FI119646B - Hapeton kupariseos ja menetelmä sen valmistamiseksi sekä kupariseoksen käyttö - Google Patents

Description

HAPETON KUPARISEOS JA MENETELMÄ SEN VALMISTAMISEKSI SEKÄ KUPARISEOKSEN KÄYTTÖ

Keksintö koskee hapetonta kupariseosta, johon on seostettu lämpötilankestä-5 vyyttä lisäävää ainetta. Seos soveltuu käytettäväksi erityisesti kohteissa, joissa seokselta vaaditaan sekä hyvää lämpötilankestävyyttä että hyvää sähkönjohtavuutta. Keksintö koskee myös menetelmää kupariseoksen valmistamiseksi sekä kupariseoksen käyttöä.

10 Yleisimmin käytetyn kuparilaadun, ns. ETP-kuparin (electrolytic tough pitch) happipitoisuus on tyypillisesti 200 - 400 ppm. Happea sitoutuu kupariin luonnostaan tavanomaisessa valmistusprosessissa. Happipitoisuutta voidaan myös tarkoituksella pitää halutulla tasolla, sillä happi sitoo haitallisia aineita vähemmän haitallisiksi oksideiksi. Kuparin sähkönjohtavuus on sitä suurempi mitä 15 puhtaampaa kupari on, ja myös kupariin sitoutunut happi pienentää johtavuutta. Kuparin lämmönjohtavuus on verrannollinen sähkönjohtavuuteen. Erityisesti sähkönjohtavuuden parantamiseksi valmistetaankin myös niin sanottua hapetonta kuparia, jonka happipitoisuus on enintään 10 ppm. Hapettoman kuparin : valmistuksessa hapen pääsy kontaktiin sulan kuparin kanssa estetään käyttä- : ’·· 20 mällä sulan päällä suojaavaa pelkistävää kerrosta (esim. grafiittia), käyttämällä • · · suojakaasua (esim. typpeä) tai käyttämällä vakuumia.

• · · • · • · • · · • · · •••j Hapettoman kuparin lämpötilankestävyyttä on parannettu seostamalla kupariin • · *···’ hopeaa esimerkiksi 0,02 - 0,3 % seoksen painosta. Myös magnesiumia on ai- . 25 kaisemmin käytetty mikroseosaineena yleensä hyvin pieninä pitoisuuksina.

• · ·

Tyypillisesti on samalla käytetty muita seosaineita. Esimerkiksi julkaisuissa US- e · 5118470, JP-A-62080241 ja JP-A-03291340 on esitetty tällaisia seoksia, joista »t · • · · : ·* on muodostettu puolijohdetekniikassa käytettävää liitinlankaa. Langasta saa- • · · '···’ daan sulattamalla tarkasti pallon muotoisia pisaroita. Materiaalilla on myös hy- • · · 30 vä murtolujuus. Magnesiumia on ehdotettu muiden aineiden ohella seosai-neeksi myös esimerkiksi julkaisussa ja JP-A-63140052. Tässä magnesium pitoisuudessa 3-10 ppm alentaa kuparin pehmenemislämpötilaa.

2

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tekniikan tason mukaisia haittapuolia ja aikaansaada entistä parempi hapeton kupariseos. Keksinnön olen-5 naiset tunnusmerkit selviävät oheisista patenttivaatimuksista.

Keksinnön mukaisesti hapettomaan kupariin seostetaan magnesiumia yli 30 ppm seoksen painosta laskettuna. Näin saadaan lämpötilankestävyyttä parannetuksi sähkönjohtavuuden ja näin myös lämmönjohtavuuden säilyessä kuiten-10 kin korkealla tasolla. Keksinnön mukaisen hapettoman kupariseoksen magne-siumpitoisuus on yli 30 ppm, parhaiten yli 50 ppm. Magnesiumpitoisuus on enintään 180 ppm, parhaiten enintään 150 ppm. Seoksen happipitoisuus on enintään 10 ppm, parhaiten enintään 5 ppm, kuten 1-3 ppm. Keksinnön mukainen seos soveltuu käytettäväksi erityisesti tuotteissa, joilta vaaditaan hyvää 15 lämpötilankestävyyttä ja samalla hyvää sähkönjohtavuutta tai lämmönjohta-vuutta. Lisäksi kuparin lämpötilankestävyys paranee huomattavasti.

Kuparin lämpötilankestävyys ilmaistaan tavallisesti niin sanotulla puoliksipeh- • · · menemislämpötilalla (1½). Puoliksipehmenemislämpötila riippuu kuitenkin • · : ’·· 20 huomattavasti muokkausasteesta. Vertailukelpoisten arvojen saamiseksi puo- • · · : V liksipehmenemislämpötila määritetään tavallisesti 40 %:n ja 94 %:n muokkausasteella.

