JP2009255286A

JP2009255286A - Ｃｕ−Ｇａ合金の切断方法

Info

Publication number: JP2009255286A
Application number: JP2009074749A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kumagai; 俊昭熊谷; Tsunehisa Imamaki; 常久今牧
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2009-11-05
Also published as: TW200948519A; WO2009119660A1

Abstract

【課題】例えば溶解鋳造によって製造されたＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなく切断して所望の形状に切断（加工）することができるＣｕ−Ｇａ合金の切断方法を提供する。
【解決手段】加工対象物１５であるＣｕ−Ｇａ合金塊とワイヤー１２とを互いに交わる方向に相対移動させ、Ｃｕ−Ｇａ合金塊に対してその全長にわたってワイヤー放電加工を行う。切断前のＣｕ−Ｇａ合金塊の形状が直方体である場合には、直方体の最も短い辺と切断面とが交わるように、当該Ｃｕ−Ｇａ合金塊を切断する（いわゆる「スライス」を行う）ことが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｃｕ−Ｇａ合金の切断方法に関するものであり、より詳しくは、例えば溶解鋳造によって製造されたＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなく切断して所望の形状に切断（加工）することができるＣｕ−Ｇａ合金の切断方法に関するものである。

従来、スパッタリングターゲットは、例えば３００ｍｍ×４００ｍｍ×１０００ｍｍの大きさに溶解鋳造された直方体形状の合金（インゴット）を、旋盤や丸鋸を用いて幾つかに切断し、切断された合金片（スラブ）を圧延、切削することにより製造されている。

そして、スパッタリングターゲットとして、Ｇａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金は、主に、薄膜型太陽電池を構成する光吸収層の薄膜形成に用いられている。

ところが、一般にスパッタリングターゲットとして用いられるＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金は、延性や展性が乏しく、硬度が高くて割れ易い（脆い）。このため、例えば直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金塊に切断加工を含む塑性加工等の加工を施すと、加工後の当該Ｃｕ−Ｇａ合金にヒビが入ったり、割れたり欠けたりする。このような不都合が生じたＣｕ−Ｇａ合金を製品化するには、例えばヒビが入った部分等を切削して除去しなければならない。また、発生した切削クズには切削によって不純物が混入してしまうため、例えばＣｕ−Ｇａ合金をスパッタリングターゲットとして用いる場合には、当該切削クズをＣｕ−Ｇａ合金として再利用することはできない。それゆえ、再利用できない多量の切削クズが発生してＣｕ−Ｇａ合金の製品の歩留りが悪くなる。

さらに、一般にスパッタリングターゲットとして用いられるＣｕ−Ｇａ合金のうち、Ｇａの組成比が２５モル％（≒２６．８重量％）以上と大きいＣｕ−Ｇａ合金（いわゆる硬脆材）は、特に硬度が高くて割れ易い（脆い）ため、塑性加工等の加工を施すことができない。

そこで、上記の不都合を防止するために、通常、Ｇａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金は、セラミックス等の成形と同様に、Ｃｕ−Ｇａ合金粉末を焼結することによって所望の形状に成形（製造）している。

しかしながら、粉末を焼結することによって所望の形状のＣｕ−Ｇａ合金を製造する方法では、塑性加工等の加工を施して製造する方法と比較して、Ｃｕ−Ｇａ合金の製品の歩留りは改善されるものの、当該製品の生産性が低くなってしまう。

また、溶解鋳造によるスパッタリングターゲット用のＣｕ−Ｇａ合金の製造方法も提案されている（例えば、特許文献１）が、この方法では、所望するＣｕ−Ｇａ合金の大きさに合わせたモールドをその都度用意しなければならないので、生産性が極めて低い。

