CN102806353A

CN102806353A - 一种钼合金管靶的生产方法

Info

Publication number: CN102806353A
Application number: CN2012102934793A
Authority: CN
Inventors: 钟小亮; 王广欣; 王树森
Original assignee: SUZHOU JC MATERIALS TECHNOLOGY LLC
Current assignee: Yantai Hilde Mstar Technology Ltd
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: CN102806353B

Abstract

本发明涉及一种钼合金管靶的生产方法，其通过将预合金粉末置于专用包套中，在真空条件下进行热等静压形成管靶，专用包套包括同轴设置的不锈钢内管和低碳钢外管以及用于固定不锈钢内管和低碳钢外管的两端的固定座，不锈钢内管为适合作为钼合金管靶的衬管的无磁性或弱磁性不锈钢管，低碳钢外管的壁厚小于不锈钢内管的壁厚，且低碳钢外管的内径与不锈钢内管的外径的差值为靶管的厚度的 2.1~2.3 倍，低碳钢外管上预焊有抽气管，热等静压的温度为 1000 ℃ ~1200 ℃，压力大于等于 100MPa 。本发明所得钼合金管靶成分均匀、无可见偏析，钯管与衬管之间结合紧密，晶粒细小、纯度高，能够满足液晶显示和触控屏行业要求。

Description

一种钼合金管靶的生产方法

技术领域

本发明涉及一种钼合金管靶的生产方法，特别是能够满足液晶显示和触控屏行业要求的钼合金管靶的生产方法。

背景技术

在钼中添加一种或多种合金元素而制成的钼合金靶材广泛用于溅射制备液晶显示（ LCD ）及触控屏（ TP ）中的薄膜电极、薄膜配线等。添加其中的合金元素可以是 Cr 、 Hf 、 Nb 、 Ta 、 Ti 、 V 、 W 等。过去，钼合金靶材大多被制成平板形状。由于和溅射设备中的磁场不发生相对运动，这类平面靶材的利用率只有 30% 左右。这不仅造成靶材材料的浪费，也因为更换靶材必须中断溅射设备的工作，给生产过程造成很大影响。

为了提高靶材的利用率，人们越来越多地制造和使用管状靶材（简称管靶），即把靶材做成管子形状，管子里面装有静止不动的磁体。溅射过程中，管靶以一定的速度转动，所以也被叫做旋转靶材（ rotating target/rotary target ）。由于转动的管靶和静止不动的磁体之间发生相对运动，整个管靶表面均匀地发生溅射，靶材材料的利用率可以高达 70% 以上。液晶显示及触控屏行业需要的钼合金管靶，特别是成分均匀、无偏析、晶粒细小、高纯度的钼合金管靶，目前十分缺乏。

管靶通常由一个内管和一个外管组成。外管也叫靶管，其材质是溅射制备薄膜所需要的材质。内管起支撑靶管的作用，所以也叫支撑管或者衬管。已知的管靶生产方法，有用热喷涂将靶管涂覆到衬管上的（热喷涂法），有用焊料将靶管焊接到衬管上的（钎焊法），有直接把靶管浇铸到衬管上的（浇铸法）。热喷涂法生产的管靶结构极不均匀，含有大量的空洞，靶材材料氧化严重，只能用于玻璃等要求不高的镀膜行业。钎焊法由于靶管和衬管间的缝隙很小，焊料难以均匀地分布在缝隙中，实现靶管和衬管之间的全面焊接有一定难度。浇铸法只能用于诸如 Sn 、 Zn 等熔点较低的靶材材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种生产钼合金管靶的新方法，该方法生产的钼合金管靶成分均匀、无偏析、晶粒细小、纯度高，能够满足液晶显示和触控屏行业要求。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种钼合金管靶的生产方法，钼合金管靶具有衬管和靶管，所述生产方法通过将由钼和合金元素组成的预合金粉末置于专用包套中，在真空条件下进行热等静压形成管靶，所述专用包套包括同轴设置的不锈钢内管和低碳钢外管以及用于固定所述不锈钢内管和低碳钢外管的两端的固定座，其中：不锈钢内管为适合作为钼合金管靶的衬管的无磁性或弱磁性不锈钢管，低碳钢外管的壁厚小于不锈钢内管的壁厚，且低碳钢外管的内径与不锈钢内管的外径的差值为靶管的厚度的 2.1~2.3 倍，低碳钢外管上预焊有抽气管，所述热等静压的温度为 1000 ℃ ~1200 ℃，压力大于等于 100MPa ，在热等静压结束后，除去专用包套的低碳钢外管和固定座，得到内为衬管外为靶管的坯材，该坯材经机加工即得钼合金管靶。

