高精度钨器件的应用及加工_图文

1、文章编号 :1009-0622(200801-0038-04高精度钨器件的应用及加工邓自南 , 赵 娟(西部金属材料股份有限公司, 陕西 宝鸡 721014摘 要 :介绍了高精度钨器件在医用 CT 准直器、 探测器及半导体离子注入设备中的应用, 并对高精度钨器件的关键生产工艺及加工技术进行了分析, 提出了钨加工材的未来发展趋势, 即向着高技术、 高附加值产品及钨的应用产 品方向发展。关键词 :高精度钨器件; 应用; 生产工艺; 加工技术; 发展趋势 中图分类号 :TG146.4+11文献标识码 :A收稿日期 :2007-11-19 :, 第 23卷第 1期 2008年 2月Vol.23,No.

2、1Feb.2008China Tungsten Industry 0引 言钨熔点高, 密度大, 具有优良的热稳定性、 高温 性能和射线吸收能力, 被广泛应用于医疗、 电光源、电子、 电力、 冶金等行业中。可以说钨材料的生产、 储备和应用已成为一个国家综合实力的重要标志 之一。我国钨储量世界第一, 也是钨产品出口大国, 但钨的加工制成品仍以初级产品出口为主, 出口附 加值低, 钨的高技术、 高附加值应用产品所占比重 甚小,这说明我国钨的深度加工环节还很薄弱, 还 有很大发展余地。因此, 发展钨材的精深加工制品 及其技术具有重大的意义。1高精度钨器件的应用钨粉经过压制、 烧结、 轧制得到钨板(片

3、, 钨板 (片 再通过精密加工得到高精度钨器件 (如图 1、 图2所示 ,被广泛应用于医疗、 半导体制造等领域。这 些产品在纯度、 密实度、 微观组织、 表面质量以及尺 寸精度等方面通常都有很高的技术要求。图 1医用 CT 准直器用钨器件图 2离子注入机离子源用钨器件1.1CT 准直器和探测器用高精度钨器件CT (Computed tomography ,即 X 射线计算机断 层成像, 是 20世纪 70年代初发展起来的一门新的 X 线诊断方法,它把 X 线与电子计算机结合起来, 并将其影像数字化, 彻底改变了传统的直观的影像 方法和贮存方法。准直器 (Collimator 和探测器 (Det

4、ctor 是医用 CT 机的关键组成部分。 因为钨具有 优良的抗射线穿透能力, 厚度较薄(例如 0.2mm 的 高精度钨片经过慢走丝线切割成为直接装机的器 件大量使用在医用 CT 机准直器和探测器上。准直 器在医用 CT 中有两种: X 线管侧准直器,又叫前准直器,安装在 CT 球管前方 , 是 X 射线经过的第一个部件 , 从球管 中射出来的 X 射线是锥形的 , 通过带有狭缝的钨器 件后可得到薄片形光束 1, 它的主要功能是对 X 射 线进行层厚选择, 通过控制 X 线束在人体长轴平行 方向上的宽度从而控制扫描层厚度; 探测器侧准直器, 又叫后准直器, 它的狭 缝分别对准每一个探测器, 使

5、探测器只接收垂直入第 1期射探测器的射线,尽量减少来自其他方向的散射线 的干扰。探测器是将经过人体组织吸收衰减后的 X 线 信号转变为电信号的器件,有固定探测器和气体探 测器两种类型。两类探测器在现代化的 CT 装置中 都有选用,选用哪种测量系统要看偏重于哪方面的 特性。气体探测器是利用惰性气体氙(Xe 气电离的 原理, 入射的 X 线使气体产生电离, 通过测量电流 的大小来测得入射 X 线的强度。 气体探测器的隔板 和收集电极均使用钨器件。 隔板与 X 线入射方向一 致, 起到后准直器的作用, 它可防止由被测人体产生 的散射线进入电离室。 当一束 X 线束进入高压氙气 腔后, 氙气发生电离,

6、 正离子移向负极, 而负离子由 收集电极(钨器件 收集, 产生信号电流, 这信号直接 反映出检测器对 X 线的吸收量。医用 CT 技术发展 迅速, 现已发展到第六代。 由于探测器的数量进一步 增加, 高精度钨器件使用量明显加大, 而且需要定期 更换。 据分析, 医用 CT 机用高精度钨器件年使用量 超过了 1亿片 , 且附加值较高。1.2半导体离子注入用高精度钨器件离子注入是现代集成电路制造中的一种非常重 要的技术, 其利用离子注入机实现半导体的掺杂, 即 使用钨钍丝作为阴极发射电子轰击含有特定的杂质 元素的气体分子,产生电离的特定杂质原子经静电 场加速后打到硅单晶圆片表面, 并打入半导体内部

