JPH08239219A - タングステン−銅複合酸化物の製造方法 - Google Patents

タングステン−銅複合酸化物の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応成分の非微粉砕混合物からW−Cu複合
酸化物を製造するための方法を提供すること。 【解決手段】 所定量のタングステン酸アンモニウムと
所定量の銅の酸化物又は水酸化物とを混合物を形成させ
るために微粉砕することなく一緒にする、タングステン
−銅複合酸化物の製造方法。非微粉砕混合物は次いで脱
水され、タングステン−銅複合酸化物を生成させるのに
充分な温度においてタングステン−銅複合酸化物を生成
させるのに充分な時間焼成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、タングステン−
銅擬合金(pseudoalloy) の製造に関する。より特定的に
は、この発明は、タングステン−銅擬合金の製造のため
の先駆体物質としてのタングステン−銅複合酸化物の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】タングステン−銅(W−Cu)擬合金
は、電気的接触材料及び電極として用いられている。W
−Cu擬合金の製造のための基本的な方法には、多孔質
タングステン骨格の液状銅による浸透(infiltratio
n)、タングステン及び銅の粉体のブレンドのホットプ
レス、並びに液相焼結、再圧縮(repressing)、爆発圧
縮等を組み込んだ様々な技術がある。W−Cu擬合金の
理論密度又はその付近にある該擬合金から物品を製造す
ることができることが望ましい。擬合金は、密度が高け
れば高いほど、改善された機械的性質を有することに加
えて、より高い熱伝導性を有し、この高い熱伝導性は、
エレクトロニクス産業のための冷却用放熱器材料として
のW−Cu擬合金の用途にとって重要である。
【0003】高密度W−Cu擬合金を製造するための一
つの方法は、超微細W−Cu複合粉体を液相焼結するこ
とから成る。このような複合粉体は、例えばタングステ
ン及び銅の酸化物のブレンドの水素同時還元によって製
造することができる。別の方法は、タングステン酸銅の
直接還元である。タングステン酸銅の直接水素還元はW
−Cu擬合金に高い度合いの相分散及び均質性を付与
し、より優れた熱機械的性質をもたらすということが証
明されている。この理由は、タングステン酸銅が、銅と
タングステンとが原子レベルで互いに混合される冶金学
的環境を提供するからである。
【0004】銅タングステン青銅{Cux WO3 (x=
0.26、0.34及び0.77)の形の非化学量論的
W−Cu複合酸化物}、タングステン酸第二銅(CuW
4)、タングステン酸第一銅(Cu2 WO4 )及びオ
ルトタングステン酸銅(Cu3 WO4 )を含めて、数多
くのCu−W−OシステムのW−Cu複合酸化物があ
る。これらの複合酸化物の銅含有率は、産業にとって特
に興味深いW−Cu擬合金においては、10〜50重量
%の銅範囲に及ぶ。この点に対する研究の殆どは、タン
グステン酸第二銅(CuWO4 )を還元してW−Cu擬
合金を形成させることに集中している。これは、タング
ステン酸第二銅の相対銅含有率(即ちタングステンに対
する銅含有率)の25.7重量%が技術的に重要な範囲
のほぼ真ん中にあるためだと思われる。複合酸化物の相
対銅含有率の10〜25%の範囲における調節は、WO
3 をCuWO4 に添加することによって達成することが
できる。
【0005】CuWO4 を生成させるための一つの技術
は、CuSo4 ・5H2 O及びNa2 WO4 又はH2
4 及びCuCO3 ・Cu(OH)2 の水性溶液からの
水和タングステン酸塩の液沈殿を伴う。しかしながら、
沈殿したタングステン酸塩の還元から得られるW−Cu
擬合金粉体は圧縮するのが困難であり、従って焼結した
擬合金の密度が低いということがわかっている。さら
に、溶液沈殿法は時間がかかり、湿式冶金学的パラメー
ターを制御するのが難しい。
【0006】別の技術は、等モル割合のCuO及びWO
3 の緊密混合物を焼成することによるCuWO4 の固相
合成を伴う(タングステン酸第二銅はCuO・WO3
書くこともできる)。この技術によって製造されたタン
グステン酸第二銅を還元することによって得られるW−
Cu擬合金粉体は、均一の相の分布並びに所望の圧縮及
び焼結性を示す。しかしながら、拡散距離を減少させ且
つ固体状態反応を強化するためには、焼成前にCuO/
WO3 混合物を微粉砕(mill)して緊密混合物を形成さ
せることが必要である。このような緊密混合物は、反応
成分を硬質金属又はセラミック微粉砕(milling) 媒体に
よって乾式又は湿式微粉砕することによって達成され
る。残念ながら、機械的な衝撃及び摩擦のエネルギーが
微粉砕媒体の腐食及び微粉砕される物質の汚染を引き起
こすことは避けられない。湿式微粉砕はさらに反応成分
と微粉砕媒体との間の望ましくない化学反応を促進する
ことがあり、それによって混合物の汚染が増す。微粉砕
