JP2004307996A - 均一な組織を有するタングステン−銅合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 タングステン粉末と銅粉末との混合粉末の代りに、タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末との混合粉末を使用して均一な組織のタングステン−銅合金の製造方法を提供しようとする。
【解決手段】 タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末とを混合して混合粉末を形成する工程と、前記混合粉末を加圧成形して成形体を形成する工程と、前記成形体を焼結して骨格体を形成する工程と、前記骨格体に銅を接触させて溶浸する工程と、を行って均一な組織を有するタングステン−銅合金を製造する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、均一な微細組織を有するタングステン−銅合金及びその製造方法に関するものである。

一般に、タングステン−銅合金は、電気アーク(arc)に対する抵抗性が大きく、熱伝導度(thermal conductivity)及び電気伝導度(electric conductivity)が良く、且つ、熱膨張係数(thermal expansion coefficient)が半導体材料のシリコン(Si)と類似しているため、超高圧遮断器用接点材料及びIC半導体用放熱材料(heat sink)として広用されている。又、タングステン−銅合金は、密度が高くて高速変形率(high strain rate)における延性に優れているため、最近は、軍事用成形炸薬弾のライナー(shaped charge liner)材料としても脚光を浴びている。

又、従来のタングステン−銅合金の製造方法としては、タングステンと銅粉末とを混合して成形した後、焼結(sintering)して骨格体(skeleton)を作った後、銅を溶浸(infiltration)する方法が使用されてきた(大韓民国特許出願第0127652号)。

大韓民国特許出願第0127652号 大韓民国特許出願第24857号(2002.05.06)

然るに、このような従来のタングステン−銅合金の製造方法は、初期に混合された銅粉末が焼結過程で溶解され、毛細管力(capillary force)により周辺のタングステン粉末間に染み込み、後で溶浸された銅がその場所に代替されることで、図11の矢印で示したように、粗大で不均一な微細組織(銅過剰領域(copper rich region))を有するタングステン−銅合金が製造されるという不都合な点があった。且つ、このようなタングステン−銅材料の不均一な組織は、超高圧遮断器用接点材料やIC半導体用放熱材料(heat sink)として使用する時、非正常的なアークの発生や局部的な熱膨張係数の差によって亀裂(crack)が発生される原因となり、その結果、電気接点材料及び放熱材料の寿命を大いに短縮させるようになる。

又、タングステン−銅合金を軍事用成形炸薬弾のライナーとして使用する場合、このような微細組織は、火薬の爆発によりライナーを崩壊する時、非対称(anisotropy)の金属ジェット(metal jet)が生成される直接的な原因となる。且つ、このような金属ジェットの非対称性は、成形炸薬弾の貫通力を大きく減少するため、従来の方法により製造されたタングステン−銅合金は、成形炸薬弾のライナーとして使用することが不適切であるという不都合な点があった。

本発明者達は、このような問題点を解決しようと努力した結果、タングステンと銅粉末の代りに、タングステンとタングステン−銅複合粉末(大韓民国特許出願第24857号(2002.05.06)による粉末)を使用することで、均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法を開発した。本発明によって製造されたタングステン−銅合金は、図1に示したように、粗大な銅過剰領域のような不均一な組織がないため、従来の方法により製造されたタングステン−銅合金に比べて超高圧遮断器用接点材料、IC半導体用放熱材料及び成形炸薬弾のライナーとして優れた性能を有している。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、タングステン粉末と銅粉末との混合粉末の代りに、タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末(大韓民国特許出願第24857号(2002.05.06)によって製造された粉末)との混合粉末を使用して均一な組織のタングステン−銅合金を製造することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法においては、タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末とを混合して混合粉末を形成する工程と、前記混合粉末を加圧成形して成形体を形成する工程と、前記成形体を焼結して骨格体を形成する工程と、前記骨格体に銅を接触させて溶浸する工程と、を順次行うことで均一な組織を有するタングステン−銅合金を製造することを特徴とする。

且つ、本発明に係る前記タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末とを混合して混合粉末を製造する工程を説明すると、1μm〜40μmの粒子大きさのタングステン粉末及びタングステン−銅複合粉末をタングステン：銅の重量比が目的とする範囲になるように計量する。次いで、該計量されたタングステンとタングステン−銅複合粉末とをチューブラー(turbular)ミキシングやボールミーリング方法により均一に混合する。
このとき、前記タングステン−銅複合粉末は、大韓民国特許出願第24857号(2002.05.06)に開示された方法により製造された粉末であって、酸化タングステンWO3と酸化タングステンWO2.9との粉末と、酸化銅CuOと酸化銅Cu2Oとの粉末とを、混合及び粉砕して水素雰囲気で還元熱処理する工程により製造され、タングステン粉末が銅粉末を取囲むように所定大きさの円状に形成されることを特徴とする。