根据本发明的进一步实施方案：所述的生产方法具体包括如下步骤；

（ 1 ）、制备预合金粉末；

（ 2 ）、装料和排气：将不锈钢内管和低碳钢外管的一端焊接在一个固定座上，使两个管子的轴心重合，在两个管子之间形成厚度为靶管的厚度的 1~1.1 倍的腔体；然后将预合金粉末均匀地装入腔体内，装毕后，在两个管子的另外一端焊上另一固定座，两个固定座分别将腔体的两端封闭住，最后通过预焊在低碳钢外管上的抽气管抽真空，至腔体内真空度达到 10^-1Pa 或以下；

（ 3 ）、热等静压：将内装有预合金粉末的包套置于热等静压设备中，进行热等静压，热等静压温度为 1000~1200˚C, 压力为 100MPa~200MPa ，时间为 1~3 小时；

（ 4 ）、机加工：将专用包套的低碳钢外管和两个固定座除去，获得内为衬管外为靶管的坯材，将该坯材机加工成所述钼合金管靶。

根据本发明的一个优选方面，步骤（ 1 ）中，将钼粉和合金元素粉末进行混合、压制、烧结，制得初始坯料，再将初始坯料粉碎即得预合金粉末。制备预合金粉末的目的是为了避免或减少由于钼粉颗粒和合金元素粉末颗粒之间的密度及尺寸的不同而可能出现的偏析现象。为了避免初始坯料和粉碎设备的过度碰撞和摩擦，从而造成预合金粉末的被污染，本发明优选在对初始坯料进行粉碎前，采用液氮对初始坯料进行冷冻处理，使其变得更容易粉碎，如此，可以在较短时间内达到预期的粉碎效果，从而避免或减少了初始坯料和粉碎设备的过度碰撞、摩擦。

根据本发明，合金元素可以为选自 Cr 、 Hf 、 Nb 、 Ta 、 Ti 、 V 、 W 中的任意一种元素，预合金粉末中合金元素含量一般为 0.5wt%~50wt% 。根据本发明的一个具体方面，合金元素为 Nb ，其含量为 0.5 wt %~20wt% 。

根据本发明的又一优选方面，所述的不锈钢内管的外表面形成有电镀铬层，铬层的存在可以减少钼合金钯管和不锈钢衬管之间热膨胀系数的不匹配性（ 20 ℃时，钼的线膨胀系数α _Mo =5.2 × 10^-6/K ，铁的线膨胀系数α _Fe =12.2 × 10^-6/K ，铬的线膨胀系数α _Cr =6.2 × 10^-6/K ，铬介于钼和铁之间）。

根据本发明的另一优选方面，步骤（ 2 ）中，在腔体内真空度达到 10^-1Pa 或以下后，充入氩气，再抽至 10^-1Pa 或以下，然后将整个包套放入加热炉中，以 80~120 ℃ /h 的速率升温至 600~900 ℃，在升温过程中，持续抽气，保持腔体内压力为 10^-1Pa 或以下，保温 1~4h ，保持腔体内压力为 10^-1Pa 或以下，最后将抽气口密封焊死。

根据本发明，低碳钢外管的壁厚要小于不锈钢内管的壁厚，一般以 1~3mm 为宜。强度较低、管壁较薄的低碳钢管，在热等静压过程中发生必要的变形，对于获得高致密度的管靶材料是有利的。而强度较高、管壁较厚的不锈钢管，在热等静压过程中不发生或少发生变形，机加工后可以作为衬管使用。

根据本发明，热等静压的压力越高越容易获得高的致密度，考虑到大多数热等静压设备的设计工作压力为 200MPa ，所以本发明优选使热等静压在压力 200MPa 下进行。

根据本发明的一个具体方面，尺寸 50~120 微米的金属铌颗粒均匀分布在金属钼基体中构成所述靶管，金属钼基体中金属钼颗粒大小为 10~50 微米。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明成功利用热等静压法生产出钼合金管靶，且所得钼合金管靶成分均匀、无可见偏析，靶管与衬管之间结合紧密，晶粒细小、纯度高，能够满足液晶显示和触控屏行业要求。

附图说明

图 1 为根据本发明的专用包套的结构示意图；

图 2 为 Mo-10%Nb 钼合金靶管的金相组织；

其中： 1 、不锈钢内管； 2 、低碳钢外管； 3 、腔体； 4 、固定座； 5 、抽气管。

具体实施方式

本发明的目的是生产能够满足液晶显示和触控屏行业要求的、成分均匀、无偏析、晶粒细小、高纯度的钼合金管靶。采用的生产方法涉及以下主要步骤：

（ 1 ）预合金粉末制备：（ a ）通过对金属 Mo 粉及合金元素粉末进行混合、压制、烧结制备初始坯料；（ b ）粉碎初始坯料制备预合金粉末。制备预合金粉末的目的是为了避免或减少装料时由于 Mo 粉颗粒和合金元素粉末颗粒之间的密度及尺寸的不同而可能出现的偏析现象。为避免初始坯料和粉碎设备的过度碰撞、摩擦，从而造成预合金粉末的被污染，本发明先使用液氮处理初始坯料，使其变得更容易粉碎。这样可以在较短的时间内达到预期的粉碎效果，从而避免或减少了初始坯料和粉碎设备的过度碰撞、摩擦。

