专利名称：由粉冶纯钨材料构成的不规则零件结构的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种由大变形量粉冶纯钨材料构成不规则零件结构，尤其 涉及由粉冶纯钨材料构成的不规则零件结构的制造方法。
背景技术：
鹆在地壳中含量为0.007%,我国的钨矿资源丰富，占世界第一位，金属钨 广泛地用于现代技术的很多领域中，而钨的精加工异型件在宇航、军事工 业和核工业中有着重要的运用。进入2000年以后，随着互联网技术的飞速 发展，半导体技术的发展明显加速，新技术应用呈如火如荼之势，蓝牙、 Wi-Fi、 3G等应用火暴展开。离子植入机是生产半导体晶园的主要设备，离 子植入机弧光反应腔内的30%零部件是由金属钨的精加工件构成，因此钨 的不规则零件在IP行业有着不可替代的运用。
钨是稀有金属，晶体结构是体心立方，钨的优点是熔点、强度和弹性 模量高，膨胀系数小，蒸气压低，导电、导热性良好及优越的抗蚀性能， 缺点是低温脆化和高温氧化严重。由于钨是完全的脆性物质，精细加工非 常困难。
美国在上世纪末研制开发了一种名为多孔钨的材料一85XDENSE TUNGSTEN:
1、 85%钩材料成分85%的钩，15%的铜和未知粘结剂。
2、 加工工艺将85%的钨和15%的粘结剂(铜+未知成分)混合料压制 成型，压制件在室温条件下具有很好的机械加工性能，多孔钨材料在室温 条件下的塑性与金属铁差不多，因此可以达到精细化机械加工的要求。
3、 脱去粘结剂将加工完成的多孔钨零件放入未知保护气体的加热炉内，加热温度约在120(TC，保温一定时间处理，以去除15%的粘结剂。
4、 85%W材料优缺点优点是材料的机械切削性能高，可以制造各种不规
则的钨异型件。缺点是材料密度低，产品内有残留的低熔点物质，材料纯
度低，产品质量不高。85XW材料是美国的专利产品，材料成本相当昂贵，
大大限制了多孔钨材料的应用程度。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种由粉冶纯钨材料构成的不规 则零件结构的制造方法，旨在解决上述问题；
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下步骤实现的
1. 钨粉末的混合采用V型混合器将还原钨粉末充分混合均匀，V型 混合器转速为10 — 30转/分，混合时间为8-16小时，装料量根据V型混合 器的大小而定，为V型混合器容积的2/5-3/5;
2. 等静压制借助于高压泵的作用把流体介质压入耐高压的钢体密封 容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同 一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度高的压制 件；压制压力为1000Kg/cm2-2200Kg/cm2，保压时间为30分钟-60分钟；
3. 钨制品烧结烧结升温采用阶梯式升温工艺制度，在80(TC — 1000 。C之间保温2小时，以去除低熔点物质和氧含量；在220(TC—2350'C保温 4_8小时，烧结总时间为20小时一26小时/炉，保护气体为氢气；
4. 通过钨烧结坯热压力加工钨板、棒、块半成品
(1) 热锻造热锻造分为自由锻造和模具锻造二个步序，热锻造的开坯温 度为145(TC — 155(TC，开坯的第一次变形量为30%—50%之间，以 后遵循一火一道次工艺原则进行热加工，最终锻件的变形量大于80
/b ;
(2) 热轧制热轧制的开坯温度为145(TC — 155(TC，开坯的第一次变形量 为20%—40%之间，以后遵循一火一道次工艺原则进行热加工，最终轧制件的变形量大于50%;
5. 工艺退火在氢气保护的钼丝炉内，将热压力加工的钨制品进行消
除内应力退火处理，退火温度为90(TC — 120(TC，保温时间为2小时一4小 时；
6. 消除钨制品应力源加工在10-20倍的放大镜下，检査鸨制品是否 有爆边爆角，钨制品表面是否有凹坑和裂纹
(1) 用120目一360目抛光机将钨制品的边角进行倒棱和倒圆，消除缺陷 和应力源；
(2) 对设备不能修复的部位，用工夹具手工进行消除缺陷和应力源。