更に、前記複合粉末の製造工程を説明すると、前記複合粉末の製造方法は、酸化タングステン(WO3とWO2.9)粉末及び酸化銅(CuOとCu2O)粉末を原料としてタングステン及び銅が所定比率になるように計量した後、チューブラーミキシングやボールミーリング方法により均一に混合した後、第1段階では、還元性雰囲気で200℃〜400℃の温度範囲で1分〜5時間維持し、その後、第2段階では、再び温度を500℃〜700℃の範囲に上昇して1分〜5時間維持した後、第3段階では、温度を750℃〜1080℃の範囲に上昇して1分〜5時間の間還元する工程を行う。このような方法により製造されたタングステン−銅複合粉末は、タングステンが銅粉末を取り囲む構造になって、中間物の生成や不純物の混入がなく、適切な大きさを有して円球状に形成されるため、粉末の流動性、成形性及び粉末査出成形性に優れることを特徴とする。

このとき、前記タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末との混合は、タングステン：銅の重量比が20：1〜2：1になることが好ましい。且つ、タングステン：銅の重量比が20：1以上になると、銅の添加量が非常に少なくて、添加された銅がタングステン粒子間に充分な強度を与えることができないため、骨格体内の毛細管を平坦にする役割を果たすことが困難になる。又、タングステン：銅の重量比が2：1以下になると、銅の含有量が非常に多くて、骨格体を作るために焼結する時、形状の崩壊(slumping)を発生する原因となる。更に、前記タングステン：銅の重量比は、12：1〜8：1であることが好ましい。

次いで、前記混合粉末を加圧成形して成形体を形成する工程を行う。混合されたタングステンとタングステン−銅粉末との混合体を所望の形状の金型に入れた後、約100MPaの圧力で加圧して成形体を製造する。このとき、成形体は、不純物の混入を防止するために、添加物なしに製造されることが好ましいが、必要に応じて、混合粉末の成形性を増加するために、ステアリン酸(stearic acid)やパラフィンワックスのようなバインダー(binder)を使用することができる。

次いで、前記成形体を焼結して骨格体を形成する工程を行う。製造された成形体を水素或いはアンモニアを分解したガス雰囲気で銅の溶融温度以上の温度で加熱した後、冷却して骨格体を製造する。このとき、タングステン−銅複合粉末に含まれた銅は溶融され、毛細管力によって周囲のタングステン粉末間の空間に吸入されるようになる。このようにタングステン粒子間に吸入された銅は、骨格体に強度を与えて取扱いを可能にするだけでなく、骨格体内の毛細管を平坦にすることで、後続の溶浸工程により銅を骨格体の内部に容易に染み込ませる。一方、タングステン−銅複合粉末に含まれたタングステンは、銅が溶融されて抜け出ると、元の場所にそのまま残り、周辺のタングステン粉末と固相焼結されることで、骨格体の形成に寄与するだけでなく、後続工程により溶浸された銅と結合されることで、銅過剰領域の生成を防止する役割をする。

このとき、前記成形体の焼結は、水素を含む還元性ガス雰囲気下で銅の溶融温度の1083℃で行われることが好ましい。焼結温度が1083℃より低いと銅が溶融されなく、前述したように、骨格体の強度を維持し且つ毛細管を平坦にするために、各タングステン粒子間に染み込むことができなくなる。

次いで、前記骨格体に銅を接触させて溶浸する工程を行う。この溶浸工程は、前記工程により製造された骨格体を銅と接触させた状態で、水素或いはアンモニアが分解された高温のガス雰囲気で所定時間維持させて行われるが、前記溶浸は、銅の溶融温度の1083℃以上で行われることが好ましい。

図1は前述の工程により製造されたタングステン−銅合金の微細組織を走査電子顕微鏡で撮影した写真で、図示されたように、本発明によって製造されたタングステン−銅合金は、銅過剰領域がなくて非常に均一な微細組織を有していることが分かる。

