專利名稱：一種低溫快速制備貴金屬制件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及貴金屬制件的制備方法，具體為一種利用電場(chǎng)輔助燒結(jié)低溫快速制備貴金屬制件的方法。
背景技術(shù)：
貴金屬是地殼中含量較少的一類金屬，具有獨(dú)特的電、熱、催化等性能，因此很難被其它元素替代。目前，貴金屬在高技術(shù)電子領(lǐng)域和單晶制備領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。例如，在半導(dǎo)體中貴金屬釕是重要的歐姆接觸材料，還作為集成電路的布線和電極材料被廣泛使用；貴金屬金、銀等具有良好的導(dǎo)電性，亦可作為布線材料和電觸頭材料使用。由于貴金屬是稀有資源，如何最大效用地利用貴金屬已成為材料學(xué)研究的重點(diǎn)。其中最佳的利用途徑是使貴金屬薄膜化。磁控濺射技術(shù)是制備貴金屬薄膜的優(yōu)選方法。因 為濺射具有“低溫”和“高速”兩大優(yōu)點(diǎn)，可利用離子源產(chǎn)生的離子在真空中加速成高能集束離子轟擊貴金屬靶表面，誘導(dǎo)靶材表面的貴金屬離子脫離靶材表面，在相應(yīng)基體材料表面沉積形成納米級(jí)或微米級(jí)的貴金屬薄膜。因此，要制備高質(zhì)量的貴金屬薄膜，使用質(zhì)量上乘的貴金屬靶材是關(guān)鍵。高質(zhì)量的貴金屬靶材需要具有純度高、致密度高、組織結(jié)構(gòu)優(yōu)良、外形尺寸精密和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。但是，目前貴金屬靶材的制備通常采用熔鑄法和粉末冶金法，其中熔鑄法容易產(chǎn)生晶粒取向，并且靶材需要后繼切割加工，工藝復(fù)雜；粉末冶金法主要采用熱壓成型和熱等靜壓成型，燒結(jié)周期長(zhǎng)，容易造成氧化等二次污染，不利于快速工業(yè)化生產(chǎn)。另外，隨著激光技術(shù)發(fā)展而延伸的單晶激光晶體是獲得單色激光的關(guān)鍵部件。目前使用最多的激光晶體有Al2O3: Cr3+，Y3Al5O12INd3+和YVO4:Nb3+。這些激光晶體作為基質(zhì)晶體不僅需要穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，也希望盡量降低成本。生長(zhǎng)制備光學(xué)均勻性好的大尺寸 晶體，可通過提拉法在具有高熔點(diǎn)和高化學(xué)穩(wěn)定的坩堝中生長(zhǎng)。其基本過程是將原料熔化為熔體并將籽晶浸入熔體液面，讓熔體在籽晶末端生長(zhǎng)，邊旋轉(zhuǎn)邊緩慢地向上提拉籽晶，晶體就可以在籽晶末端逐漸長(zhǎng)大。目前常用的坩堝采用貴金屬制成，首選由貴金屬銥制成，因?yàn)殂灳哂泻芨叩娜埸c(diǎn)(2443°C)、很高的抗氧化性，同時(shí)在1600°C以上具有很好的機(jī)械性能。目前貴金屬坩堝主要采用熱鍛擠壓法制備，該方法針對(duì)低熔點(diǎn)高延展性金屬具有優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于高熔點(diǎn)脆性金屬，如釕、銠、鋨、銥等貴金屬具有很大的局限性，需要對(duì)熔鑄成型的貴金屬坯體在高溫下熱鍛，成型難度大。因此，探尋一種制備貴金屬制件，例如上述貴金屬靶材及貴金屬坩堝等的新方法，是科技工作者的重要研究課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)目前貴金屬制件的制備技術(shù)的不足，提供一種低溫快速制備貴金屬制件的新方法，該方法簡(jiǎn)單易行、成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)致密化與成型同步。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為一種低溫快速制備貴金屬制件的方法，按照預(yù)成型的貴金屬制件的形狀尺寸設(shè)計(jì)石墨模具，以貴金屬粉體為原料，首先將原料裝入石墨模具，在10 IOOMPa壓力下冷壓成型，然后放入電火花離子燒結(jié)裝置中，在真空或通有保護(hù)氣氛條件下，控制升溫速率加熱至燒結(jié)溫度，保溫一定時(shí)間后，得到成型的貴金屬制件。電火花離子燒結(jié)是一種先進(jìn)的電場(chǎng)輔助燒結(jié)方式，可通過導(dǎo)電金屬顆粒間的瞬間放電誘導(dǎo)顆粒的區(qū)熔與焊合，并在一定的高溫下促進(jìn)金屬原子的互擴(kuò)散產(chǎn)生頸縮，消除三角晶界處的微氣孔，實(shí)現(xiàn)致密化。