JP7016820B2

JP7016820B2 - 銅ジルコニウム合金放熱部品、銅ジルコニウム合金ケーシングの製造方法

Info

Publication number: JP7016820B2
Application number: JP2019027017A
Authority: JP
Inventors: 嘉政許; 旭山朱
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2022-02-07
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN111197127B; CN111197127A; TWI674326B; JP2020084315A; TW202020172A

Description

本発明は銅ジルコニウム合金放熱部品と銅ジルコニウム合金ケーシングの製造方法に関するものである。

世界的な通信技術の急速な発展に対応して、コンピューティングチップの機能が飛躍的に向上したため、ポータブルオーディオプレーヤーや電子辞書などの多くの機能的な電子製品は、スマートフォンやタブレットなどのモバイル機器に置き換えられている。消費者の軽く薄く短く小さいという製品需要を満たすために、モバイル機器製品の放熱技術は常に産業界が直面している困難な問題である。例えば、５Ｇ高速伝送のマイクロ基地局や高速ハンドヘルド機器の内部の熱は極めて薄い放熱部品が必要であるが、放熱部品の厚さが薄くなると、圧力差の変化によって構造的に弱い場所で割れや変形が生じやすくなる。

薄型または超薄型のヒートパイプのような純銅を材料とする放熱部品は、強度が不十分であるために折り曲げ箇所で破損または変形し易く、蒸気通路を妨げることが知られている。ヒートパイプの動作時に、大気圧による圧を受ける、或いは内圧が大きすぎると、パイプの破裂を招く。

したがって、超薄型でかつ高い熱伝導率を有すると同時に、機械的強度が高い放熱部品の開発は、現段階での関連分野の重要な課題となっている。

本発明は、高い機械的強度を有すると同時に高い熱伝導性能を維持する銅ジルコニウム合金放熱部品、特に薄型放熱部品を提供する。

本発明はまた、高い機械的強度を有すると同時に、高い熱伝導性能を有する銅ジルコニウム合金ケーシングを製造することができる銅ジルコニウム合金ケーシングの製造方法を提供する。

本発明は、銅ジルコニウム合金ケーシングと、銅ジルコニウム合金ケーシングの内壁に設けられた毛細管構造層を含む銅ジルコニウム合金放熱部品を提供する。ここで、銅ジルコニウム合金ケーシングは、１５原子パーセント（原子％）～２０原子％のジルコニウムを含有するナノ銅ジルコニウム析出物を含む。

本発明の実施形態において、前記銅ジルコニウム合金ケーシングに添加されるジルコニウムの量は、０．５重量％（ｗｔ％）を超えかつ５．０重量％未満である。

本発明の別の実施形態は、銅粉末とジルコニウム粉末とを混合し、少なくとも２０時間ボールミルを行って合金粉末を形成し、合金粉末に対して真空熱間プレスを行ってバルク材を形成した後、前記バルク材に熱処理および時効処理を施してから、前記バルク材に圧延処理を施すことを含む銅ジルコニウム合金ケーシング製造方法を提供する。

以上のように、銅ジルコニウム合金放熱部品の製造方法によって得られる銅ジルコニウム合金は、高い熱伝導率、高い引張強度および高い延性を有し、そして放熱部品としての加工に好ましい。また放熱部品が小型化されても、それでもなお良好な放熱機能を維持しながら部品の損傷、変形または歪みを引き起こさない。

