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第10期 都娟等：超高压力下通电烧结制备钼铜合金 ,1013. 350 过程中，一般的压力仅为30MPa左右，而在超高压 300 下，压力为5GPa以上，与普通的热压相比大100多 □5GPa ☐5GPa+A 倍；因此从上式可以推算，假设普通热压烧结的时间 250 需要1~2h,则超高压过程至多需要60s左右，这与 200 我们实验结果是一致的，可见，采取超高压烧结工 150 艺与常规热压烧结相比可以实现快速致密化，这也 100 是本工艺最大的优点，另外，本实验所用的超高压 M025Cu75 Mo50 Cu5o Mo75 Cu25 装置加热方式与其他超高压装置有所不同：通过给 图5钼铜合金的抗弯强度比较 烧结坯体通入电流，使坯体颗粒自身电阻发热达到 Fig.5 Comparison of bend strengths of Mo-Cu alloys 加热目的·发热量与材料本身电阻相关，也就是说 发热量与成分密切相关，烧结温度也必然与成分的 变化·随着钼含量的增加，材料的维氏硬度和抗弯 分布有关，这对于成分梯度分布的材料显得非常有 强度不断增加，这是由于钼的硬度和强度比铜大，钼 意义，即可以通过控制成分分布控制烧结温度的分 的相对含量越大，合金材料的维氏硬度和抗弯强度 布，总体说来，超高压通电烧结技术属于有一定温 越大；随着烧结压力增加，材料的维氏硬度和抗弯强 度分布的热固结工艺，试样整体以固相烧结为主 度增加，这是由于材料的维氏硬度和抗弯强度与其 总之，在高压烧结作用下，粉末体的致密化过程与一 致密度密切相关，材料越致密，维氏硬度和抗弯强度 般无压烧结或常温压制有很大的差异：与一般无压 越高：值得注意的是，电流的通入使材料的相对密度 烧结相比，高压烧结的烧结速率大大提高；与常温压 提高不大，但维氏硬度和抗弯强度增加显著，这是由 制相比，最后所得粉末相对密度和强度大大加强， 于材料发生了从机械啮合到冶金结合的转变，颗粒 此外，由于烧结时间很短，能有效地防止晶粒长大和 之间的黏着力大大加强，从而维氏硬度和抗弯强度 成分变化，对于制备一定成分分布（如功能梯度材 都有大幅度的提高，另外本次实验制备的 料)和超细晶粒材料，甚至纳米材料有很好的应用 Mo75Cu25试样的硬度达HV270以上，这大大超过 前景 德国DoDuDo公司生产的相同成分的HV180山. 2.3烧结机理分析 3结论 常见的粉末冶金制备钼铜合金材料有热压烧结 (1)超高压力下通电烧结技术，施加压力为5 和热等静压烧结，超高压通电烧结与它们存在差异， GPa,通电功率15kW,通电时间65s,可一次快速烧 在热压或热等静压烧结粉末体时，当粉末颗粒接触 结制备出相对密度达98%以上的钼铜合金；且钼铜 面上承受的切应力超过其临界切应力T。时，粉末 合金的铜含量可在很宽的范围内调整，烧结坯体的 将产生塑性流动，颗粒的部分原子团流入邻近的孔 最终密度与试样的钼铜含量有一定关系， 隙中，同时粉末体发生收缩，使粉体密度得以提高， (2)钼铜合金的维氏硬度与制备工艺和钼含量 超高压通电烧结是在超高的压力下，粉末颗粒被挤 有关，钼铜合金中钼含量越大，维氏硬度和抗弯强度 压到邻近的孔隙中并产生啮合，使粉体密度得以提 也越大；烧结压力越大，材料的维氏硬度和抗弯强度 高，凌云汉等人[1提出在超高压通电烧结情况下， 越大， 粉末体致密化速率的简化表达式为： (3)电流的通入可以使合金的密度小幅度增加， de .0=3f1-0 同时可以使材料的维氏硬度和抗弯强度得到显著提 高，这是由于材料发生了从机械啮合到冶金结合的 其中，P为粉末体烧结密度，t为烧结时间，7为粉末 转变 体黏度，P。为烧结压力， (4)超高压烧结技术的致密化机理与无压烧 该式表明：粉末致密化的速率与所加的外压呈 结、热压烧结等制备方法有很大的不同，它的烧结压 正比，而与粉末的黏度呈反比.由于黏度是温度的 力大，烧结时间短，颗粒迁移量有限，整体以固相烧 函数，粉末黏度值随温度升高而下降，因此上式也表 结为主 示致密化的速率随温度的升高而增加；然而对粉末 体黏度与温度的一般定量函数目前还不清楚，假设 参考文献 温度不变，单从压力角度讨论烧结速率，在热压烧结 [1]吕大铭.