• · · • · · · • · ’···* Kuparin sähkönjohtavuus ilmaistaan tavallisesti niin sanotulla IACS-arvolla (In- 25 ternational Anneal Copper Standard). Se ilmaisee sähkönjohtavuuden prosent- • · · teinä standardin mukaisen seostamattoman kuparin johtavuudesta. Hapetto- • · man kuparilaadun sähkönjohtavuus on vähintään 100 % IACS.

• · · • · · • ♦ ··· * · *··/' Keksinnön mukaisten kupariseosten puoliksipehmenemislämpötilat ovat vähin- 30 tään samaa luokkaa kuin 0,3 - 0,25 % hopeaa sisältävillä seoksilla. 40 %:n muokkausasteella puoliksipehmenemislämpötila on vähintään 340 °C, parhaiten vähintään 380 °C. 94 %:n muokkausasteella puoliksipehmenemislämpötila 3 on vähintään 300 °C, parhaiten vähintään 335 °C. Seostuksesta huolimatta sähkönjohtavuus pysyy kuitenkin korkealla tasolla (yli 100 % IACS). Parhaiten johtavuus on vähintään noin 101 % IACS.

5 Yli 180 ppm:n magnesiumpitoisuuksilla lämpötilankestävyyden paraneminen suhteessa magnesiumin määrään olennaisesti heikkenee. Myös sähkönjohtavuus ja valettavuus heikkenevät. Alle 30 ppm:n magnesiumpitoisuuksilla ei käytännössä saavuteta enää olennaista parannusta lämpötilankestävyyteen.

10 Magnesium kohottaa tässä puhtaan kuparin rekristallisaatiolämpötilaa. Magne-siumatomit ovat suurempia kuin kupariatomit, ja näin hilarakenne vääristyy ja muodostuu jännityksiä. Näin dislokaatioiden liike vaikeutuu.

Keksinnöllä saavutetaan hopean käyttöön verrattuna kustannussäästöjä, koska 15 magnesium on huomattavasti halvempaa kuin hopea ja sitä tarvitaankin huomattavasti vähemmän kuin hopeaa. Pienen seosaineen määrän vuoksi voidaan myös seostustekniikka valita vapaammin.

• · : Magnesiumseostettua kuparia voidaan valmistaa samoilla valmistusmenetelmil- : *** 20 lä kuin muitakin hapettomia kuparilaatuja kuten esimerkiksi laatta- tai pötkyva- • ·' lulla joko vaaka- tai pystyvaluna. Sulaan lisätään sopivassa vaiheessa, esimer- • · · • · ’···* kiksi valu-uuniin, tarvittava määrä magnesiumia. Koska magnesium reagoi her- • · · •••j kästi hapen kanssa, on ilmalta suojaukseen kiinnitettävä erityistä huomiota.

• » ’···* Myös sulan kanssa kosketukseen joutuvissa laitteissa on edullista käyttää sel- 25 laisia oksidittomia materiaaleja, joista magnesium ei voi sitoa happea. Valua seuraa yleensä lämpökäsittely ja muokkaus. Tyypillinen valmistusreitti voisi olla laattavalu alaspäin ja muokkaus kuuma- ja kylmävalssauksella. Magnesium voi « · · näissä pitoisuuksissa aiheuttaa sekundaarista raerakennetta, mikä tulee muok- » « « » kauslämpötilaa valittaessa ottaa huomioon.

30 4

Fosfori, pii ja rikki voivat reagoida magnesiumin kanssa heikentäen lämpötilan-kestävyyden paranemista. Sen vuoksi näiden epäpuhtauksien pitoisuus on parhaiten yhteensä enintään 10 ppm.

5 Keksinnön mukaista kupariseosta voidaan käyttää kohteisiin, joissa vaaditaan hyvää lämpötilankestävyyttä. Tällaisia ovat esimerkiksi sähkömoottorien kom-mutaattorit, jotka muodostuvat useista segmenteistä ja joiden segmenttien liittämiseen käytettävien muovihartsien lämpötila saattaa nousta jopa korkeammaksi kuin 200 °C. Edelleen keksinnön mukaista kupariseosta voidaan käyttää 10 korkeassa lämpötilassa pinnoitettaviin alusmateriaaleihin. Korkean lämpötilan pinnoitusprosesseilla valmistetaan muun muassa aurinkopaneeleja. Lisäksi käyttökohteena on esimerkiksi hitsauksessa, erityisesti MIG-hitsauksessa, käytettävien elektrodien kärjet ja generaattoreissa käytettävät lattatangot ja profiilit, joissa keksinnön mukainen kupariseos korvaa edullisesti kalliimpaa kupariho-15 peaseosta.