(3) 对工夹具不能修复的部位，采用电解倒棱去毛刺；
7. 钨制品电脉冲加工在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉 冲性的火花放电，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来；加工电压 20V—25V，加工电流6A—IOA，加工压力5Mpa—6Mpa，旋转速度20 —120rpm， 脉宽(Ton) 4，脉尖比(Toff) 1，功率管3个一6个；
8. 钨制品线切割加工慢走丝的参数电流1A—16A，电压6V—26V， 速度4一6rpm，线张力1 —2550T;快走丝的参数电流1A—6A，电压75V 一100V，脉宽(Ton) 1 — 40，脉尖l一8，脉宽/脉尖比(Toff) 5/4和5/7， 功率管1个一6个；
9.加工中心加工刀具路径和加工参数的选择是视工件的技术要求
而定；
10.轨道成型磨加工根据圆弧尺寸不同，选择不同的夹具进行磨加
工；
11.精密磨抛光加工。
与现有技术相比，本发明的有益效果是打破了钨制品深加工领域的 禁区，为钨制品的广泛运用，建立了工艺理论基础；也推动了世界半导体 晶圆芯片质量的提高。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细描述-本发明是通过以下步骤实现的
1. 钨粉末的混合采用V型混合器将还原钨粉末充分混合均匀，V型
混合器转速为10 — 30转/分，混合时间为8-16小时，装料量根据V型混合 器的大小而定， 一般为V型混合器容积的2/5-3/5;
2. 等静压制借助于高压泵的作用把流体介质压入耐高压的钢体密封
容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同 一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高地压制
件。压制压力为1000Kg/cm2-2200Kg/cm2，保压时间为30分钟_60分钟；
3. 钨制品烧结烧结升温采用阶梯式升温工艺制度，在80(TC — 1000 。C之间保温2小时，以去除低熔点物质和氧含量，在220(TC—235(TC保温 4一8小时，烧结总时间为20小时一26小时/炉，保护气体为氢气；
4. 通过钨烧结坯热压力加工钨板、棒、块半成品
热锻造热锻造加工的目的是改善组织，提高钨金属的综合性能。热
锻造分为自由锻造和模具锻造二个步序，热锻造的开坯温度为145(TC — 1550°C，开坯的第一次变形量为30% — 50%之间，以后遵循一火一道次工 艺原则进行热加工，最终锻件的变形量大于80%;
热轧制热轧制是对板类毛坯进行热开坯的一种工艺手段，目的是改 善组织，提高钨金属的综合性能，便于后续的深加工；热轧制的开坯温度 为145(TC — 155(TC，开坯的第一次变形量为20%—40%之间，以后遵循一 火一道次工艺原则进行热加工，最终轧制件的变形量大于50%;
5. 工艺退火在氢气保护的钼丝炉内，将热压力加工的钨制品进行消 除内应力退火处理，退火温度为900。C一120(TC，保温时间为2小时一4小 时；
6. 消除钨制品应力源加工在10-20倍的放大镜下，检査钨制品是有爆边爆角，钨制品表面是否有凹坑和裂纹
用120目一360目专用抛光机将钨制品的边角进行倒棱和倒圆，消除缺 陷和应力源；
对设备不能修复的部位，用工夹具手工进行消除缺陷和应力源。 对工夹具不能修复的部位，采用电解倒棱去毛刺；
7. 钨制品电脉冲加工在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉 冲性的火花放电，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来；加工电压 20V—25V，加工电流6A—IOA，加工压力5Mpa—6Mpa，旋转速度20 —120rpm， 脉宽(Ton) 4，脉尖比(Toff) 1，功率管3个一6个；