钼铜合金的开发和应用.粉未冶金工业，2000,10图5 钼铜合金的抗弯强度比较 Fig．5 Comparison of bend strengths of Mo－Cu alloys 变化．随着钼含量的增加材料的维氏硬度和抗弯 强度不断增加这是由于钼的硬度和强度比铜大钼 的相对含量越大合金材料的维氏硬度和抗弯强度 越大；随着烧结压力增加材料的维氏硬度和抗弯强 度增加这是由于材料的维氏硬度和抗弯强度与其 致密度密切相关材料越致密维氏硬度和抗弯强度 越高；值得注意的是电流的通入使材料的相对密度 提高不大但维氏硬度和抗弯强度增加显著这是由 于材料发生了从机械啮合到冶金结合的转变颗粒 之间的黏着力大大加强从而维氏硬度和抗弯强度 都 有 大 幅 度 的 提 高． 另 外 本 次 实 验 制 备 的 Mo75Cu25试样的硬度达 HV270以上这大大超过 德国 DoDuDo 公司生产的相同成分的 HV 180［1］． 2∙3 烧结机理分析 常见的粉末冶金制备钼铜合金材料有热压烧结 和热等静压烧结超高压通电烧结与它们存在差异． 在热压或热等静压烧结粉末体时当粉末颗粒接触 面上承受的切应力超过其临界切应力 Tc 时粉末 将产生塑性流动颗粒的部分原子团流入邻近的孔 隙中同时粉末体发生收缩使粉体密度得以提高． 超高压通电烧结是在超高的压力下粉末颗粒被挤 压到邻近的孔隙中并产生啮合使粉体密度得以提 高．凌云汉等人［10］提出在超高压通电烧结情况下 粉末体致密化速率的简化表达式为： dρ d t p o＞0 ＝3 po 4η （1—ρ）． 其中ρ为粉末体烧结密度t 为烧结时间η为粉末 体黏度po 为烧结压力． 该式表明：粉末致密化的速率与所加的外压呈 正比而与粉末的黏度呈反比．由于黏度是温度的 函数粉末黏度值随温度升高而下降因此上式也表 示致密化的速率随温度的升高而增加；然而对粉末 体黏度与温度的一般定量函数目前还不清楚．假设 温度不变单从压力角度讨论烧结速率在热压烧结 过程中一般的压力仅为30MPa 左右而在超高压 下压力为5GPa 以上与普通的热压相比大100多 倍；因此从上式可以推算假设普通热压烧结的时间 需要1～2h则超高压过程至多需要60s 左右这与 我们实验结果是一致的．可见采取超高压烧结工 艺与常规热压烧结相比可以实现快速致密化这也 是本工艺最大的优点．另外本实验所用的超高压 装置加热方式与其他超高压装置有所不同：通过给 烧结坯体通入电流使坯体颗粒自身电阻发热达到 加热目的．发热量与材料本身电阻相关也就是说 发热量与成分密切相关烧结温度也必然与成分的 分布有关这对于成分梯度分布的材料显得非常有 意义即可以通过控制成分分布控制烧结温度的分 布．总体说来超高压通电烧结技术属于有一定温 度分布的热固结工艺试样整体以固相烧结为主． 总之在高压烧结作用下粉末体的致密化过程与一 般无压烧结或常温压制有很大的差异：与一般无压 烧结相比高压烧结的烧结速率大大提高；与常温压 制相比最后所得粉末相对密度和强度大大加强． 此外由于烧结时间很短能有效地防止晶粒长大和 成分变化对于制备一定成分分布（如功能梯度材 料）和超细晶粒材料甚至纳米材料有很好的应用 前景． 3 结论 （1）超高压力下通电烧结技术施加压力为5 GPa通电功率15kW通电时间65s可一次快速烧 结制备出相对密度达98％以上的钼铜合金；且钼铜 合金的铜含量可在很宽的范围内调整烧结坯体的 最终密度与试样的钼铜含量有一定关系． （2）钼铜合金的维氏硬度与制备工艺和钼含量 有关钼铜合金中钼含量越大维氏硬度和抗弯强度 也越大；烧结压力越大材料的维氏硬度和抗弯强度 越大． （3）电流的通入可以使合金的密度小幅度增加 同时可以使材料的维氏硬度和抗弯强度得到显著提 高这是由于材料发生了从机械啮合到冶金结合的 转变． （4） 超高压烧结技术的致密化机理与无压烧 结、热压烧结等制备方法有很大的不同它的烧结压 力大烧结时间短颗粒迁移量有限整体以固相烧 结为主． 参 考 文 献 ［1］ 吕大铭．钼铜合金的开发和应用．粉末冶金工业200010 第10期 都 娟等： 超高压力下通电烧结制备钼铜合金 ·1013·