（ 2 ）包套的制作：（ a ）选取一根尺寸（内径、外径及长度）适合作为管状靶材衬管的无磁性的或弱磁性的不锈钢管并对其表面进行必要的处理，包括喷砂、酸洗、电镀等。选择无磁性的或弱磁性的不锈钢管是为了让磁力线能够最大限度地穿透管靶。喷砂主要是为了除去表面的附着物。酸洗除油后，对不锈钢管外表面进行电镀镀铬。镀铬的目的主要是为了减少钼合金靶管和不锈钢衬管之间热膨胀系数的不匹配性（ 20 ℃时，钼的线膨胀系数α _Mo =5.2 × 10^-6/K ，铁的线膨胀系数α _Fe =12.2 × 10^-6/K ，铬的线膨胀系数α _Cr =6.2 × 10^-6/K ，铬介于钼和铁之间）。（ b ）选取一根内径 d2 大于不锈钢管外径 d1 的低碳薄壁钢管，使 d2-d1>2t ，其中 t 为管靶的壁厚， d2-d1 大于 2t 是为了保证烧结收缩后仍预留足够的加工余量，一般地，可以取 d2-d1=(2.1~2.3)t 。低碳薄壁钢管的壁厚要小于不锈钢管的壁厚，一般以 1~3mm 为宜。强度较低、管壁较薄的低碳钢管，在热等静压过程中发生必要的变形，对于获得高致密度的管靶材料是有利的。对低碳薄壁钢管，特别是其内壁，采取酸洗的方法进行必要的清洗，以去除可能对靶材造成污染的氧化铁皮及其它污物。 (c ）将不锈钢管和低碳钢管通过一个固定座在一端焊接在一起，使两个管子的轴心重合，在两个管子之间形成厚度为大于 t 的空间，并留另一端敞开以形成一个可以容纳金属粉末的管状包套。

（ 3 ）装料及排气：通过管状包套的敞开端，尽可能均匀地装入预合金粉末，这有利于热等静压后获得密度分布均匀的靶材坯料。之后，在敞开端焊上另一个固定座（图 1 为本发明所用专用包套的示意图，从中可见，不锈钢内管 1 和低碳钢外管 2 之间形成有一腔体 3 ，预合金粉末即装于该腔体 3 内。不锈钢内管 1 和低碳钢外管 2 的两端由固定座 4 固定，且固定座 4 将腔体 3 的端部封闭，低碳钢外管 2 外预留一抽气管 5 ），然后通过抽气管 5 ，将腔体 3 内真空度抽至 10^-1Pa 或以下，然后充入 Ar 气体，再抽至 10^-1Pa 或以下。然后将整个包套放入加热炉中，以 100 ℃ /h 的速度升温至 600 ℃ ~900 ℃，在升温过程中，持续抽气，保持包套内压力为 10^-1Pa 或以下。保温 1~4h ，持续抽气，保持包套内压力为 10^-1Pa 或以下。最后，将抽气口密封焊死。

（ 4 ）热等静压：对密封在包套里的预合金粉末进行热等静压以制备靶材材料。金属材料的热等静压温度一般为 0.3~0.6Tm ， Tm 为金属材料的熔点。对多数钼合金材料该温度范围为 750~1500˚C ，本发明取热等静压温度为 1000~1200˚C ，因为低于 1000˚C ，得到的坯料密度较低，而高于 1200˚C 则距离不锈钢衬管的熔点太近，易使之发生变形。不锈钢衬管如果变形太大，会严重影响后续的机加工步骤。热等静压压力一般不低于 100MPa ，本发明取 200MPa ，因为压力越高越易获得高的致密度，而且大多数热等静压设备的设计工作压力为 200MPa 。热等静压的保温保压时间本发明取 1~3 小时。时间太短，不能保证粉末颗粒之间的完全烧结；时间太长，则会使晶粒过分长大。两者都有损靶材质量。