8. 钨制品线切割加工电火花线切割加工的基本原理是利用移动的铜 丝或钼丝作电极对工件进行脉冲火花放电、切割成型的。慢走丝的参数， 电流1A—16A，电压6V—26V，速度4—6rpm，线张力1一2550T;快走丝的 参数，电流1A—6A，电压75V—100V，脉宽(Ton) 1 — 40，脉尖l一8，脉 宽/脉尖比(Toff) 5/4和5/7，功率管1个一6个；
9.加工中心加工加工技术涉及数控加工工艺和数控编程技术两大 方面,其中切削刀具是特定的，刀具路径和加工参数的选择是视工件的技术 要求而定；
10.轨道成型磨加工此设备是一台专用磨削圆弧表面的加工装备， 根据圆弧尺寸不同，选择不同的夹具进行磨加工；
11.精密磨抛光加工是提高零件表面的光整度和降低表面粗糙度的 加工工序。精密磨抛光和超精研磨是运用工装夹具进行操作。
本发明中
1、钨粉末的混合混合是粉末成形前的一个重要工序。在粉末冶金中， 由于产品最终性能的需要或成形过程中的需要，粉末原料在成形前都要经 过一些预处理，为了得到性能均匀的原料，混合工序是必不可少的。合理 科学的钩粉末混合工艺对得到恰当的粉末粒度分布和能源的节约尤为重要。
2、 等静压制等静压成形与一般钢模成形相比较，它的优点是等静压
时
压力通过包套同时施加于被压粉末的整个外表面,可制取形状复杂、密 度均匀、高度和直径的比例以任意选择的坯件；压制时粉末与弹性模具的 相对移动小，所需的单位压力低；压坯密度均匀；压坯强度高。
3、 钨制品烧结烧结是粉末冶金过程中的一个关键性工序，也是最后 一个工序，烧结对最终产品的性能起着决定性作用；钨的粉末压坯在适当 的温度和气氛中受热所发生的过程，烧结的结果是钨粉末颗粒之间发生粘 结，钨的粉末压坯收縮和致密化，烧结体强度和密度增加。
4、 钨烧结坯热压力学加工热压力学加工的目的是改善组织，提高钨 金属的综合性能。例如机械加工需要的原料尺寸为4)17.5mm的钨棒，一 般锻造工艺是将小30mm的烧结坯热锻造加工至d)17.5mm，其加工变形量 为(302—17.52)/302乂100%=65.97%;新的工艺加工变形量为(652—17.52) /652X100%=92.75%。鸽制品的加工变形量越大，其脆性向塑性的转变程度 就越高，同时热加工第一次开坯的变形量要大于50%，工件加热温度要科 学控制，这样脆塑性转变程度也越高。
5、 工艺退火经过热压力加工的钨制品内部肯定有应力集中和性能不 均匀，通过氢气保护退火处理，可以消除材料内部的应力，使材料综合性 能更均匀。退火温度不能高于钨材料的再结晶温度，如果高于再结晶温度， 材料的脆性会变大。
6、 消除钨制品应力源加工由于钨是完全的脆性物质，虽然钨的烧结 坯经过热锻造和热轧制后具有一定的塑性，但钨的晶体结构并未完全改变， 因此， 一定要消除钨制品应力源，以提高钨的加工性能，消除钨制品应力 源的原则是制品任何位置都无缺陷，这个工序对以后加工过程起着最重要 的作用，本发明的一个最大亮点就是消除应力源加工贯穿了整个生产工艺的始终，其意义在于材料科学与机械加工学在此点产生了有机的结合。
7、 电火花加工电火花加工的原理是基于工件电极和工具电极之间产 生脉冲性的火花放电，放电时产生电蚀现象来去除多余的金属，达到尺寸 加工的目的，电脉冲加工和线切割加工都属于电火花加工。
8、 加工中心加工加工中心加工技术在现代制造业中有着广泛的运用，
但在纯钨材料中的加工运用几乎为零。国外少数公司用85XW材料通过加
工中心加工的离子植入机弧光反应腔内的零部件，而本发明是用纯钨材料 通过加工中心加工制造同样的零部件，提高了材料的密度和纯度，对半导 体行业的精细化发展有着重要的促进作用。
9、 轨道成型磨加工通过加工中心加工的零件圆弧表面粗糙度一般为 0.8u-1.0u,而此设备加工的零件圆弧表面粗糙度一般为0.6u，因此轨道成型磨 的设计运用，使钨零件圆弧表面质量有了质的飞跃，与现有的生产工艺比较， 轨道成型磨加工是一个创新。
10、 精密磨抛光加工现有的生产工艺在内腔接刀和拐角处有明显的 接刀痕，这些部位加工粗糙度一般为l.Ou,精密磨抛光和超精研磨的运用将 这些部位加工粗糙度提高到0.4u-0.6u，与现有的生产工艺比较，精密磨抛 光和超精研磨是加工工艺的创新。
综上所述，本发明是将材料科学、热压力加工学、机械加工学及现代 加工技术有机的结合，形成了工艺创新的多学科的制造方法。