特開２０００−７３１６３（２０００年３月７日公開）

Ｃｕ−Ｇａ合金をスパッタリングターゲットとして用いる場合には、当該Ｃｕ−Ｇａ合金は一般的に生産性の高い溶解鋳造によって製造されていることが望ましいものの、加工を施さずに所望の大きさのＣｕ−Ｇａ合金を得る上記方法では生産性が向上せず、溶解鋳造によって製造されたＣｕ−Ｇａ合金塊に塑性加工等の加工を施すと、加工後の当該Ｃｕ−Ｇａ合金にヒビが入ったり、割れたり欠けたりする。従って、Ｃｕ−Ｇａ合金を製品化するには、例えばヒビが入った部分等を切削して除去しなければならないので、再利用できない多量の切削クズが発生してＣｕ−Ｇａ合金の製品の歩留りが悪くなるという問題点を有している。

それゆえ、例えば溶解鋳造によって製造されたＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなく切断して所望の形状に切断（加工）することができるＣｕ−Ｇａ合金の切断方法が望まれている。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、例えば溶解鋳造によって製造されたＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなくこれを切断して所望の形状に切断（加工）することができるＣｕ−Ｇａ合金の切断方法を提供することにある。

本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法は、上記の課題を解決するために、ワイヤー放電加工によってＣｕ−Ｇａ合金塊を切断することを含む。

ワイヤー放電加工は、アーク放電によって加工対象物を切断する非接触の加工方法であるので、加工対象物に大きな力が加わらない。従って、上記の方法によれば、Ｇａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなく切断して所望の形状に切断（加工）することができる。また、切断して得られるＣｕ−Ｇａ合金にヒビが入ったり、割れ欠けを生じないので、従来は必要であった切削工程が不要となる。従って、再利用できない多量の切削クズが発生することが無いので、Ｃｕ−Ｇａ合金の製品の歩留りが良好となる。さらに、一般に、ワイヤー放電加工は、微細な加工を行うことができ、加工精度も高い。このため、従来は必要であった圧延工程が不要となる。従って、Ｃｕ−Ｇａ合金の製品の生産性を向上させることができる。

また、本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法においては、切断速度が、０．１ｍｍ／分以上、８ｍｍ／分以下であることがより好ましく、０．１ｍｍ／分以上、３ｍｍ／分以下であることがさらに好ましい。さらに、本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法においては、切断前のＣｕ−Ｇａ合金塊の形状が直方体であって、直方体の最も短い辺と切断面とが交わるように当該Ｃｕ−Ｇａ合金を切断することがより好ましい。本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法においては、上記直方体の最も短い辺の長さが５０ｍｍ以下であることがより好ましい。本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法においては、Ｃｕ−Ｇａ合金におけるＧａの組成比が、１０モル％以上、５０モル％以下であることがより好ましい。本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法においては、切断して得られるＣｕ−Ｇａ合金の用途が、スパッタリングターゲットであることがより好ましい。本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法においては、Ｃｕ−Ｇａ合金塊が、溶解鋳造によって製造されていることがより好ましい。

本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法は、ワイヤー放電加工によってＣｕ−Ｇａ合金塊を切断する方法である。

これにより、Ｇａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなく切断して所望の形状に切断（加工）することができるＣｕ−Ｇａ合金の切断方法を提供することができるという効果を奏する。

本発明に係る切断方法を実施するのに好適なワイヤー放電加工装置の一例を示すものであり、概略の構成を示すブロック図である。本発明に係る切断方法の一実施例を示すものであり、切断対象物であるＣｕ−Ｇａ合金の概略の形状を示す斜視図である。

本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法の好適な実施形態の一例について、以下に説明する。先ず、本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法の切断対象物であるＣｕ−Ｇａ合金について説明する。

＜Ｃｕ−Ｇａ合金＞
本発明に係るＣｕ−Ｇａ合金の切断方法の切断対象物であるＣｕ−Ｇａ合金塊は、溶解鋳造によって製造されていることが好ましい。溶解鋳造によって製造することにより、Ｃｕ中にＧａが偏析しないので、Ｃｕ−Ｇａ合金をスパッタリングターゲットとしてスパッタリングに用いたときに得られる薄膜の性能を維持することができる。尚、溶解鋳造の具体的な方法は、一般的な方法を採用することができ、特に限定されるものではない。また、Ｃｕ−Ｇａ合金の用途は、スパッタリングターゲットに限定されるものではない。