該燒結(jié)方式升溫快速，能夠提供電流場(chǎng)輔助金屬顆粒的燒結(jié)，對(duì)金屬類材料的燒結(jié)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，能夠大幅度降低燒結(jié)溫度，在低于金屬熔點(diǎn)500 1000°C的溫度下實(shí)現(xiàn)金屬的全致密化燒結(jié)。本發(fā)明放棄了目前制備貴金屬制件所采用的熔鑄法、粉末冶金法、熱鍛擠壓法等方法，創(chuàng)新性地將電火花離子燒結(jié)技術(shù)運(yùn)用在制備貴金屬制件的過程中，待貴金屬粉體在石墨模具中冷壓成型后進(jìn)行電火花離子燒結(jié)，從而大幅度降低了貴金屬制件的燒結(jié)溫度，提高了成型制件的制備速率，并且成型制件均勻、致密，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
上述技術(shù)方案中貴金屬粉體的元素種類不限，包括但不限于釕、銠、鈀、鋨、銥、鉬、金、銀等粉體中的一種元素的單質(zhì)粉體或幾種元素的混合粉體。當(dāng)貴金屬粉體是幾種貴金屬元素的混合粉體時(shí)，混料方式優(yōu)選為干式球磨法，以減少引入雜質(zhì)元素。當(dāng)貴金屬粉體是幾種貴金屬元素的混合粉體時(shí)，燒結(jié)溫度根據(jù)混合粉體中具有最低熔點(diǎn)的貴金屬確定。貴金屬粉體的粒度沒有具體限制，作為優(yōu)選，粒度范圍為50 600目。模具形狀與尺寸不限，根據(jù)實(shí)際貴金屬制件的形狀與尺寸而精確設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)貴金屬制件為貴金屬靶材時(shí)，靶材的形狀包括但不限于圓片、板狀、階梯形等；當(dāng)貴金屬制件為貴金屬坩堝時(shí)，坩堝的形狀包括但不限于圓形、方形、多邊形等。模具材料不限，包括采用石墨作為模具材料，還可以采用高溫合金等導(dǎo)電性模具。在電火花離子燒結(jié)裝置中真空燒結(jié)時(shí)，真空度優(yōu)選為10_4 10_2Pa。在電火花離子燒結(jié)裝置中，在通有保護(hù)氣氛條件下燒結(jié)時(shí)，保護(hù)氣體包括但不限于IS氣、氮?dú)?、氫氣等氣體。在電火花離子燒結(jié)裝置中燒結(jié)時(shí)，升溫速率、壓力、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等沒有具體限制，根據(jù)實(shí)際貴金屬制件的種類與需求而定。作為優(yōu)選，升溫速率為50 700°C /min、燒結(jié)溫度為600 2200°C，保溫時(shí)間為I 60min。作為優(yōu)選，所述的燒結(jié)過程中，施加10 80MPa的壓力，以提高成型制件的致密度。進(jìn)一步優(yōu)選地，加熱至燒結(jié)溫度后，保溫、保壓一定時(shí)間，得到成型的貴金屬制件。綜上所述，本發(fā)明在貴金屬制件的制備中，采用原位成型燒結(jié)技術(shù)，根據(jù)實(shí)際制件的形狀尺寸精準(zhǔn)設(shè)計(jì)模具，將貴金屬單質(zhì)粉體或者混合粉體放入模具中冷壓成型，然后放入電火花離子燒結(jié)裝置中，在電流場(chǎng)作用下快速燒結(jié)致密化成型。與現(xiàn)有的貴金屬制件的制備方法相比，具有如下有益效果( I)工藝簡(jiǎn)單、成本低；本發(fā)明以貴金屬單質(zhì)粉末或混合粉末為原料，通過電火花離子燒結(jié)，在模具中一次性快速升溫?zé)Y(jié)成型，并且燒結(jié)溫度低于其熔點(diǎn)500 1000°C，實(shí)現(xiàn)了貴金屬制件的高致密化。與現(xiàn)有技術(shù)中所采用的熔煉工藝后繼熱鍛擠壓，以及熱壓和熱等靜壓燒結(jié)相比，實(shí)現(xiàn)了一次性燒結(jié)成型，并且大幅度降低了燒結(jié)溫度低、提升了制備速度、得到了高致密的成型制件；(2)尺寸精確、晶粒細(xì)化由于升溫速率高，燒結(jié)溫度低，能夠?qū)崿F(xiàn)貴金屬晶粒在不生長(zhǎng)狀態(tài)下全致密化，從而實(shí)現(xiàn)了金屬制件在使用狀態(tài)下的均勻可靠性；另外，由于一次性燒結(jié)成型得到高致密度成型制件，因此尺寸精確，無需后繼多量整形，提高了貴金屬的利用率；(3)后加工簡(jiǎn)單、商品化程度高燒結(jié)后的成型制件只需要簡(jiǎn)單的表面拋光就可投入商業(yè)銷售，后加工簡(jiǎn)單，能夠快速實(shí)現(xiàn)商品化；因此，本發(fā)明提供的貴金屬制件的制備方法能夠在低溫條件下快速制得均勻、高