以上説明したように、本発明に係るタングステン−銅合金の製造方法においては、焼結過程でタングステン−銅複合粉末に含まれた銅がタングステン粉末間に染み込まれても、タングステン−銅複合粉末に含まれたタングステンが本来の位置に維持されるため、溶浸後にも銅過剰領域のない均一な組織を有するタングステン−銅合金を製造し得るという効果がある。

又、本発明によって製造された均一な組織を有するタングステン−銅合金は、電気接点、放熱材料及び成形炸薬弾のライナーとして使用する時、優秀な性能を発揮し得るという効果がある。

均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法は、
タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末とを混合して混合粉末を形成する工程と、
混合粉末を加圧成形して成形体を形成する工程と、
成形体を焼結して骨格体を形成する工程と、
骨格体に銅を接触させて溶浸する工程と、を行うことを特徴とする。

均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法は、タングステン−銅複合粉末が、タングステン(WO3及びWO2.9)粉末と酸化銅(CuO及びCu2O)粉末とを混合して粉砕し、水素雰囲気で還元熱処理を施して製造されるタングステン粉末が銅粉末を取囲むように、所定大きさの円状に形成されることを特徴とする。

均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法は、タングステン粉末及びタングステン−銅複合粉末が、タングステン：銅の重量比が20：1〜2：1になることを特徴とする。

均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法は、成形体の焼結が、水素を含む還元性ガス雰囲気で銅の溶融温度の1083℃以上で行われることを特徴とする。

均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法は、銅の溶浸が、水素を含む還元性ガス雰囲気で銅の溶融温度の1083℃以上で行われることを特徴とする。

均一な組織を有するタングステン−銅合金は、上記の何れか一つの方法により製造されることを特徴とする。

均一な組織を有するタングステン−銅合金は、超高圧遮断器用接点材料又はIC半導体用放熱材料として使用されることを特徴とする。

上記均一な組織を有するタングステン−銅合金は、軍事用成形炸薬弾のライナー(shaped charge liner)材料として使用されることを特徴とする。

<実施例１>
2.5μmの粒子大きさを有するタングステン(W)粉末と、約1〜2μmの大きさを有するタングステン−銅複合粉末(大韓民国特許出願第24857号により製造)をタングステン及び銅の重量比が12：1になるように計量した後、チューブラーミキサーに入れて6時間の間混合した。

次いで、混合された粉末を横40mm×縦10mmx×高さ10mmの大きさの金型に入れて、100MPaの圧力により一軸荷重を加えて成形体を製造した。

露点(dew point)の温度が−60℃のドライ水素雰囲気で、図2に示したように、前記成形体の温度を分当り10℃の昇温速度で800℃まで上昇させて30分間維持し、粉末表面の酸化物を除去した後、再び1300℃に上昇させて1時間維持して、銅を溶浸するための骨格体を製造した。図3はこのような方法により製造された骨格体を破断した後、該破断面を走査電子顕微鏡で観察した写真で、図4は図3に示した骨格体と同様なタングステン：銅組成比を有する骨格体を従来の方法により製造した後、前記破断面を走査電子顕微鏡で観察した写真である。図3と図4とを比較すると、従来の方法により製造された骨格体は、図4の矢印で示されたように、毛細管力により銅が周辺のタングステン粉末間に侵入することで生成された大きな気孔(pores)を含んでいるが、本発明により製造された骨格体は、従来の方法とは異なって、大きな気孔のない均一な組織を有することが分かる。

次いで、前記骨格体を銅と接触させた後、前記骨格体の温度を露点温度が−60℃のドライ水素雰囲気で分当り10℃の昇温速度で1250℃まで上昇させ、1時間の間維持する溶浸工程によりタングステン−銅合金を製造した。これと比較するために、前記従来の方法により製造された骨格体と同様に溶浸してタングステン−銅合金を製造した。図5及び図6は本発明及び従来の方法によって製造されたタングステン−銅合金の微細組織を走査電子顕微鏡で観察した写真である。

図6に示したように、従来の方法により製造されたタングステン−銅合金では、矢印で示された粗大な銅過剰領域が観察されるのに反して、本発明に係るタングステン−銅合金では、銅過剰領域がなくて、非常に均一な組織を有することが分かる。

<実施例2>
混合粉末の組成によるタングステン−銅合金の微細組織の変化を観察するために、タングステン：銅の重量比を8：1と相違にして、実施例1と同様な方法によりタングステン−銅合金を製造した。図7はこのような方法により製造されたタングステン−銅合金の微細組織を走査電子顕微鏡で観察した写真で、タングステン−銅合金が銅過剰領域の生成なしに均一な組織を有することが分かる。