工程からの反応成分混合物の汚染は冷却用放熱器材料と
してのW−Cu擬合金の使用をひどく害することがあ
る。従って、微粉砕工程は汚染の危険性を増大させ且つ
製造プロセスに別の工程を追加させるので、緊密混合物
を形成させるために反応成分を微粉砕する必要なしに同
様の特徴を有するW−Cu複合酸化物粉体を製造する方
法を得ることが望ましいだろう。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術の欠点を回避することにある。本発明の別の目的
は、反応成分の非微粉砕(unmilled)(微粉砕されてい
ないこと)混合物からW−Cu複合酸化物を製造する方
法を提供することにある。本発明のさらなる目的は、焼
成の際に反応成分を混合することなく固定床中でW−C
u複合酸化物を製造するための方法を提供することにあ
る。本発明のさらなる目的は、広い範囲の反応成分粒子
寸法を許容し得るW−Cu複合酸化物の製造方法を提供
することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】発明の概要 本発明の一つの局面に従えば、所定量のタングステン酸
アンモニウムと所定量の銅の酸化物又は水酸化物とをブ
レンドして非微粉砕混合物を形成させる工程、この非微
粉砕混合物を脱水する工程、並びにこの非微粉砕混合物
をタングステン−銅複合酸化物を生成させるのに充分な
温度においてタングステン−銅複合酸化物を生成させる
のに充分な時間焼成する工程を含む、タングステン−銅
複合酸化物の製造方法が提供される。
【0009】本発明の別の局面に従えば、所定量のタン
グステン酸アンモニウムと所定量の銅の酸化物又は水酸
化物とをブレンドして脱水温度を有する非微粉砕混合物
を形成させる工程、この非微粉砕混合物の脱水温度より
も低い温度を有する炉の中にこの非微粉砕混合物の床を
形成させる工程、炉の温度をタングステン−銅複合酸化
物を生成させるのに充分な温度に上昇させる工程(この
際、炉の温度は、タングステン−銅複合酸化物が生成す
る前に非微粉砕混合物が脱水されるのを可能にするのに
充分な速度で上昇させる)並びにこの非微粉砕混合物を
タングステン−銅複合酸化物を生成させるのに充分な温
度においてタングステン−銅複合酸化物粉体を形成させ
るのに充分な時間焼成する工程を含む、タングステン−
銅複合酸化物の製造方法が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】好ましい具体例の説明 本発明を本発明のその他の目的、利点及び可能性と共に
より一層よく理解するためには、以下の開示及び特許請
求の範囲が参照される。
【0011】本発明者らは、固体状態反応においてタン
グステン源としてタングステン酸アンモニウムを用いる
ことによって、緊密混合物を形成させるために反応成分
を初めに微粉砕することなしにW−Cu複合酸化物を生
成させることができるということを見出した。タングス
テン酸アンモニウムを含有する非微粉砕混合物は、WO
3 とCuOとの慣用の微粉砕混合物からW−Cu複合酸
化物を製造するのに必要なものと同じ時間及び温度条件
下で焼成することができる。微粉砕工程がないというこ
とは、反応成分混合物の汚染の可能性を低減させ、従っ
てW−Cu複合酸化物及び続いて生成する擬合金の汚染
の可能性を低減させる。さらに、本発明者らは、反応に
おける銅源として水酸化第二銅Cu(OH)2 を用いた
場合には、タングステン源について広い範囲の粒子寸法
が許容され得るということを見出した。このことは、反
応成分の選択対象がより大きくなるので、プロセスをよ
り経済的なものにする傾向がある。
【0012】パラタングステン酸アンモニウム(AP
T)10NH4 5O・12WO3 ・5H2 O及びメタタ
ングステン酸(AMT)6NH4 3O・12WO3 ・x
2 O(ここで、xは0.75〜1.25である)の2
つのタングステン酸アンモニウムが特に興味深い。これ
らのタングステン酸塩は共に米国ペンシルベニア州トワ
ンダ所在のオスラム・シルバニア・インコーポレイテッ
ドから商品として入手できる。これらのタングステン酸
アンモニウムの水和度及びアンモニア含有率は変化する
が、これらのタングステン酸塩は共に250℃以上の温
度において完全に分解して三酸化タングステンWO3
水及びアンモニアになる。APT又はAMTと銅の酸化
物又は水酸化物例えばCuO、Cu2 O又はCu(O
H)2 との非微粉砕機械的ブレンドは、制御された熱処
理に付すことができ、これによってタングステン酸塩か
ら水及びアンモニアが失われ(且つ銅の水酸化物を用い
た場合にはこの銅の水酸化物から水が失われ)且つ80
0℃においてW−Cu複合酸化物が高収率で直接合成さ
れる。反応成分の非微粉砕混合物を用いることができる
のは、タングステン酸アンモニウムの熱分解から製造さ
れたばかりのWO3 の高い反応性が有効に利用されるこ
との結果であると信じられる。この高い反応性は製造さ
れたばかりのWO3 の高い表面積及び表面エネルギーか
らもたらされると信じられる。例えば、APTの表面積
は450℃に加熱した後には0.37m2/gから6.
