專利名稱：一種低溫快速制備貴金屬制件的方法
技術領域：
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輔助燒結低溫快速制備貴金屬制件的方法。
背景技術：
貴金屬是地殼中含量較少的一類金屬，具有獨特的電、熱、催化等性能，因此很難被其它元素替代。目前，貴金屬在高技術電子領域和單晶制備領域中發(fā)揮著重要的作用。例如，在半導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研究的重點。其中最佳的利用途徑是使貴金屬薄膜化。磁控濺射技術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，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，誘導靶材表面的貴金屬離子脫離靶材表面，在相應基體材料表面沉積形成納米級或微米級的貴金屬薄膜。因此，要制備高質量的貴金屬薄膜，使用質量上乘的貴金屬靶材是關鍵。高質量的貴金屬靶材需要具有純度高、致密度高、組織結構優(yōu)良、外形尺寸精密和使用壽命長的特點。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，工藝復雜；粉末冶金法主要采用熱壓成型和熱等靜壓成型，燒結周期長，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，隨著激光技術發(fā)展而延伸的單晶激光晶體是獲得單色激光的關鍵部件。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晶體不僅需要穩(wěn)定的物理化學性質，也希望盡量降低成本。生長制備光學均勻性好的大尺寸 晶體，可通過提拉法在具有高熔點和高化學穩(wěn)定的坩堝中生長。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，邊旋轉邊緩慢地向上提拉籽晶，晶體就可以在籽晶末端逐漸長大。目前常用的坩堝采用貴金屬制成，首選由貴金屬銥制成，因為銥具有很高的熔點(2443°C)、很高的抗氧化性，同時在1600°C以上具有很好的機械性能。目前貴金屬坩堝主要采用熱鍛擠壓法制備，該方法針對低熔點高延展性金屬具有優(yōu)勢，但是對于高熔點脆性金屬，如釕、銠、鋨、銥等貴金屬具有很大的局限性，需要對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)明內容
本發(fā)明的技術目的是針對目前貴金屬制件的制備技術的不足，提供一種低溫快速制備貴金屬制件的新方法，該方法簡單易行、成本低，能夠實現(xiàn)燒結致密化與成型同步。本發(fā)明實現(xiàn)上述技術目的所采用的技術方案為一種低溫快速制備貴金屬制件的方法，按照預成型的貴金屬制件的形狀尺寸設計石墨模具，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裝置中，在真空或通有保護氣氛條件下，控制升溫速率加熱至燒結溫度，保溫一定時間后，得到成型的貴金屬制件。電火花離子燒結是一種先進的電場輔助燒結方式，可通過導電金屬顆粒間的瞬間放電誘導顆粒的區(qū)熔與焊合，并在一定的高溫下促進金屬原子的互擴散產(chǎn)生頸縮，消除三角晶界處的微氣孔，實現(xiàn)致密化。該燒結方式升溫快速，能夠提供電流場輔助金屬顆粒的燒結，對金屬類材料的燒結具有得天獨厚的優(yōu)勢，能夠大幅度降低燒結溫度，在低于金屬熔點500 1000°C的溫度下實現(xiàn)金屬的全致密化燒結。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技術運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行電火花離子燒結，從而大幅度降低了貴金屬制件的燒結溫度，提高了成型制件的制備速率，并且成型制件均勻、致密，具有良好的應用價值。
上述技術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粉體或幾種元素的混合粉體。當貴金屬粉體是幾種貴金屬元素的混合粉體時，混料方式優(yōu)選為干式球磨法，以減少引入雜質元素。當貴金屬粉體是幾種貴金屬元素的混合粉體時，燒結溫度根據(jù)混合粉體中具有最低熔點的貴金屬確定。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)實際貴金屬制件的形狀與尺寸而精確設計。例如，當貴金屬制件為貴金屬靶材時，靶材的形狀包括但不限于圓片、板狀、階梯形等；當貴金屬制件為貴金屬坩堝時，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電性模具。在電火花離子燒結裝置中真空燒結時，真空度優(yōu)選為10_4 10_2Pa。在電火花離子燒結裝置中，在通有保護氣氛條件下燒結時，保護氣體包括但不限于IS氣、氮氣、氫氣等氣體。在電火花離子燒結裝置中燒結時，升溫速率、壓力、燒結溫度、保溫時間等沒有具體限制，根據(jù)實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、燒結溫度為600 2200°C，保溫時間為I 60min。作為優(yōu)選，所述的燒結過程中，施加10 80MPa的壓力，以提高成型制件的致密度。進一步優(yōu)選地，加熱至燒結溫度后，保溫、保壓一定時間，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，采用原位成型燒結技術，根據(jù)實際制件的形狀尺寸精準設計模具，將貴金屬單質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裝置中，在電流場作用下快速燒結致密化成型。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)工藝簡單、成本低；本發(fā)明以貴金屬單質粉末或混合粉末為原料，通過電火花離子燒結，在模具中一次性快速升溫燒結成型，并且燒結溫度低于其熔點500 1000°C，實現(xiàn)了貴金屬制件的高致密化。與現(xiàn)有技術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相比，實現(xiàn)了一次性燒結成型，并且大幅度降低了燒結溫度低、提升了制備速度、得到了高致密的成型制件；(2)尺寸精確、晶粒細化由于升溫速率高，燒結溫度低，能夠實現(xiàn)貴金屬晶粒在不生長狀態(tài)下全致密化，從而實現(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)后加工簡單、商品化程度高燒結后的成型制件只需要簡單的表面拋光就可投入商業(yè)銷售，后加工簡單，能夠快速實現(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)明實施例I中快速低溫燒結制得到的直徑為80mm的釕靶材；圖2是本發(fā)明實施例2中快速低溫燒結制得到的直徑為20mm的釕坩堝。
