高温抗变形能力和较好的耐磨性等优势，使其成为高温、强辐射等使用场合的首选材料，在电子、电力、国防军工、窑炉热场加热和结构件中受到广泛应用。

[0003] 但以上这些钨、钼及其合金材料的优异性能都与其致密度有很大的关系。钨、钼及其合金的致密度95％以上时，如果致密度降低1％，其热导率、电导率会下降10％，硬度、抗拉强度等力学性能指标也会随致密度的降低而显著下降。目前，高致密度的钨、钼及其合金主要是通过粉末冶金烧结后，再进行锻造、轧制等热加工来提高其致密度。这种传统工艺能使材料达到99％以上的致密度，同时也能极大的提高材料的力学性能。但其缺点是，只能生产形状单一，如棒状、板状或尺寸较小的产品。如果要求生产形状较为复杂、或中型三维尺寸的高致密度产品，则无法通过变形加工获得，或者会产生极大的成本。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法。该方法通过将钨、钼及其合金粉体进行破碎后，用不同形状的等静压模具压坯，再进行烧结，得到所需形状的高致密度烧结坯；该方法能制备大型尺寸，形状较为复杂的高密度钨、钼及其合金材料，且基本不增加成本，所述钨、钼及其合金产品的致密度在98％以上。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种高致密度纯钨、纯钼及其合金材料的制备方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤一，将原料粉进行破碎处理，得到破碎后的粉料；

[0008] 步骤二，将步骤一得到的所述破碎后的粉料进行成型处理，得到料坯；

[0009] 步骤三，将步骤二得到的所述料坯进行烧结处理，得到所述高致密度纯钨、纯钼及其合金材料。

[0010] 该制备方法通过提高烧结态坯料的密度，能够有效提高烧结态产品的硬度、抗拉强度、抗腐蚀能力、机加工性能、热加工性能等性能。这种方法适用于纯钨、纯钼、钨-氧化镧合金、钨-氧化铈合金、钨-氧化钍合金、钼-氧化镧合金、钼-氧化铈合金、钼-氧化钍合金等粉末冶金产品。

[0011] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一中所述原料粉为纯钨粉、纯钼粉、钨合金粉或钼合金粉；所述钨合金粉可以是钨-氧化镧合金、钨 -氧化铈合金或钨-氧化钍合金，所述钼合金粉可以是钼-氧化镧合金、钼-氧化铈合金或钼-氧化钍合金。钨合金粉和钼合金粉为市售产品或按照要求配比采用本领域常规方法进行制备，比如雾化法或机械混合法。

[0012] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一中所述原料粉的平均粒度为1.5～10μm(比如2μm、3μm、5μm、7μm、9μm、9.5μm)。

[0013] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一中所述破碎处理是采用气流破碎机进行破碎。采用气流破碎方法一方面能连续生产、产量高、成本低，另一方面能减少原料粉团聚现象，改善压坯压实度。

[0014] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一中采用所述气流破碎机进行破碎时，装料速度为0.5～2.0kg/min(比如0.6kg/min、0.8kg/min、1 kg/min、1.2kg/min、1.4kg/min、1.6kg/min、1.8kg/min、1.9kg/min)，气流压力为0.2～1.2MPa(比如0.3MPa、
0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、 0.8MPa、0.9MPa、1MPa、1.1MPa)，分级机转速为10～120Hz(比如15Hz、 20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、105Hz、115Hz)，气源为空气、氮气、氩气中的至少一种。

[0015] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤二中所述成型处理是采用冷等静压的工艺进行成型处理。

[0016] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤二中所述冷等静压的压力为120～240MPa(比如125MPa、130MPa、145MPa、160MPa、175MPa、 200MPa、220MPa、230MPa、235MPa)，保压时间为15-25min(比如16min、 17min、19min、21min、23min、24min)，泄压速度为2～
8MPa/min(比如 2.5MPa/min、3MPa/min、4MPa/min、5MPa/min、6MPa/min、7MPa/min、 
7.5MPa/min)。