本发明打破了钨制品深加工领域的禁区，为钨制品的广泛运用，建立 了工艺理论基础。
本发明推动了世界半导体晶圆芯片质量的提高。
权利要求
1. 一种由粉冶纯钨材料构成的不规则零件结构的制造方法，是通过以下步骤实现的(1). 钨粉末的混合采用V型混合器将还原钨粉末充分混合均匀，V型混合器转速为10—30转/分，混合时间为8-16小时，装料量根据V型混合器的大小而定，为V型混合器容积的2/5-3/5；(2). 等静压制借助于高压泵的作用把流体介质压入耐高压的钢体密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度高的压制件；压制压力为1000Kg/cm2-2200Kg/cm2，保压时间为30分钟-60分钟；(3). 钨制品烧结烧结升温采用阶梯式升温工艺制度，在800℃—1000℃之间保温2小时，以去除低熔点物质和氧含量；在2200℃—2350℃保温4—8小时，烧结总时间为20小时—26小时/炉，保护气体为氢气；(4). 通过钨烧结坯热压力加工钨板、棒、块半成品；(5). 工艺退火在氢气保护的钼丝炉内，将热压力加工的钨制品进行消除内应力退火处理，退火温度为900℃—1200℃，保温时间为2小时—4小时；(6). 消除钨制品应力源加工在10-20倍的放大镜下，检查钨制品是否有爆边爆角，钨制品表面是否有凹坑和裂纹；(7). 钨制品电脉冲加工；(8). 钨制品线切割加工；(9). 加工中心加工刀具路径和加工参数的选择是视工件的技术要求而定；(10). 轨道成型磨加工根据圆弧尺寸不同，选择不同的夹具进行磨加工；(11). 精密磨抛光加工。
2. 根据权利要求1所述的由粉冶纯钨材料构成的不规则零件结构的制造方法，其中在步骤(4)中热锻造热锻造分为自由锻造和模具锻造二个步序，热锻造的开坯温度为145(TC — 155(TC，开坯的第一次变形量为30%—50%之间，以后遵循 一火一道次工艺原则进行热加工，最终锻件的变形量大于80%;热轧制热轧制的开坯温度为1450。C一155(TC，开坯的第一次变形量 为20%—40%之间，以后遵循一火一道次工艺原则进行热加工，最终轧制 件的变形量大于50%。
3. 根据权利要求1所述的由粉冶纯钩材料构成的不规则零件结构的制 造方法，其中在步骤(6)中用120目一360目抛光机将钨制品的边角 进行倒棱和倒圆，消除缺陷和应力源；对设备不能修复的部位，用工夹具手工进行消除缺陷和应力源。 对工夹具不能修复的部位，采用电解倒棱去毛刺。
4. 根据权利要求1所述的由粉冶纯鸨材料构成的不规则零件结构的制 造方法，其中在步骤(7)中在加工过程中，使工具和工件之间不断产 生脉冲性的火花放电，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来；加工 电压20V—25V，加工电流6A—IOA，加工压力5Mpa—6Mpa，旋转速度20 — 120rpm,脉宽(Ton) 4，脉尖比(Toff) 1，功率管3个一6个。
5. 根据权利要求1所述的由粉冶纯钨材料构成的不规则零件结构的制 造方法，其中在步骤(8)中慢走丝的参数电流1A—16A，电压6V — 26V，速度4一6rpm，线张力1—2550T;快走丝的参数电流1A—6A，电压 75V—100V，脉宽(Ton) 1—40，脉尖l一8，脉宽/脉尖比(Toff) 5/4和 5/7，功率管1个一6个。
全文摘要
本发明涉及一种由粉冶纯钨材料构成的不规则零件结构的制造方法，是通过以下步骤实现的钨粉末的混合；等静压制；钨制品烧结；通过钨烧结坯热压力加工钨板、棒、块半成品；工艺退火；消除钨制品应力源加工；钨制品电脉冲加工；钨制品线切割加工；加工中心加工；轨道成型磨加工；精密磨抛光加工；本发明的有益效果是打破了钨制品深加工领域的禁区，为钨制品的广泛运用，建立了工艺理论基础；也推动了世界半导体晶圆芯片质量的提高。
文档编号B22F3/24GK101530917SQ200810034449
公开日2009年9月16日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者叶志强 申请人:上海西普钨钼业制品有限公司