本発明の一実施形態にかかる銅ジルコニウム合金放熱部品の概略断面図である。本発明の別の実施形態にかかる銅ジルコニウム合金ケーシングの製造工程のステップ図である。

図１は本発明の実施形態にかかる銅ジルコニウム合金放熱部品の概略断面図である。図１において、本実施形態は、銅ジルコニウム合金ケーシング１０２と、銅ジルコニウム合金ケーシング１０２の内壁１０２ａ上に配置された毛細管構造層１０４とを備える銅ジルコニウム合金放熱部品１００を提供する。図１で示す銅ジルコニウム合金放熱部品１００の断面の形状は、楕円形である。銅ジルコニウム合金ケーシング１０２はナノ銅ジルコニウム析出物を含み、前記銅ジルコニウム析出物は１５原子％～２０原子％のジルコニウムを含む。言い換えれば、前記銅ジルコニウム析出物は８０原子％～８５原子％の銅を含有する。実施形態では、銅ジルコニウム合金ケーシング１０２中にジルコニウムの添加量は、例えば０．５重量％を超え５．０重量％未満であり、いわゆる「添加量」は銅ジルコニウム合金ケーシング１０２を製造する時点での添加物の重量パーセントを意味する。

本発明の一実施の形態では、銅ジルコニウム合金放熱部品１００の厚さＴ１≦０．４ｍｍである。また、銅ジルコニウム合金放熱部品１００が図１に示すような管状構造の場合、厚さＴ１は断面の短軸長さを意味する。

本発明の実施の形態では、銅ジルコニウム合金ケーシング１０２の厚さＴ２≦０．１ｍｍである。

図２は、本発明の別の実施形態による銅ジルコニウム合金ケーシングの製造工程のステップ図であり、先の実施形態の銅ジルコニウム合金ケーシング１０２を製造することができる。

図２を参照すると、この実施形態の方法は、最初にステップＳ２００を行い、銅粉末とジルコニウム粉末とを混合し、そして少なくとも２０時間ボールミルを行うことを含み、ジルコニウム粉末の粒径は、例えば銅粉末の粒径より小さく、ジルコニウム粉末の添加量は、例えば０．５重量％を超え５．０重量％未満であり、アルゴン雰囲気下でボールミルを行い銅中にジルコニウムを熱拡散させることができるとともに、ジルコニウムと銅で固溶している合金粉末を形成する。

その後、ステップＳ２Ｏ２を行い、前記合金粉末を真空熱間プレス成形してバルク材を形成する。本実施形態において、真空熱間プレス成形のプロセスパラメータは、例えば、９３０℃～９６０℃の温度および３０ＭＰａの圧力で２～４時間の真空熱間プレス焼結を行い、合金粉末をバルク材に成形する。

その後、さらにステップＳ２Ｏ４を行い、前記バルク材に熱処理および時効処理を施す。熱処理温度は、例えば９３０℃～９６０℃、時間は例えば１～２時間であり、その後に水冷し、続いて例えば４５０℃～５５０℃の温度で時効処理する。その後、2～4時間温度を保持してから空冷することも選択できる。

その後、ステップＳ２０６を行い、前記バルク材に対して圧延処理を施す。圧延処理後、シート材を得ることができ、このシート材はヒートパイプまたはその他の放熱部材を形成するためのケーシング構造として使用することができる。

図１に示すような銅ジルコニウム合金放熱部品を製造しようとする場合、ステップS２０６の後に上記の圧延処理後のシート材を得て、まず例えば管状または他の形状のケーシングを製造し、次いでこのケーシングを基材として毛細管構造層を製造することができる。前記毛細管構造層の製造方法は、以下を含むがこれらに限定されない。１、粉末をケーシング内壁でランダムに焼結する；２、銅メッシュまたは銅線をケーシング内壁で焼結する；３、ケーシング構造の内部を溝加工する；または４、ケーシング構造の内部をエッチングする。

本発明の上記及びその他の目的、特長、優れた点を更に明確に理解できるよう、以下においていくつかの実施例及び比較実施例を挙げて以下のように詳細に説明する。

＜実施例＞
＜金属粉末ボールミル＞
実施例１
粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９７ｇ、粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末３ｇをグローブボックス内のボールミル缶に入れ、アルゴン雰囲気下で、回転速度３５０ｒｐｍで２０分間の正逆交互回転で１０時間ボールミルを行った。その結果Ｃｕ-３ｗｔ％Ｚｒサンプル１が得られ、これをエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ、電界放出形走査電子顕微鏡ＪＥＯＬ、ＦＥ-ＳＥＭ）により成分分析した結果は表１のとおりである。粒径の変化を電子顕微鏡で観察し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析を行ったところ、ジルコニウム（Ｚｒ）が銅（Ｃｕ）の表面に拡散固溶し始めたが、ジルコニウムは銅と反応しなかった。