[0017] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤三中所述烧结处理是在非氧化气氛下或真空下进行；更优选地，所述非氧化气氛为氢气氛、氮气氛和氩气氛中的至少一种。进一步，步骤三中所述烧结处理是在氢气气氛下进行时，氢气流量为10～20m3/h(比如11m3/h、112m3/h、13m3/h、14m3/h、 15m3/h、16m3/h、17m3/h、18m3/h、19m3/h)。

[0018] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤三中所述烧结处理是采用中频感应加热炉进行烧结。

[0019] 上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤三中所述烧结处理的烧结温度为1700～2400℃(比如1720℃、1750℃、1800℃、1900℃、2000℃、 2100℃、2200℃、2300℃、
2350℃)，保温时间为0.5～10h(比如0.8h、1.2h、 1.6h、2.4h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、
9.5h)。

[0020] 采用上述方法可以制备高致密度坩埚，比如：相对密度为98％以上(95.2％、95.5％、95.8％、96.5％、97.5％、98.2％、98.5％)，外径为135-150mm (比如136mm、137mm、
139mm、142mm、146mm、148mm、149mm)，高度为110-140mm(比如112mm、115mm、118mm、122mm、
126mm、130mm、 134mm、136mm、138mm)，壁厚为5-15mm(6mm、8mm、10mm、12mm、 14mm)。

[0021] 采用上述方法制备的高致密度坩埚，材质采用纯钨、纯钼、钨合金或钼合金；所述钨合金优选为钨-氧化镧合金、钨-氧化铈合金或钨-氧化钍合金，所述钼合金优选为钼-氧化镧合金、钼-氧化铈合金或钼-氧化钍合金。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0023] 1)能够烧结出高致密度的钨、钼及其合金等难熔金属烧结制品，致密度在98％以上。

[0024] 2)没有增加过多的工艺步骤，最大程度的减小成本。

[0025] 3)通过改变等静压模具的形状，能够生产不同形状的异型产品，弥补了传统工艺产品形状单一的缺点。

[0026] 4)适用于批量生产。

附图说明

[0027] 图1是本发明实施例1要求得到的产品的剖视结构和俯视结构示意图，其中，(a)是产品的剖视结构；(b)是产品的俯视结构。

[0028] 图2是本发明实施例2要求得到的产品的剖视结构和俯视结构示意图，其中，(a)是产品的剖视结构；(b)是产品的俯视结构。

[0029] 图3是本发明实施例3要求得到的产品的剖视结构和俯视结构示意图，其中，(a)是产品的剖视结构；(b)是产品的俯视结构。

[0030] 图4是本发明实施例1制备的高致密度纯钨坩埚的金相组织照片。

[0031] 图5是本发明实施例2制备的高致密度纯钼坩埚的金相组织照片。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

[0033] 以下实施例中使用的各种原料均为市售产品。

[0034] 实施例1

[0035] 本实施例制备一种相对密度为98.5％的纯钨坩埚，钨坩埚的外形尺寸为Φ138×140，壁厚为5mm，如图1所示，具体步骤如下：

[0036] (1)将钨粉(平均粒度为2.5μm)用气流破碎机进行破碎，装料速度为 1.0kg/min，气流压力为0.8MPa，分级机转速为60Hz，破碎后钨粉的平均粒度为2.3μm。

[0037] (2)将破碎后的钨粉装入冷等静压模具中进行冷等静压处理，从而得到料坯；冷等静压的压力为240MPa，保压时间为20min，泄压速度为4MPa/min。

[0038] (3)将(2)中得到的料坯用中频感应加热炉烧结；烧结在氢气氛下进行，氢气流量为15m3/小时，烧结温度为2300℃，保温时间为4h，最终得到高致密度纯钨坩埚。

[0039] 采用静水称重法测量本实施例方法得到的10个高致密度纯钨坩埚的相对密度，其相对密度均为98.5％，实际密度为19.05g/cm3。图4是本实施例制备的高致密度纯钨坩埚的金相组织照片，从图中可以看出晶粒均匀，晶粒孔洞较少且较小，印证了较高的致密度。