Ｃｕ−Ｇａ合金におけるＧａの組成比は、任意の値とすればよいが、１０モル％以上、５０モル％以下であることが好ましく、１５モル％以上、４０モル％以下であることがより好ましい。特に２５モル％を上回る、塑性加工し難いものについて効果を発揮する。尚、本発明においては、「モル％」を「atomic％」と同義語として扱うこととする。

また、Ｃｕ中にＧａができるだけ偏析しないようにするには、Ｃｕ−Ｇａ合金全体がより均一に冷却されることが望ましい。従って、溶解鋳造されるＣｕ−Ｇａ合金塊は、偏平な直方体形状、具体的には、溶解鋳造の具体的な条件にもよるが、例えば２５０ｍｍ×５００ｍｍ×５０ｍｍ程度の大きさにすることが好ましい。つまり、本発明において用いられるＣｕ−Ｇａ合金塊は、従来鋳造されているＣｕ−Ｇａ合金塊（例えば２４０ｍｍ×３００ｍｍ×１０００ｍｍの大きさ）と比較して、小さくかつ偏平な直方体形状に鋳造されていることが好ましい。

＜切断方法＞
上記Ｃｕ−Ｇａ合金塊に対して行う本発明に係る切断方法の好適な実施形態の一例を、図１を参照しながら説明する。本発明に係る切断方法は、ワイヤー放電加工によって切断する方法である。

ワイヤー放電加工とは、カットワイヤー（電極）と導電性を備えた加工対象物（切断対象物であり、本発明においてはＣｕ−Ｇａ合金塊）との間で短周期に繰り返されるアーク放電（放電エネルギー）によって、当該加工対象物を非機械的に切断する方法である。ワイヤー放電加工は、ワイヤーの材質や直径等を制御することにより、微細な加工を行うことができ、加工精度も高い。

本発明に係る切断方法においては、一般的なワイヤー放電加工装置を用いることができる。具体的には、例えば、図１に示すように、一般的なワイヤー放電加工装置は、主に、高周波パルス電源１０、電極１１、ワイヤー１２、サーボメカニズム１３、並びに、加工槽１４で構成されている。高周波パルス電源１０は、アーク放電を行うための電力を高周波パルスとして電極１１に供給するようになっている。電極１１は、６０〜３００Ｖのパルス状の直流電流をワイヤー１２に供給し、ワイヤー１２と加工対象物１５との間でアーク放電させるようになっている。ワイヤー１２は、図示しないワイヤー供給装置から供給され、一定の張力を保った状態で、図示しない巻取装置にて巻き取られるようになっている。サーボメカニズム１３は、ワイヤー１２の供給速度および走行速度を制御するようになっている。加工槽１４は、その底面部が高周波パルス電源１０と電気的に接続されている。加工槽１４には、水や油等の一般的な加工液１６が満たされている。また、加工槽１４には、ワイヤー１２に対する加工対象物１５の位置合わせを行う図示しない調整装置が設けられている。そして、加工槽１４では、載置された加工対象物１５に対して、加工液１６中にてワイヤー１２による切断（加工）が行われるようになっている。

上記ワイヤー放電加工による切断工程を、手順を追って説明する。以下の説明においては、切断前のＣｕ−Ｇａ合金塊の形状が直方体であって、直方体の最も短い辺と切断面とが垂直に交わるようにして当該Ｃｕ−Ｇａ合金を切断する場合を例に挙げることとする。

始めに、加工槽１４に、加工対象物１５である直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金塊を、上記切断が可能な向きに載置した後、加工液１６を満たす。これにより、Ｃｕ−Ｇａ合金塊は、加工槽１４を介して高周波パルス電源１０と電気的に接続される。次に、当該Ｃｕ−Ｇａ合金塊直方体の一頂点を原点として、原点から延びる三辺を座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに合わせる。例えば、Ｃｕ−Ｇａ合金の長手方向をＸ軸方向とし、厚さ方向（直方体の最も短い辺の方向）をＹ軸方向とする。従って、この場合には、ワイヤー１２は、その供給方向がＺ軸方向となるように張り渡されていることになる。