Keksinnön mukaisessa seoksessa voidaan käyttää myös muita seosaineita. Tällaisia ovat erityisesti hopea ja fosfori. Hopea tunnetusti kohottaa puoliksi- * · : pehmenemislämpötilaa. Hopeapitoisuus on edullisesti enintään 500 ppm. Muita • · : ’** 20 mahdollisia seosaineita ovat esimerkiksi rikki, tina, sinkki, nikkeli, pii ja telluuri.

• · · • · « • ·' Näiden pitoisuus on edullisesti enintään 50 ppm. Myös tina kohottaa puoliksi- • · · *···* pehmenemislämpötilaa, mutta se ei ole yhtä tehokas kuin magnesium ja lisäksi ··” laskee johtavuutta enemmän.

25 Esimerkki • · · • · · ·

V « V

T Valmistettiin magnesiumseostetut hapettomat kupariseokset, joihin oli seostettu :>#·* magnesiumia 50, 100 ja 150 ppm seoksen painosta. Seosten lämpötilankestä- **;*’ vyyttä ja sähkönjohtavuutta verrattiin tunnettujen hopeakupariseosten lämpöti- ··· 30 lankestävyyteen ja sähkönjohtavuuteen.

β Λ 5

Kustakin materiaalista valmistettiin hehkutettu 8 mm:n lanka. Langan sähköjoh-tavuus mitattiin. Sen jälkeen langat vedettiin 6,2 mm:n (muokkausaste 40 %) tai 2 mm:n (muokkausaste 94 %) paksuuteen. Langat hehkutettiin suolakylvyssä (1 h) alueella 250 - 500 °C. Tulokset esitetään oheisessa taulukossa, jossa 5 esimerkiksi merkintä Mg50ppm tarkoittaa keksinnön mukaista seosta, joka sisältää 50 ppm magnesiumia, ja merkintä CuAg0,03 tekniikan tason mukaista kupariseosta, joka sisältää 0,027 - 0,05 paino-% hopeaa.

Seos Ag [p-%] Sähkönjohtavuus TYz 40 % TV2 94% [%IACS] [°C] [°C]

CuAg0,03 0,027-0,05' 100,88 " 340 295

CuAg0,1 0,085-0,12 100,77 36Ö 325

CuAgO,2 0,20-0,25 101,10 ~"~38Ö 34Ö

MgöOppm - 101,95 363 310

MglOOppm - 101,40 379 335

Mg150ppm100,84 386 34Ö 10 Kuten nähdään, 50 - 150 ppm:n magnesiumpitoisuuksilla saavutetaan vähin- • · · ly : tään yhtä hyvät ominaisuudet kuin 0,027 - 0,25 %:n hopeapitoisuuksilla.

• · • · · • · · Φ 9 9 • · • · • · · • · • 1 ··· * · «f • » « β · · e « e * · • · c • e • · e e e e ·

Claims (14)

1. Hapeton kupariseos, joka sisältää happea enintään 10 ppm seoksen painosta, tunnettu siitä, että seos sisältää lämpötilankestävyyden parantamiseksi 5 magnesiumia 30 ppm - 180 ppm seoksen painosta, jolloin seoksen puoliksipehmenemislämpötila on vähintään 300 °C ja sähkönjohtokyky vähintään 100 % IACS.

2. Vaatimuksen 1 mukainen seos, tunnettu siitä, että seos sisältää magnesiu-10 miayli 50 ppm.

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen seos, tunnettu siitä, että seos sisältää magnesiumia enintään 180 ppm, parhaiten enintään 150 ppm.

4. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että seos si sältää happea enintään 5 ppm, edullisesti 1-3 ppm.

5. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että seoksen puoliksipehmenemislämpötila 40 %:n muokkausasteella on vähintään 340 °C, 20 parhaiten vähintään 380 °C.

6. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että seoksen puoliksipehmenemislämpötila 94 %:n muokkausasteella on vähintään 300 °C, parhaiten vähintään 335 °C. 25

7. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että seoksen sähkönjohtavuus on vähintään 100 % IACS, parhaiten vähintään 101 % IACS.

8. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että seos si- 'H 30 sältää fosforia, piitä ja rikkiä yhteensä enintään 10 ppm. ,f ' .

9. Menetelmä hapettoman kupariseoksen valmistamiseksi, joka seos sisältää happea enintään 10 ppm, tunnettu siitä, että seokseen seostetaan magnesiumia yli 30 ppm ja enintään 180 ppm seoksen painosta.

10. Jonkin vaatimuksen 1 - 8 mukaisen tai vaatimuksen 9 mukaisesti valmiste-5 tun kuparin käyttö tuotteessa, jolta vaaditaan hyvää lämpötilankestävyyttä ja hyvää sähkönjohtavuutta tai lämmönjohtavuutta.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen käyttö sähkömoottorien kommutaatto-reissa. 10

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen käyttö hitsauselektrodin kärkenä.

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen käyttö generaattoriprofiilina.

14. Patenttivaatimuksen 10 mukainen käyttö generaattorilattatankona.