（ 5 ）机加工：去除包套的低碳钢外管及两个固定座，将靶材材料及包套内管机加工成管靶成品。其中包套内管（即不锈钢管）起到了衬管的作用。

下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例。

本实施例提供一种 Mo-10%Nb 钼合金管靶的生产方法，具体如下：

称取 22.5 公斤纯度为 99.95% 、平均粒度为 20 微米的金属 Mo 粉；称取 2.5kg 、纯度为 99.99% 、平均粒度为 100 微米的金属 Nb 粉；共同放入三维运动混粉机内混粉 3 小时。将混合好的粉末放入模具，在室温下用液压机压制成尺寸大约为 100mm × 100mm × 20mm ，相对密度约为 45% 的小块若干。把这些压制好的小块放入真空烧结炉内烧结，烧结条件为真空度 6.67 × 10^-3Pa 、温度 1200 ℃、时间 4 小时。烧结结束后炉冷。之后取出液氮冷却并立即用颚式粉碎机粉碎，用振动筛筛分。将 20 目和 100 目之间的粉末装入图 1 所示的包套的腔体内，经抽气密封后，进行热等静压（热等静压参数为 1100˚C ， 200MPa ， 2 小时）得到坯材。再将靶材机加工成管靶成品。该管靶成品长 1050mm ，衬管外径 110mm ，靶材厚度为 5mm 。该管靶的靶管的金相组织如图 2 所示，从中可以看出铌颗粒较为粗大，颗粒尺寸 50~120 微米，均匀分布在金属钼基体中，金属钼颗粒大小为 10~50 微米。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钼合金管靶的生产方法，所述钼合金管靶具有衬管和靶管，其特征在于：所述生产方法通过将由钼和合金元素组成的预合金粉末置于专用包套中，在真空条件下进行热等静压形成管靶，所述专用包套包括同轴设置的不锈钢内管和低碳钢外管以及用于固定所述不锈钢内管和低碳钢外管的两端的固定座，其中：所述不锈钢内管为适合作为钼合金管靶的衬管的无磁性或弱磁性不锈钢管，所述低碳钢外管的壁厚小于所述不锈钢内管的壁厚，且低碳钢外管的内径与不锈钢内管的外径的差值为所述靶管的厚度的2.1~2.3倍，所述低碳钢外管上预焊有抽气管，所述热等静压的温度为1000℃~1200℃，压力大于等于100MPa，在热等静压结束后，除去专用包套的低碳钢外管和固定座，得到内为衬管外为靶管的坯材，该坯材经机加工即得所述钼合金管靶。

2.根据权利要求1所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：所述的生产方法具体包括如下步骤；

（1）、制备预合金粉末；

（2）、装料和排气：将所述的不锈钢内管和低碳钢外管的一端焊接在一个所述固定座上，使两个管子的轴心重合，在两个管子之间形成厚度为靶管的厚度的1~1.1倍的腔体；然后将预合金粉末均匀地装入所述腔体内，装毕后，在两个管子的另外一端焊上另一固定座，两个固定座分别将腔体的两端封闭住，最后通过预焊在低碳钢外管上的抽气管抽真空，至腔体内真空度达到10^-1Pa或以下；

（3）、热等静压：将内装有预合金粉末的包套置于热等静压设备中，进行热等静压，热等静压温度为1000~1200˚C, 压力为100MPa~200MPa，时间为1~3小时；

（4）、机加工：将专用包套的低碳钢外管和两个固定座除去，获得内为衬管外为靶管的坯材，将该坯材机加工成所述钼合金管靶。

3.根据权利要求2所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：步骤（1）中，将钼粉和合金元素粉末进行混合、压制、烧结，制得初始坯料，再将初始坯料粉碎即得预合金粉末。

4.根据权利要求3所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：在对初始坯料进行粉碎前，采用液氮对初始坯料进行冷冻处理。

5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：所述的合金元素为选自Cr、Hf、Nb、Ta、Ti、V、W中的任意一种元素，预合金粉末中合金元素含量为0.5wt%~50wt%。

6.根据权利要求5所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：所述的合金元素为Nb，其含量为0.5 wt %~20wt%。

7.根据权利要求1或2所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：所述的不锈钢内管的外表面形成有电镀铬层。

8.根据权利要求2所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：步骤（2）中，在腔体内真空度达到10^-1Pa或以下后，充入氩气，再抽至10^-1Pa或以下，然后将整个包套放入加热炉中，以80~120℃/h的速率升温至600~900℃，在升温过程中，持续抽气，保持腔体内压力为10^-1Pa或以下，保温1~4h，保持腔体内压力为10^-1Pa或以下，最后将抽气口密封焊死。

9.根据权利要求1所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：所述的低碳钢外管的壁厚为1~3mm。

10.根据权利要求1所述的钼合金管靶的生产方法，其特征在于：尺寸50~120微米的金属铌颗粒均匀分布在金属钼基体中构成所述靶管，金属钼基体中金属钼颗粒大小为10~50微米。