次いで、切断後のＣｕ−Ｇａ合金の厚さが所望の厚さ、例えば厚さａとなるように、原点からＺ軸方向に距離ａよりもさらに少しだけ移動した位置（後で研削することによって薄くなることを考慮した位置）に、ワイヤー１２をセットする。その後、ワイヤー１２を供給すると共に当該ワイヤー１２に直流電流を供給しながら、Ｃｕ−Ｇａ合金塊とワイヤー１２とを互いに交わる方向に相対移動させ、Ｃｕ−Ｇａ合金塊に対してその全長にわたってワイヤー放電加工を行う。即ち、ワイヤー１２の位置を固定してＣｕ−Ｇａ合金塊を−Ｘ軸方向に移動させるか、或いは、Ｃｕ−Ｇａ合金塊の位置を固定してワイヤー１２をＸ軸方向に移動させながら、加工液１６を介して、Ｃｕ−Ｇａ合金塊に対してその全長にわたってアーク放電を行うことにより、当該Ｃｕ−Ｇａ合金塊の切断を行う。

直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金塊を３つ以上に切り分ける場合には、上記操作と同様の操作を繰り返し行えばよい。これにより、直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金から、所望の厚さのＣｕ−Ｇａ合金を切り分けることができる。

ワイヤーの材質は、黄銅（Ｃｕ６５重量％−Ｚｎ３５重量％の合金）、銅等が好ましい。また、ワイヤーの直径は、０．１ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ程度であることがより好ましい。ワイヤーの全長は、３０００ｍ程度であることが好ましい。そして、切断に利用されるワイヤーの長さ（加工液１６中で張り渡されている長さ）、つまり、高周波パルス電源１０側のワイヤー支持端から電極１１側のワイヤー支持端までのワイヤーの長さは、「切断するＣｕ−Ｇａ合金塊の厚さ＋１ｃｍ以内」程度であることが好ましい。

ワイヤーの供給速度は、５ｍ／分以上、１５ｍ／分以下であることが好ましい。ワイヤーの張力は、０．１ｋｇｆ以上、０．５ｋｇｆ以下であることが好ましい。また、ワイヤーの走行速度、即ち、Ｃｕ−Ｇａ合金塊の切断速度（加工速度）は、０．１ｍｍ／分以上、８ｍｍ／分以下であることが好ましく、０．１ｍｍ／分以上、３ｍｍ／分以下であることがより好ましい。

放電加工条件は、例えば、パルス幅を０．１５μｓ以上、１．８５μｓ以下、パルス休止期間を２μｓ以上、１６μｓ以下、電流波高値を４．５Ａ以上、７０Ａ以下、無負荷電圧を３０Ｖ以上、１００Ｖ以下とすればよいが、加工対象物であるＣｕ−Ｇａ合金塊の大きさやワイヤーの種類に応じて、適宜設定すればよい。

尚、切断後のＣｕ−Ｇａ合金は、その切断面に、ワイヤー放電加工によって変質した変質層が形成される場合がある。しかしながら、当該変質層は、研削するだけで容易に除去することができる。

本発明に係る切断方法においては、加工対象物であるＣｕ−Ｇａ合金塊が従来鋳造されているＣｕ−Ｇａ合金塊と比較して小さくかつ偏平であることがより好ましい。従って、所望の大きさのＣｕ−Ｇａ合金（スパッタリングターゲット）を得るには、切断前のＣｕ−Ｇａ合金塊の形状が直方体である場合には、直方体の最も短い辺と切断面とが交わるように、当該Ｃｕ−Ｇａ合金塊を切断する（いわゆる「スライス」を行う）ことが好ましい。また、上記直方体の最も短い辺の長さは、５０ｍｍ以下であることが好ましい。

上記ワイヤー放電加工の、より具体的な一実施例を、以下に説明する。

図２に示すように、溶解鋳造し、研削して２５０ｍｍ×５００ｍｍ×５０ｍｍの大きさになるように調整したＧａの組成比が２５モル％である直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金１を、長さ５０ｍｍの辺と切断面とが垂直に交わるようにして、ワイヤー放電加工で３等分に切断した。