これは、本発明によって製造されたタングステン−銅合金は、タングステン：銅重量比と関係なしに均一な組織を有することを意味する。

<実施例3>
タングステン粉末の大きさによるタングステン−銅合金の微細組織の変化を観察するために、タングステン粉末の粒子大きさのみを4.5μmと相違にして、実施例1と同様な方法によりタングステン−銅合金を製造した。図8はこのような方法により製造されたタングステン銅合金の微細組織を走査電子顕微鏡写真で観察した写真で、タングステン粒子の大きさは増加したが、2.5μm大きさのタングステン粉末を使用して製造されたタングステン−銅合金の微細組織(図5を参照)と同様に、銅過剰領域のない非常に均一な微細組織を示している。

一方、比較するために、粒子大きさが4.5μmの粉末を使用して従来の方法によりタングステン−銅合金を製造し、その微細組織を図9に示した。図示されたように、従来の方法により示されたタングステン−銅合金は、不均一な粗大な銅過剰領域を含むことが分かる。

即ち、本発明によって製造されたタングステン−銅合金は、使用されるタングステン粉末の大きさと関係なしに均一な組織を有することを意味する。

<実施例4>
溶浸温度によるタングステン−銅合金の微細組織の変化を調べるために、溶浸温度を1400℃と相違にして1時間の間維持して、実施例1と同様な方法によりタングステン−銅合金を製造し、その微細組織を図10に示した。図示されたように、溶浸温度が上昇するにつれてタングステン粒子が成長したが、この場合も、タングステン−銅合金は、銅過剰領域がない均一な組織を有することが分かる。

即ち、本発明によって製造されたタングステン−銅合金は、銅の溶融温度の1083℃以上で、溶浸温度と関係なしに均一な組織を有することを意味する。

図１は、本発明によって製造された、銅過剰領域のない均一な組織を有するタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図２は、本発明に係る成形体を焼結して骨格体を形成する工程を示したグラフである。 図３は、本発明によって製造された骨格体の波断面を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図４は、従来の方法によって製造された骨格体の波断面を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図５は、本発明によって製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図６は、従来の方法によって製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図７は、本発明に係るタングステン：銅の重量比が8：1の混合粉末を使用して製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図８は、本発明に係る平均粒子の大きさ4.5μmのタングステン粉末を使用して製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図９は、従来の方法によって平均粒子の大きさが4.5μmのタングステン粉末を使用して製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図１０は、本発明に係る銅の溶浸温度1400℃で製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。 図１１は、従来の方法によって製造されたタングステン−銅合金の微細組織を示した走査電子顕微鏡の写真である。

Claims (8)

1. タングステン粉末とタングステン−銅複合粉末とを混合して混合粉末を形成する工程と、
   前記混合粉末を加圧成形して成形体を形成する工程と、
   前記成形体を焼結して骨格体を形成する工程と、
   前記骨格体に銅を接触させて溶浸する工程と、を行うことを特徴とする均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法。
2. 前記タングステン−銅複合粉末は、タングステンWO3及びタングステンWO2.9粉末と、酸化銅CuO及び酸化銅Cu2Oとの粉末とを混合して粉砕し、水素雰囲気で還元熱処理を施して製造されるタングステン粉末が銅粉末を取囲むように、所定大きさの円球状に形成されることを特徴とする請求項１記載の均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法。
3. 前記タングステン粉末及びタングステン−銅複合粉末は、タングステン：銅の重量比が20：1〜2：1になることを特徴とする請求項１記載の均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法。
4. 前記成形体の焼結は、水素を含む還元性ガス雰囲気で銅の溶融温度の1083℃以上で行われることを特徴とする請求項１記載の均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法。
5. 前記銅の溶浸は、水素を含む還元性ガス雰囲気で銅の溶融温度の1083℃以上で行われることを特徴とする請求項１記載の均一な組織を有するタングステン−銅合金の製造方法。
6. 請求項１〜５中何れか一つの方法により製造されたことを特徴とする均一な組織を有するタングステン−銅合金。
7. 超高圧遮断器用接点材料又はＩＣ半導体用放熱材料として使用されることを特徴とする請求項６記載の均一な組織を有するタングステン−銅合金。
8. 軍事用成形炸薬弾のライナー材料として使用されることを特徴とする請求項６記載の均一な組織を有するタングステン−銅合金。

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