具體實施例方式以下結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。實施例I :本實施例中，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，按照預成型的釕靶的實際形狀尺寸精確設計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輔助電火花離子燒結爐中燒結，待燒結至燒結溫度后保溫，升溫速率為100°C /分鐘，燒結溫度為1200°C，待燒結至燒結溫度后保溫10分鐘，施加壓力為40MPa，整個燒結過程都在真空中進行，真空度為10_2Pa，燒結得到直徑為80mm,厚度為4mm的圓柱形釕革巴。根據(jù)實驗結果，確定當燒結溫度達到1200°C時，此時施加的強電流為7500A，成型體位移曲線不再有明顯變化，表明該釕靶已實現(xiàn)初步致密化。上述制得的釕靶質量均勻且全致密化，經(jīng)機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。實施例2 本實施例中，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，按照預成型的釕坩堝的實際形狀尺寸精確設計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輔助電火花離子燒結爐中燒結，待燒結至燒結溫度后保溫，升溫速率為50°C /分鐘，燒結溫度為1300°C，保溫時間為30分鐘，施加壓力為30MPa，整個燒結過程都是在流動高純氬氣(純度為99. 99%)中進行，燒結得到橫截面直徑為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、質量均勻且全致密化，經(jīng)機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。實施例3 本實施例中，貴金屬制件是釕-金混合靶，其中釕與金的質量百分比為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，按照預成型的釕-金混合靶的實際形狀尺寸精確設計石墨模具的形狀與尺 寸；然后，各稱量50%質量百分比，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為介質干混10小時，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輔助電火花離子燒結爐中燒結，待燒結至燒結溫度后保溫，升溫速率為200°C /分鐘，燒結溫度為750°C，保溫時間為50分鐘，施加壓力為lOMPa，整個燒結過程都是在純度為99. 99%的流動高純氮氣中進行，燒結得到橫截面直徑為50mm,厚度為5_的圓柱形釕_金混合革巴。上述制得的釕-金混合靶質量均勻且全致密化，經(jīng)機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。實施例4 本實施例中，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，按照預成型的銥坩堝的實際形狀尺寸精確設計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輔助電火花離子燒結爐中燒結，待燒結至燒結溫度后保溫，升溫速率為400°C /分鐘，燒結溫度為1400°C，保溫時間為2分鐘，施加壓力為20MPa，整個燒結過程都是在真空中進行，真空度為10_4Pa，燒結得到橫截面直徑為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、質量均勻且全致密化，經(jīng)機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。以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種低溫快速制備貴金屬制件的方法，其特征是按照預成型的貴金屬制件的形狀尺寸設計模具，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裝置中，在真空或通有保護氣氛條件下，控制升溫速率加熱至燒結溫度，保溫一定時間后，得到成型的貴金屬制件。
2.根據(jù)權利要求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粉體，或者是幾種貴金屬元素的混合粉體。
3.根據(jù)權利要求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過程中，真空度為10_4 10_2Pa。
6.根據(jù)權利要求I至5中任一權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過程中，升溫速率為50 700°C /min。
7.根據(jù)權利要求I至5中任一權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過程中，燒結溫度為600 2200°C。
8.根據(jù)權利要求I至5中任一權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過程中，保溫時間為I 60min。
9.根據(jù)權利要求I至5中任一權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過程中，施加10 80MPa的壓力。
10.根據(jù)權利要求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溫度后，保溫、保壓一定時間，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。該方法按照預成型的貴金屬制件的形狀尺寸設計模具，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裝置中，在真空或通有保護氣氛條件下，控制升溫速率加熱至燒結溫度后保溫一定時間，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)明一次性燒結成型得到貴金屬制件，并且能夠大幅度降低燒結溫度，提升制備速度，得到均勻、高致密的成型制件，是一種簡單易行、成本低、具有商業(yè)化應用價值的制備方法。
文檔編號B22F3/16GK102814499SQ20121023256
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權日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 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所