JP3763006B2 - 銅タングステン合金およびその製造方法 - Google Patents

銅タングステン合金およびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電極材料、電気接点材料、半導体用パッケージ材料、ヒートシンク等に使用される銅タングステン合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅タングステン合金は、銅の高電気伝導度とタングステンの耐アークエロージョン性を備えた材料で、古くから電極材料や電気接点として使用されてきた。近年、エレクトロニクス分野において、半導体用のパッケージ材料やヒートシンク部材として使用されるようになってきた。
【０００３】
この銅タングステン合金は、銅とタングステンが相互に固溶しないため、粉末冶金法で製造される。この粉末冶金法による製造方法としては、大別して溶浸法と混合粉末法の２種類の方法がある。溶浸法は、タングステン粉末のみをプレス成形して焼結し、予め多孔質なタングステンのスケルトンを作っておき、これに溶融した銅を含浸させる方法である。また、粉末混合法は、銅粉末とタングステン粉末とを所定の割合で混合した混合粉末をプレス成型し、焼結する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の溶浸法および粉末混合法による製造方法は、いずれも次のような問題点がある。まず溶浸法については、タングステン・スケルトンの多孔度の調整が困難で、銅の含有率がばらつき易いこと、および工程数が多くなるのでコストが高くなるという問題である。また、粉末混合法は、銅粉末とＷ粉末とを混合する時に、Ｗ粉末とＣｕ粉末とが圧粉状態となっているため、焼結体時に圧粉体内部に還元性ガスが充分侵入しないのでＷ粒子表面が充分還元されず、Ｗ粉末に対する液相のＣｕ粉末の濡れが悪くなりボイドの原因となっていた。
【０００５】
また、Ｃｕ粉末自身も充分に還元されていないため残存酸素により、熱伝導度が低下する原因となっていた。
【０００６】
そこで本発明は、燐の添加により液相のＣｕのＷ粒子表面への濡れ性の改善、およびＣｕ粉末中の酸素を脱酸することにより、均質かつ高密度であって、熱伝導度および抗折力に優れる銅タングステン合金とその製造方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成とした。すなわち、第１の発明にかかる銅タングステン合金は、重量比で銅を５〜３０％、燐を０．００２〜０．０４％含有し、残部が実質的にタングステンであることを特徴としている。第２の発明にかかる銅タングステン合金は、重量比で銅を５〜３０％、燐を０．００２〜０．０４％、コバルト、ニッケル、鉄のうちの１種又は２種以上を０．１〜０．５％含有し、残部が実質的にタングステンであることを特徴としている。
【０００８】
第３の発明にかかる銅タングステン合金の製造方法は、銅粉末およびタングステン粉末に、微量の燐を混合して得られた混合粉末を、所定の形状に加圧成形したのち、得られた成形体を焼結して、０．００２〜０．０４重量％の燐を含有する銅タングステン合金焼結体を得ることを特徴としている。また、第４の発明にかかる銅タングステン合金は、銅粉末およびタングステン粉末にコバルト，鉄，ニッケルのうちの１種又は２種以上の粉末０．１〜０．５重量％と微量の燐を混合して得られた混合粉末を所定の形状に加圧成形したのち、得られた成形体を焼結して、０．００２〜０．０４重量％の燐を含有する銅タングステン合金焼結体を得ることを特徴としている。
【０００９】
すなわち上記発明では、銅タングステン合金を製造するに際し、燐を微量に添加する点に特徴があり、得られる銅タングステン合金中には、０．００２〜０．０４重量％の燐が含有される。以下、具体例を挙げつつ本発明を詳細に説明する。
【００１０】
原料である銅粉末としては、０．５〜３０ミクロン程度の比較的細かい粉末を用いるのが好ましい。
【００１１】
同じく原料として使用するタングステン粉末は、従来粉末冶金原料として使用されてきた、粒度数ミクロンの金属粉末を使用するのが好ましい。
【００１２】
本発明では、上記以外に、微量成分として燐が添加される。また、燒結を促進するために、微量のコバルト、鉄、ニッケルのうちの１種または２種以上を０．１〜０．５重量％添加するのが好ましい。
【００１３】
燐は、通常Ｃｕ3 Ｐ（燐化銅）、燐を８重量％含んだ銅との混合粉末（市販品）、Ｃｏ2 Ｐ（燐化コバルト）、燐化ニッケルなどの形で添加するのが好ましい。添加された燐は焼結工程などで消費されるためか、得られる銅タングステン合金中に含有される（残存する）燐の量は添加量の４０〜２０重量％になるのが普通である。本発明の銅タングステン合金では、残存する燐の量が０．００２〜０．０４重量％であることが好ましい。発明者の実験によると、燐を添加することにより、焼結温度を５０〜８０℃低くしても通常の燒結温度で燒結したものと同等性能の銅タングステン合金が得られるというメリットがある。また、同等量の硼素も脱酸素剤として使用可能である。