ワイヤーの材質として黄銅（Ｃｕ６５重量％−Ｚｎ３５重量％の合金）を用い、直径を０．３ｍｍとし、長さを０．２６ｍとした。そして、ワイヤーの供給速度を１．３ｍ／分とし、切断速度（ワイヤーの走行速度）を１．５〜１．８ｍｍ／分に制御して、Ｃｕ−Ｇａ合金１を切断した。切断速度の平均値は１．７ｍｍ／分であった。

切断された合金片２…を平面研削盤で研削することにより、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×１６ｍｍの大きさの、３枚のスパッタリングターゲット３…を製造した。上記ワイヤー放電加工による切断において、Ｃｕ−Ｇａ合金は、割れたり欠けたりすることなく、また切断面にヒビの発生もなく所望の形状に切断（加工）することができた。

実施例１において、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×５０ｍｍの大きさに溶解鋳造されたＧａの組成比が２０モル％である直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金塊を用い、切断速度を０．５〜０．８ｍｍ／分（切断速度の平均値は０．６ｍｍ／分）とした以外は実施例１と同様にして、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×１６ｍｍの大きさの、３枚のスパッタリングターゲット３…を製造した。上記ワイヤー放電加工による切断において、得られたＣｕ−Ｇａ合金は、割れたり欠けたりすることなく、また切断面にヒビの発生もなく所望の形状に切断（加工）することができた。

実施例１において、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×５０ｍｍの大きさに溶解鋳造されたＧａの組成比が３０モル％である直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金塊を用い、切断速度を１．１〜１．５ｍｍ／分（切断速度の平均値は１．３ｍｍ／分）とした以外は実施例１と同様にして、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×１６ｍｍの大きさの、３枚のスパッタリングターゲット３…を製造した。上記ワイヤー放電加工による切断において、得られたＣｕ−Ｇａ合金は、割れたり欠けたりすることなく、また切断面にヒビの発生もなく所望の形状に切断（加工）することができた。

実施例１において、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×５０ｍｍの大きさに溶解鋳造されたＧａの組成比が４０モル％である直方体形状のＣｕ−Ｇａ合金塊を用い、切断速度を０．６〜０．９ｍｍ／分（切断速度の平均値は０．８ｍｍ／分）とした以外は実施例１と同様にして、２５０ｍｍ×５００ｍｍ×１６ｍｍの大きさの、３枚のスパッタリングターゲット３…を製造した。上記ワイヤー放電加工による切断において、得られたＣｕ−Ｇａ合金は、割れたり欠けたりすることなく、また切断面にヒビの発生もなく所望の形状に切断（加工）することができた。

以上の実施例１〜４から、本発明に係る切断方法を採用することにより、溶解鋳造によって製造されたＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、割れたり欠けたりすることなく、また切断面にヒビの発生もなく所望の形状に切断（加工）することができることが判った。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明によれば、硬度が高くて割れ易い（脆い）Ｃｕ−Ｇａ合金塊を切断することができる。即ち、例えば溶解鋳造によって製造されたＧａの組成比が比較的大きいＣｕ−Ｇａ合金塊であっても、ヒビが入ったり、割れたり欠けたりすることなく切断して所望の形状に切断（加工）することができるので、例えばスパッタリングターゲットの製造等の、幅広い産業上の利用が可能である。

１０高周波パルス電源
１１電極
１２ワイヤー
１３サーボメカニズム
１４加工槽
１５加工対象物（Ｃｕ−Ｇａ合金）

Claims

ワイヤー放電加工によってＣｕ−Ｇａ合金塊を切断することを含むことを特徴とするＣｕ−Ｇａ合金の切断方法。
切断速度が、０．１ｍｍ／分以上、８ｍｍ／分以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
切断前のＣｕ−Ｇａ合金塊の形状が直方体であって、直方体の最も短い辺と切断面とが交わるように当該Ｃｕ−Ｇａ合金塊を切断することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
上記直方体の最も短い辺の長さが５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
Ｃｕ−Ｇａ合金塊におけるＧａの組成比が、１０モル％以上、５０モル％以下であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
得られるＣｕ−Ｇａ合金の用途が、スパッタリングターゲットであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
Ｃｕ−Ｇａ合金塊が、溶解鋳造によって製造されたものであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の方法。