実施例２
ボールミルを行う時間を２０時間とした以外は実施例１と同様にしてＣｕ-３ｗｔ％Ｚｒサンプル２を得て、ＥＤＳによる成分分析を行った。その結果は表１に示すとおりである。粒径の変化を電子顕微鏡で観察し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析を行ったところ、微量のジルコニウム（Ｚｒ）は銅（Ｃｕ）に固溶していないことがわかった。

実施例３
ボールミルを行う時間を３０時間とした以外は実施例１と同様にしてＣｕ-３ｗｔ％Ｚｒサンプル３を得て、ＥＤＳによる成分分析を行った。その結果は表１に示すとおりである。粒径の変化を電子顕微鏡で観察したところ、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析の結果、ジルコニウム（Ｚｒ）と銅（Ｃｕ）は固溶しており、残留ジルコニウムはなかった。

表１に示すように、銅粉末とジルコニウム粉末はボールミルを経た後、ボールミル時間が長くなるにつれて、ジルコニウムが銅表面へ拡散する含有量も増加する。すなわちジルコニウムの含有量が銅へ拡散する動きは、ボールミルを行う時間の増加に伴って増加する。

また、ＳＥＭ分析の結果のボールミル時間と結晶粒との関係によると、ボールミル時間が長いほど、粒径は小さくなり、均一性が高くなり、例えば、１０時間のボールミル後の粒径サイズは、大小が不均一であるが、ボールミル時間が長いほど、粒径が小さくなり、粒径は均一になる傾向があり、少なくとも３０時間のボールミルを行うと、粒径は５００～６００ミクロンとなる。

実施例４
粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９９．８５ｇおよび粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末０．１５ｇをグローブボックス内のボールミル缶に入れ、アルゴン雰囲気下で、回転速度３５０ｒｐｍで２０分間の正逆交互回転で３０時間ボールミルを行ったところ、Ｃｕ-０．１５ｗｔ％Ｚｒサンプル４が得られ、これを電子顕微鏡で観察し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析したところ、ジルコニウムは存在しておらず、ジルコニウムが銅中に固溶していることを示している。

実施例５

粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９９．５ｇ、粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末０．５ｇをグローブボックス内のボールミル缶に入れ、アルゴン雰囲気下で、回転速度３５０ｒｐｍで２０分間の正逆交互回転で３０時間ボールミルを行ったところ、Ｃｕ-０．５ｗｔ％Ｚｒサンプル５が得られ、これを電子顕微鏡で観察し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により分析したところ、ジルコニウムは存在しておらず、ジルコニウムが銅中に固溶していることを示している。

実施例６
粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９５ｇ、粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末５ｇをグローブボックス内のボールミル缶に入れ、アルゴン雰囲気下で、回転速度３５０ｒｐｍで２０分間の正逆交互回転で３０時間ボールミルを行ったところ、Ｃｕ-５ｗｔ％Ｚｒサンプル６が得られ、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により分析したところ、ジルコニウムが残留しており、これよりジルコニウムの銅へ固溶する含有量には制限があることを示しており、ジルコニウムの添加量を増加させればその固溶含有量も無制限に増加することではないことが分かる。

実施例７
粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９９．２ｇ、粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末０．８ｇをグローブボックス内のボールミル缶に入れ、アルゴン雰囲気下で、回転速度３５０ｒｐｍで２０分間の正逆交互回転で３０時間ボールミルを行ったところ、Ｃｕ-０．８ｗｔ％Ｚｒサンプル７が得られた。Ｘ線回折（ＸＲＤ）により分析したところ、ジルコニウム（Ｚｒ）と銅（Ｃｕ）が固溶していることが観察された。