7、, 改变导电特性并最终形成晶体管结构。离子注入机 包括气体系统、 真空系统、 电机系统、 控制系统和射 束线系统。射束线系统包括离子源、 萃取电极、 质谱 仪、 后段加速装置、 电荷中性化系统、 晶圆处理机以 及射束阻挡器。用厚度较厚(245mm 的钨板经过 精密加工制得的钨器件主要用于半导体离子注入机 的离子源系统 , 起到约束、 屏蔽电离射线的作用, 是 制作离子源系统的关键部件。 据分析, 半导体离子注 入用钨板全球年用量超过了 200t 。中国半导体材料 市场近年来呈现高速增长趋势, 预计 2003年至 2008年 的 年 复 合 增 长 率 将 达 51%, Applied Mate

8、rials 、 Varian 、 Nission 和 Eaton 等国际知名公司也加大在中 国的采购计划。半导体设备用钨器件的发展空间是 十分广阔的。2高精度钨器件的加工2.1高精度钨器件加工的工艺流程准直器和探测器用高精度钨器件的加工流程为 理 慢走丝线切割;半导体离子注入用高精度钨器 件加工流程为钨粉 压制 烧结 轧制 成品热处 理 线切割 机加。2.2优质钨锭坯的制备钨锭坯的纯度对板材的加工性能及使用性能有 着极其重要的影响, 如 C 、 O 等杂质元素的进入可以 提高钨的塑脆转变温度,降低钨的抗冲击负荷的能 力 , 其含量超过 80×10-6100×10-6时, 就

9、以化合物的 形式沿晶界分布,易发生晶间断裂; S 和 Ni 易形成 易熔的 Ni3S 2, 沿晶界分布, 表现出热脆性; Fe 、 Mg 和 Ca 易沿晶界析出,降低钨的晶界强度; Ni 易在高温 下挥发, 留下麻点, 影响钨性能的均一性 2; 有害元 素在晶界偏析时, 钨晶界的界面强度明显降低, 易产 生晶间脆性裂纹 3; K 、 Na 等元素影响钨的抗辐射性 能, 增加 X 光的衍射。钨锭坯在制备时可通过控制 原始粉末纯度、改善后续生产环境等措施减少杂质 元素的进入; 提高氢气纯度、 优化烧结工艺有利于烧 结过程中间隙元素及低熔点杂质的充分去除。高均 质组织钨锭坯对后续加工中钨片材的加工性

10、能及尺 寸精度有至关重要的影响,如组织不均匀在加工中 容易出现开裂,或者造成板材硬度的不均匀最终导 致加工材厚度不均匀。可通过提高烧结炉加热均匀 性, 采用合理的粉末粒度配比、 优化的烧结制度来获 得高均质组织的烧结钨锭坯。目前高精度钨器件用 优质钨锭坯的最佳的烧结设备为钨丝网做发热体的 高温氢气烧结炉, 烧结温度可达 2600 4, 但成本较 高。 近一段时间由于设备和烧结工艺的改进, 中频感 应烧结炉已能生产符合要求的钨锭坯,生产成本大 为降低。2.3高精度钨器件用钨板材的制备高精度钨器件用钨板材的制备包括轧制、表面 处理、 成品热处理等工序。 目前高精度钨器件用钨板 材的轧制均采用具有较

11、大轧制扭矩的两辊可逆式轧 机进行低温开坯。半导体离子注入用高精度钨器件 用钨板的成品轧制也在两辊可逆式轧机上进行; 而 准直器和探测器用高精度钨器件用钨片的后续和成 品轧制则需要在实际轧制力较大的四辊轧机上进 行。为了提高钨板的后续可加工性和器件的使用性 能,离子注入用高精度钨器件用钨板密度不小于 19.15g/cm 3, 微观组织不能粗大, 必须细化均匀, 消 除应力退火充分。因而保证总加工率不低于 60%, 并选择最佳轧制、 退火工艺对细化板材晶粒、 提高性 能显得尤为重要(见图 3、 图 4 。图 3为采用两种不 7(a邓自南 , 等 :高精度钨器件的应用及加工 39 第 23 卷 (a

12、 (b图 3不同制备工艺 7mm 钨板金相图 4组织粗大的钨板机加情况显示钨板组织均匀细化; 图 3(b 显示由于轧制和热处理工艺的问题导致钨板组织粗大。图 4显示组织异常粗大的钨板机加过程中发生严重的掉渣现象,加工后钨板表面非常粗糙。准直器和探测器钨器件用钨片要求表面粗糙度较小(有些规格要求表面粗糙度 Ra 在 0.2mm 以内 。为保证医用 CT 机得到高分辨率的图像, 对所使用准直器和探测器钨器件的平面度也有极高的要求(有些规格要求 0.01mm 以内 。针对这种要求目前采用改善轧制涂层润滑条件、 提高轧辊表面精度以及抛光等方法, 用以降低钨片表面粗糙度。在采用合理的辊型和轧制方式控制钨