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I中快速低溫?zé)Y(jié)制得到的直徑為80mm的釕靶材；圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中快速低溫?zé)Y(jié)制得到的直徑為20mm的釕坩堝。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。實(shí)施例I :本實(shí)施例中，貴金屬制件是圓柱形釕靶，其外觀圖如圖I所示，橫截面直徑為80mm,厚度為4mm,以下是該釕祀的具體制備方法首先，按照預(yù)成型的釕靶的實(shí)際形狀尺寸精確設(shè)計(jì)石墨模具的形狀與尺寸；然后，將粒度為600目，純度為99. 99%的貴金屬釕粉精確稱量后放入石墨模具中冷壓成型，施加壓力為IOMPa ;最后，將冷壓成型后的石墨模具放入電場(chǎng)輔助電火花離子燒結(jié)爐中燒結(jié)，待燒結(jié)至燒結(jié)溫度后保溫，升溫速率為100°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1200°C，待燒結(jié)至燒結(jié)溫度后保溫10分鐘，施加壓力為40MPa，整個(gè)燒結(jié)過程都在真空中進(jìn)行，真空度為10_2Pa，燒結(jié)得到直徑為80mm,厚度為4mm的圓柱形釕革巴。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1200°C時(shí)，此時(shí)施加的強(qiáng)電流為7500A，成型體位移曲線不再有明顯變化，表明該釕靶已實(shí)現(xiàn)初步致密化。上述制得的釕靶質(zhì)量均勻且全致密化，經(jīng)機(jī)械拋光后具有明亮的銀白色金屬光澤，如圖I所示；經(jīng)阿基米德法測(cè)得該釕靶密度為12. 18g/cm3，致密度為98. 4% ;經(jīng)掃描電鏡觀察，確定其平均晶粒尺寸為35微米。實(shí)施例2 本實(shí)施例中，貴金屬制件是釕坩堝，其外觀圖如圖2所示，橫截面直徑為20mm，高度為4mm，均勻厚度為2mm，以下是該釕坩堝的具體制備方法首先，按照預(yù)成型的釕坩堝的實(shí)際形狀尺寸精確設(shè)計(jì)石墨模具的形狀與尺寸；然后，將粒度為300目，純度為99. 99%的貴金屬釕粉精確稱量后放入石墨模具中冷壓成型，施加壓力為30MPa ;最后，將冷壓成型后的石墨模具放入電場(chǎng)輔助電火花離子燒結(jié)爐中燒結(jié)，待燒結(jié)至燒結(jié)溫度后保溫，升溫速率為50°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1300°C，保溫時(shí)間為30分鐘，施加壓力為30MPa，整個(gè)燒結(jié)過程都是在流動(dòng)高純氬氣(純度為99. 99%)中進(jìn)行，燒結(jié)得到橫截面直徑為20mm，高度為4mm，均勻厚度為2mm的釕坩堝。上述制得的釕坩堝壁厚均勻、質(zhì)量均勻且全致密化，經(jīng)機(jī)械拋光后具有明亮的銀白色金屬光澤，如圖2所示；經(jīng)阿基米德法測(cè)得該釕坩堝的密度為12. 35g/cm3，致密度為99. 8% ;經(jīng)掃描電鏡觀察，確定平均晶粒尺寸為60微米。實(shí)施例3 本實(shí)施例中，貴金屬制件是釕-金混合靶，其中釕與金的質(zhì)量百分比為1: 1，該釕-金混合靶的外觀圖類似圖I所示，橫截面直徑為50_，厚度為5_，以下是該釕-金混合靶的具體制備方法首先，按照預(yù)成型的釕-金混合靶的實(shí)際形狀尺寸精確設(shè)計(jì)石墨模具的形狀與尺 寸；然后，各稱量50%質(zhì)量百分比，粒度為200目、純度為99. 99%的貴金屬釕粉和金粉，放入樹脂罐中使用樹脂球?yàn)榻橘|(zhì)干混10小時(shí)，過篩后把混合粉體放入石墨模具中冷壓成型，施加壓力為IOMPa ;最后，將冷壓成型后的石墨模具放入電場(chǎng)輔助電火花離子燒結(jié)爐中燒結(jié)，待燒結(jié)至燒結(jié)溫度后保溫，升溫速率為200°C /分鐘，燒結(jié)溫度為750°C，保溫時(shí)間為50分鐘，施加壓力為lOMPa，整個(gè)燒結(jié)過程都是在純度為99. 99%的流動(dòng)高純氮?dú)庵羞M(jìn)行，燒結(jié)得到橫截面直徑為50mm,厚度為5_的圓柱形釕_金混合革巴。上述制得的釕-金混合靶質(zhì)量均勻且全致密化，經(jīng)機(jī)械拋光后具有明亮的銀白色金屬光澤，類似圖I所示；經(jīng)阿基米德法測(cè)得密度為15. lg/cm3，致密度為99. 2% ;經(jīng)掃描電鏡觀察，確定平均晶粒尺寸為75微米。實(shí)施例4 本實(shí)施例中，貴金屬制件是銥坩堝，其外觀圖類似圖2所示，橫截面直徑為40mm，高度為20mm，均勻厚度為3mm，以下是該銥坩堝的具體制備方法首先，按照預(yù)成型的銥坩堝的實(shí)際形狀尺寸精確設(shè)計(jì)石墨模具的形狀與尺寸；然后，將粒度為400目、純度為99. 