実施例８
粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９８．３ｇ、粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末１．７ｇをグローブボックス内のボールミル缶に入れ、アルゴン雰囲気下で、回転速度３５０ｒｐｍで２０分間の正逆交互回転で３０時間ボールミルを行ったところ、Ｃｕ-１．７ｗｔ％Ｚｒサンプル８が得られた。Ｘ線回折（ＸＲＤ）により分析したところ、ジルコニウム（Ｚｒ）と銅（Ｃｕ）が固溶していることが観察された。

＜真空粉末熱間プレスおよび銅ジルコニウム析出物の分析＞
実施例９
タングステン鋼製ダイでサンプル１を９５０℃、３０ＭＰａの圧力で４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル９を得た。サンプル９のナノ析出物をＥＤＳ成分分析したところ、Ｃｕ８０．９８原子％、Ｚｒ１９．０２原子％であった。

実施例１０
タングステン鋼製ダイでサンプル２を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル10を得た。サンプル１０のナノ析出物をＥＤＳ成分分析したところ、Ｃｕ８３．３７原子％、Ｚｒ１６．６３原子％であった。

実施例１１
タングステン鋼製ダイでサンプル３を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル１１を得た。サンプル１１のナノ析出物をＥＤＳ成分分析したところ、Ｃｕ８２．７３原子％、Ｚｒ１７．２７原子％であった。

実施例１２
タングステン鋼製ダイでサンプル４を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル１２を得た。ＳＥＭにより微細構造分析をおこなったところ、ジルコニウムは銅に固溶しているが、ナノ析出物の析出はなかった。

実施例１３
タングステン鋼製ダイでサンプル５を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル１３を得た。サンプル１３のナノ析出物をＥＤＳ成分分析したところ、Ｃｕ８４．０２原子％、Ｚｒ１５．９８原子％であった。

実施例１４
タングステン鋼製ダイでサンプル６を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル１４を得た。電子顕微鏡およびＥＤＳ分析の結果より、ナノ粒子を均一に分布させて析出させることは容易ではなく、かつジルコニウムは特定の局所領域に集中しており、成分の均一性は良好でないことが分かる。

実施例１５
タングステン鋼製ダイでサンプル７を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル１５を得るとともに、銅ジルコニウムナノ析出物が見られた。

実施例１６
タングステン鋼製ダイでサンプル８を９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行ってサンプル１６を得るとともに、銅ジルコニウムナノ析出物が見られた。

比較実施例１
粒径１００メッシュ、純度９９．５％の銅粉末９７ｇ、粒径３２５メッシュ、純度９９．９％のジルコニウム粉末３ｇを混合した後、タングステン鋼製ダイで９５０℃、３０ＭＰａで４時間真空熱間プレスし、熱処理および時効処理を行って、比較サンプル１を得た。比較サンプル1のナノ析出物をＥＤＳ成分分析して、Ｃｕ８０．７６原子％、Ｚｒ１９．２４原子％を得た。このボールミルを経ていない比較サンプル１の試料片をＥＤＳ成分分析すると、成分分布に極めてムラがある問題があり、かつナノ析出物が局所領域に集中していることが分かった。

＜成分均一性実験＞
成分均一性実験は、直径約３ｃｍの熱間プレス後に、熱処理と時効処理を行ったサンプルの四辺及び中央の各一点でＥＤＳ成分分析を行い、異なる位置の銅、ジルコニウム含有量の分布から、サンプル全体での金属含有量の均一性を確認した。