【００１４】
つぎに、その製法について具体的に述べれば、まず銅粉末とタングステン粉末と燐成分と、場合により例えばコバルト粉末を所定の割合で配合し、混合する。この混合は、例えばボールミル等のミリング装置を用いて行うのが好ましい。混合時間は、均一な混合状態が得られる時間であり、例えばボ−ルミルを用いる場合は、通常８０〜１００時間である。なお、この場合はアルコール等を加えた湿式混合で行うのが好ましい。
【００１５】
得られた混合粉末を従来公知の方法で造粒後加圧成形し、焼結することにより、銅とタングステンとが均一に分散した合金が得られる。
【００１６】
【実施例１】
以下の条件でＷ−１０％Ｃｕ合金を試作した。使用した原料粉末は、平均粒度１．８ミクロンの市販のタングステン粉末１８０ｇ、平均粒度２３ミクロンの市販のＣｕ粉末２０ｇ、平均粒度１．５ミクロンの市販のコバルト粉末を０．４５ｇ（０．２重量％）および燐が８重量％含まれた銅と燐の混合粉末（以下、８ＰＣｕと呼ぶ）である。８ＰＣｕの量は、以上の全原料中、０、０．１７、０．３５、０．９０、１．７０、３．０各重量％の６水準とした。該６水準の内、０．１７、０．３５、０．９０、１．７０重量％の４水準が表１に示すように、燐含有量において本発明品に該当する。これら原料粉末にエチルアルコール６０ｃｃを加えてボールミル（超硬合金ボール使用）で９６時間湿式混合した。
【００１７】
得られた金属混合粉末に、造粒用バインダとして、ＰＶＰをエチルアルコールに溶解して添加した。ＰＶＰの添加量は、１．０重量％であった。この粉末を公知の方法で造粒し、粉末プレス機としてメカニカルプレスを用いて加圧成形した。成形体の寸法は、１０×３０×５（ｍｍ）であり、成形圧力は１．５トン／ｃｍ2 であった。
【００１８】
得られた成形体を水素雰囲気中で焼結した。焼結条件は、１２５０℃×１時間であった。この焼結により、寸法８×２４×４（ｍｍ）の銅タングステン焼結合金が得られた。この銅タングステン焼結合金の特性値は表１に示す通りであった。
【００１９】
【表１】
Figure 0003763006
【００２０】
【実施例２】
つぎに、以下の条件で放電加工用電極として使用するＷ−２０％Ｃｕ合金を試作した。使用した原料粉末は、平均粒度１．８ミクロンのタングステン粉末４８０ｇ、平均粒度２３ミクロンのＣｕ粉末１２０ｇ、平均粒度１．５ミクロンのコバルト粉末を１．２０ｇおよび８ＰＣｕである。８ＰＣｕの量は、以上の全原料中、０、０．２０、０．４０、０．９０、１．７０、２．８０各重量％の６水準とした。該６水準の内、０．２０、０．４０、０．９０、１．７０重量％の４水準が表２に示すように、燐含有量において本発明品に該当する。これら原料粉末にエチルアルコール６０ｃｃを加えてボールミルで９６時間湿式混合した。
【００２１】
得られた金属混合粉末に、造粒用バインダとして、ＰＶＰをエチルアルコールに溶解して添加した。ＰＶＰの添加量は、１．５重量％であった。この粉末を公知の方法で造粒し、粉末プレス機としてメカニカルプレスを用いて加圧成形した。成形体の寸法は、４５×４５×５０（ｍｍ）であり、成形圧力は１．５トン／ｃｍ2 であった。
【００２２】
得られた成形体を水素雰囲気中で焼結した。焼結条件は、１２００℃×１時間であった。この焼結により、寸法３４×３４×３８（ｍｍ）の銅タングステン焼結合金が得られた。この銅タングステン焼結合金の特性値は表２に示す通りであった。
【００２３】
【表２】
Figure 0003763006
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明の如く、本発明によれば、銅タングステン合金において燐を含有させたことにより、焼結密度、抗折力および熱伝導率において明らかに性能向上が認められる。しかも純度の高い銅タングステン合金を、燒結法（粉末混合法）によって安全にしかも効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１（○印）および２（△印）における燐の含有量と焼結密度との関係を示すグラフである。
【図２】実施例１（○印）および２（△印）における燐の含有量と抗折力との関係を示すグラフである。
【図３】実施例１（○印）および２（△印）における燐の含有量と熱伝導率との関係を示すグラフである。

Claims (2)

  1. 重量比で銅を５〜３０％、燐を０．００２〜０．０４％、コバルトを０．１〜０．５％含有し、残部がタングステン及び不可避的不純物である、電極材料、または電気接点材料、または半導体用パッケージ材料、またはヒートシンク用銅タングステン焼結合金。
  2. 銅粉末およびタングステン粉末にコバルト粉末と燐を混合して得られた混合粉末を所定の形状に加圧成形したのち、得られた成形体を焼結して銅タングステン合金焼結体を得ることを特徴とする、請求項１に記載の銅タングステン焼結合金の製造方法。
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