99%的貴金屬銥粉精確稱量后放入石墨模具中冷壓成型，施加壓力為30MPa ;最后，將冷壓成型后的石墨模具放入電場(chǎng)輔助電火花離子燒結(jié)爐中燒結(jié)，待燒結(jié)至燒結(jié)溫度后保溫，升溫速率為400°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1400°C，保溫時(shí)間為2分鐘，施加壓力為20MPa，整個(gè)燒結(jié)過程都是在真空中進(jìn)行，真空度為10_4Pa，燒結(jié)得到橫截面直徑為40mm，高度為20mm，均勻厚度為3mm的銥坩堝。上述制得的銥坩堝壁厚均勻、質(zhì)量均勻且全致密化，經(jīng)機(jī)械拋光后具有明亮的銀白色金屬光澤，類似圖2所示；經(jīng)阿基米德法測(cè)得密度為22. 15g/cm3，致密度為98. 8% ;經(jīng)掃描電鏡觀察，確定平均晶粒尺寸為40微米。以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是按照預(yù)成型的貴金屬制件的形狀尺寸設(shè)計(jì)模具，以貴金屬粉體為原料，將原料裝入模具，首先在10 IOOMPa壓力下冷壓成型，然后放入電火花離子燒結(jié)裝置中，在真空或通有保護(hù)氣氛條件下，控制升溫速率加熱至燒結(jié)溫度，保溫一定時(shí)間后，得到成型的貴金屬制件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的貴金屬粉體是一種貴金屬元素的單質(zhì)粉體，或者是幾種貴金屬元素的混合粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的貴金屬粉體的粒度為50 600目。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的模具是石墨模具。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的真空燒結(jié)過程中，真空度為10_4 10_2Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一權(quán)利要求所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的燒結(jié)過程中，升溫速率為50 700°C /min。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一權(quán)利要求所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度為600 2200°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一權(quán)利要求所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的燒結(jié)過程中，保溫時(shí)間為I 60min。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一權(quán)利要求所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是所述的燒結(jié)過程中，施加10 80MPa的壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是加熱至燒結(jié)溫度后，保溫、保壓一定時(shí)間，得到成型的貴金屬制件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低溫快速制備貴金屬制件的方法。該方法按照預(yù)成型的貴金屬制件的形狀尺寸設(shè)計(jì)模具，以貴金屬粉體為原料，將原料裝入模具，首先在10～100MPa壓力下冷壓成型，然后放入電火花離子燒結(jié)裝置中，在真空或通有保護(hù)氣氛條件下，控制升溫速率加熱至燒結(jié)溫度后保溫一定時(shí)間，得到成型的貴金屬制件。與現(xiàn)有的貴金屬制件的制備方法相比，本發(fā)明一次性燒結(jié)成型得到貴金屬制件，并且能夠大幅度降低燒結(jié)溫度，提升制備速度，得到均勻、高致密的成型制件，是一種簡(jiǎn)單易行、成本低、具有商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值的制備方法。
文檔編號(hào)B22F3/16GK102814499SQ20121023256
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者瞿東, 胡春峰, 胡勁, 黃慶, 王玉天, 申璐, 周小兵 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所