[0040] 实施例2

[0041] 本实施例制备一种相对密度为99％的纯钼坩埚，钼坩埚的外形尺寸为Φ145×110，壁厚为10mm，如图2所示，具体步骤如下：

[0042] (1)将钼粉(平均粒度为3.5μm)，用气流破碎机进行破碎，装料速度为0.5kg/min，气流压力为1.2MPa，分级机转速为30Hz，破碎后钼粉的平均粒度为3.3μm。

[0043] (2)将破碎后的钼粉装入冷等静压模具中进行冷等静压处理，从而得到料坯；冷等静压的压力为220MPa，保压时间为20min，泄压速度为 3.5MPa/min。

[0044] (3)将(2)中得到的料坯用中频感应加热炉烧结；烧结在氢气氛下进行，氢气流量为12m3/小时，烧结温度为2000℃，保温时间为5h，最终得到高致密度纯钼坩埚。

[0045] 采用静水称重法测量本实施例方法得到的10个高致密度纯钼坩埚的相对密度，其相对密度均为99％。图5是本实施例制备的高致密度纯钼坩埚的金相组织照片，从图中可以看出晶粒均匀，晶粒孔洞较少且较小，印证了较高的致密度。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例制备一种相对密度为99％的钨-氧化镧合金坩埚，坩埚的外形尺寸为Φ145×110，壁厚为15mm，如图3所示，具体步骤如下：

[0048] (1)将钨-氧化镧粉(平均粒度为2.3μm，氧化镧的质量百分比为1％，采用混料机混合而成)，用气流破碎机进行破碎，装料速度为0.8kg/min，气流压力为0.6MPa，分级机转速为20Hz，破碎后合金粉的平均粒度为2.0μm。

[0049] (2)将破碎后的合金粉装入冷等静压模具中进行冷等静压处理，从而得到料坯；冷等静压的压力为240MPa，保压时间为20min，泄压速度为 2MPa/min。

[0050] (3)将(2)中得到的料坯用中频感应加热炉烧结；烧结在氢气氛下进行，氢气流量为15m3/小时，烧结温度为2330℃，保温时间为10h，最终得到高致密度钨-氧化镧合金坩埚。

[0051] 采用静水称重法测量本实施例方法得到的10个高致密度钨-氧化镧合金坩埚的相对密度，其相对密度为99％。本实施例制备的高致密度钨-氧化镧合金坩埚的金相组织图显示晶粒均匀，晶粒孔洞较少且较小，印证了较高的致密度。

[0052] 实施例4

[0053] 本实施例制备一种相对密度为98.5％的钼-氧化镧合金坩埚，钼坩埚的外形尺寸为Φ145×110，壁厚为15mm，具体步骤如下：

[0054] (1)将钼-氧化镧粉(平均粒度为3.3μm，氧化镧的质量百分比为1％，采用混料机混合而成)，用气流破碎机进行破碎，装料速度为0.8kg/min，气流压力为0.6MPa，分级机转速为20Hz，破碎后合金粉的平均粒度为3.0μm。

[0055] (2)将破碎后的合金粉装入冷等静压模具中进行冷等静压处理，从而得到料坯；冷等静压的压力为240MPa，保压时间为20min，泄压速度为 2MPa/min。

[0056] (3)将(2)中得到的料坯用中频感应加热炉烧结；烧结在氢气氛下进行，氢气流量为15m3/小时，烧结温度为2330℃，保温时间为10h，最终得到高致密度钼-氧化镧合金坩埚。

[0057] 采用静水称重法测量采用本实施例方法得到的10个高致密度钼-氧化镧合金坩埚的相对密度，其相对密度为98.5％。本实施例制备的高致密度钨-氧化镧合金坩埚的金相组织图显示晶粒均匀，晶粒孔洞较少且较小，印证了较高的致密度。

[0058] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。