13、片板形的前提下, 进行成品热处理, 大幅度提高钨片平面度。在准直器和探测器钨器件用钨片轧制过程中采用交叉轧制, 并注意控制轧制和退火温度, 钨片塑性显著提高, 各向异性减弱, 成品热处理后组织细化, 脆性降低, 有利于后续加工和使用。2.4准直器和探测器钨器件的慢走丝线切割CT 机准直器和探测器钨器件尺寸精度要求极高(有些规格要求尺寸偏差不足 ±0.01mm , 而且形状复杂, 由于钨片硬度和脆性较大, 传统的加工方法难以加工成型, 尺寸精度得不到保证。慢走丝线切割作为一种新兴的高精度加工方式, 以其独特的加工精度和顺利成型。 切割时应正确选择切割参数, 对于不同的粗、 精加工, 丝

14、速、 丝的张力和喷流压力 应作适当调整。慢走丝线切割时应避免因装卡和清 洗不当造成器件平面度降低,以及由于工作液性质 的改变和其他原因导致器件表面腐蚀。2.5半导体离子注入用高精度钨器件的机械加工 半导体离子注入用高精度钨器件的机械加工包 括平面磨制、 车、 铣、 钻孔、 抛光、 研磨等。 由于对表面 粗糙度、 平面度、 垂直度和尺寸精度要求极高, 其大 部分机械加工依靠加工中心进行。 钨板属于高强度、 高硬度材料, 可加工性差, 因此选择合适的刀具和加 工工艺显得尤为重要。钨板机械加工时,任何不连续的切削,例如铣 削, 破裂的可能性较大; 钻孔和攻螺纹由于产生较大 的轴向力和径向力, 钨板容

15、易产生剥落和径向破裂; 车削时, 由于形成车削产生热量, 紧靠在刀具前沿的 金属达到半塑性状态, 钨板不易破裂, 因此车削工艺 是一种比其他机械加工方法更为有效的方法 5; 对 平面磨制而言, 由于钨板磨性差、 导热系数小, 因而 磨削效率低, 且不易保证质量。磨削会产生磨削热, 磨削热是一个瞬时的热量,在钨板内引起的磨削温 度也是瞬时的, 加热时间仅在微秒的数量级内。 在这 样短时间内产生的瞬时高温来不及向钨板内部传 40第 1期并与钨板内部形成很大的温度梯度,形成很大的热 应力。 如果热应力超过材料的强度, 就会产生磨削裂 纹(图 5 , 裂纹通常在进一步磨削过程中扩展。 特别 是在钨板冷

16、却过程中,如果表面层与母体金属有较 大的温差, 那么表面层就会形成很大的拉应力, 并保 持拉伸残余应力, 甚至产生表面裂纹。裂纹的存在, 哪怕是十分细小的微裂纹,也会极大地降低器件的 疲劳强度, 大大缩短器件的使用寿命。 所以必须根据 钨板的特性合理选择磨具,制定磨制工艺,进行加 工, 尽可能避免裂纹的产生。 试验证明宜选用磨屑不 易堵塞、 利于排热的砂轮 6和超高硬度砂轮 7, 采用 较低的砂轮速度和较小的径向进给量进行磨制。图 5钨板磨削工艺不合适产生的裂纹 3结 语高精度钨器件的加工属于钨板材加工的高端领 域, 在我国起步较晚, 但发展迅速。随着国家钨材出 口政策的调整,国家鼓励具有高附

17、加值的高精度钨 器件的出口。它可以加速中国钨行业从提供初级产 品向提供深加工产品高端市场过渡,有利于提升中 国钨行业的技术水平, 缩短与国际先进水平的差距, 增强中国钨行业高端产品的市场竞争力。参考文献 :1杨舒波 .CT 机 Collimator 详析 J. 医疗装备, 2005, (6 :53.2郝用兴, 贾耿伟 . 纯钨靶在电子轰击下的失效分析 J. 中国钨业, 2006, 21(2 :31.3徐志昌, 张 萍 . 金属钨坯改性元素的偏析 J. 材料工程, 1994, (8/9 :50-51.4杨宇锋 . 钨材加工技术与发展 J. 中国钨业, 2004, 19(5 :57. 5叶帷洪,

18、王崇敬 . 钨 M. 北京:冶金工业出版社, 1983.6刘蒲生 . 磨具选择与使用 M. 北京:机械工业出版社, 1985. 7薛源顺, 宋秋云 . 磨工工艺学 M. 北京:科学普及出版社, 1982. On the Application and Processing Technology High-precision Tungsten DevicesDENG Zi-nan, ZHAO Juan(Western Metal Material Co., Ltd, Baoji 721014, Shaanxi, ChinaAbstract:This paper introduces the applications of high-precision tungsten devices in medical collimator, detector and semiconductor ion implantation apparatus. And the key production and process technology of high-precision tungsten devices is analyzed in detail. The development tre