実施例１７
サンプル９のＥＤＳ成分分析による均一性実験の結果は表２のとおりであり、サンプル中の銅ジルコニウム成分の均一性は劣る。

実施例１８
サンプル１０のＥＤＳ成分分析による均一性実験の結果は表３のとおりであり、サンプル中に銅ジルコニウム成分は均一に分布している。

実施例１９
サンプル１１のＥＤＳ成分分析による均一性実験の結果は表４のとおりであり、銅ジルコニウム成分はサンプル中に均一に分布している。

比較実施例２
比較サンプル１のＥＤＳ成分分析による均一性実験の結果は表５のとおりであり、サンプル中の銅ジルコニウム成分の分布にはムラがある。

表２～表５を参照すると、本発明の上記実施形態の結果によれば、ボールミルを行わずに熱間プレスした後熱処理および時効処理を行ったサンプルは、ボールミルを行った後のサンプルより均一性がはるかに劣る。ボールミル時間が２０時間未満であると、熱間プレス後に熱処理および時効処理を行っても成分分布が不均一となる問題が存在する

＜物理的性質および機械的性質の測定＞
引張強度は、５トンの静的油圧試験機（インストロン社製）により測定した。

実施例２０
サンプル９～１１および比較サンプル1について、導電性、硬度、および引張強度を試験した結果を表６に示す。２０時間のボールミル後に熱間プレスを経て熱処理および時効処理を行ったサンプルは高い引張強度と高い硬度を得られた。

実施例２１
サンプル１１～１３、１５～１６について、熱伝導率、硬度、引張強度を測定した結果を表７に示す。ジルコニウム含有量の添加に伴い、ナノ析出物の析出量が増大し、合金材料の引張強度および硬度も伴って増大するが、熱伝導の機能は低下せず、その熱伝達率は依然として工業的応用範囲内である。

＜圧延試験＞
実施例２２
サンプル１１を圧延して厚さ０．０９ｍｍのシート材を得た。

実施例２３
サンプル１５を圧延して厚さ０．０５ｍｍのシート材を得た。

圧延試験と表７の結果から、本発明の銅ジルコニウム合金放熱部品は、厚さが極薄であっても良好な放熱効果が得られるだけでなく、引張強度も著しく向上することがわかる。

以上のように、本発明によって提案される銅ジルコニウム合金放熱部品の製造方法によって得られる銅ジルコニウム合金は、高い硬度と同時に、高い熱伝導率、高い引張強度および高い延性を有し、そして放熱部品としての加工に好ましい。また放熱部品が小型化されても、それでもなお良好な放熱機能を維持しながら部品の損傷、変形または歪みを引き起こさない。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

１００銅ジルコニウム合金放熱部品
１０２銅ジルコニウム合金ケーシング
１０２ａ内壁
１０４毛細管構造層
Ｓ２００、Ｓ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０６ステップ
T1 銅ジルコニウム合金放熱部品の厚さ
T2 銅ジルコニウム合金ケーシングの厚さ

Claims

銅粉末と、ジルコニウム粉末とを、前記銅粉末と前記ジルコニウム粉末との合計重量に対して前記ジルコニウム粉末の添加量が０．５ｗｔ％超え５．０ｗｔ％未満で混合し、少なくとも２０時間ボールミルを行って、合金粉末を形成し、
前記合金粉末を９３０℃～９６０℃の温度および３０ＭＰａの圧力で２～４時間の真空熱間プレス成形して、バルク材を形成し、
前記バルク材に対して、９３０℃～９６０℃の温度で１～２時間の熱処理および４５０℃～５５０℃の温度で２～４時間の時効処理を行い、１５～２０原子％のジルコニウムを含むナノ銅ジルコニウム析出物を含むバルク材を得て、
前記バルク材に圧延処理を行うことを特徴とする、
銅ジルコニウム合金ケーシングの製造方法。
前記ジルコニウム粉末の粒径が、前記銅粉末の粒径よりも小さい、請求項１に記載の製造方法。
前記ボールミルをアルゴン雰囲気下で行う、請求項１または２に記載の製造方法。
前記ボールミル時間が少なくとも３０時間である、請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
前記圧延処理後の前記バルク材の厚さが≦０．１ｍｍである、請求項１から４のいずれか１項に記載の製造方法。