0m2 /gに劇的に増大する。また、775℃において
単斜晶から正方晶へと異性相転移することのためにWO
3 から得られる追加の反応性もあると信じられる。従っ
て、追加の反応性の利点を得るために、できるだけ相転
移の近くで固体状態合成を実施することが望ましいだろ
う。
【0013】反応成分の非微粉砕混合物は、反応成分を
機械的にブレンドするための標準的なブレンド用装置を
用いて形成させることができる(V−ブレンダーが好ま
しいタイプのブレンダーである)。20〜60分の範囲
のブレンド時間を用いたが、30分のブレンド時間が好
ましい。
【0014】反応成分の転化は空気中で実施される。非
微粉砕混合物は、溶融(fused) シリカのような耐火性材
料{又はインコネル(Inconel) のような高温合金}から
作られたトレー中に室温又はほぼ室温において装入さ
れ、炉中でゆっくり反応温度又は焼成温度に加熱され
る。適当な温度勾配を提供するために熱帯域を有する連
続ベルト式炉が好ましい。炉には、タングステン酸アン
モニウムの分解の際に放出されるアンモニアを中和する
ためのアンモニアスクラバーを追加するべきである。
【0015】非微粉砕反応成分混合物を脱水するために
は、混合物をゆっくり加熱することが必要である(本明
細書においてタングステン酸アンモニウム混合物に対し
て用いた場合の脱水とは、アンモニア及び水の放出を包
含する)。この混合物は、水及びアンモニアの迅速な放
出をもたらさない速度で脱水しなければならない。もし
も脱水が起こるのが迅速すぎると、反応成分の固定床が
乱れ、これは粒子間の距離を増大させ、固体状態合成を
妨害する。本発明者らは、混合物を加熱する速度がトレ
ー中の混合物の床深さに反比例することを見出した。約
0.25〜約1.0インチの範囲の床深さについては加
熱速度を毎分約5℃〜約1℃にすべきであるということ
が測定によってわかった。約0.5〜約0.75インチ
の床深さ及び約3℃〜約2℃/分の加熱速度が好まし
い。
【0016】ひとたび焼成温度に達したら、W−Cu複
合酸化物が生成するまで混合物をその温度に保つ。Cu
WO4 の場合には、反応成分のCuWO4 への少なくと
も96%の転化率を達成するためには約800℃におい
て約2時間反応成分を焼成すれば充分であることが測定
によってわかった。
【0017】
【実施例】以下、非限定的な実施例を示す。
【0018】例1〜4 タングステン酸アンモニウムと酸化銅との非微粉砕混合
物からタングステン酸第二銅CuWO4 を生成させた。
各種反応成分の量及びそれらの表面積を表1に与える。
APT及びAMT反応成分の量はタングステン酸塩のW
3 含有率を基準として決定し、それによってCuWO
4 生成の前のタングステン酸塩の熱分解からの水及びア
ンモニアの損失を補償した。反応成分の重量比は、Cu
WO4 の生成のための脱水の後に反応成分の化学量論的
比をもたらすように選択した。この例及び後の例におい
て用いたAMTは、一般式6NH4 3O・12WO3
2 Oを有していた。これらの例についての固体状態反
応を表2に示す。
【0019】反応成分をVブレンダー中で30分間混合
することによって反応成分のブレンドを形成させた。非
微粉砕反応成分混合物150〜200gの装入物を含有
させた溶融シリカトレーを、調節可能温度区画を有する
実験室用管状炉中に入れた。固定床中の物質の深さは約
3/4インチだった。このトレーを約2〜3℃/分の温
度上昇速度をもたらす速度で炉の帯域に通した。焼成温
度に達したら、トレーを800℃の焼成温度に2時間保
った。次いでこのトレーを放置冷却し、反応生成物をX
線回折によって検査して反応成分のCuWO4 への転化
率を確認した。反応成分のタングステン第二銅への転化
率を表1に与える。全ての場合において、緊密混合物を
形成させるために反応成分を微粉砕する必要なく、反応
成分のCuWO4 への殆ど完全な転化が達成された。
【0020】
【表1】
【表2】
【0021】例5〜10 5.0〜25.7%の範囲の複合酸化物中の相対銅含有
率を有する多くのW−Cu複合酸化物を調製した(2
5.7%複合酸化物はCuWO4 である)。メタタング
ステン酸アンモニウム(1.66m2 /g)及び酸化第
一銅Cu2 O(0.18m2 /g)を様々な比で互いに
ブレンドした。例1〜4と同様に非微粉砕混合物を調製
し、脱水し、焼成した。複合酸化物を生成させるために
用いた焼成条件は、775℃において2時間だった。各
複合酸化物についてのWO3 /CuWO4 の比をX線回
折技術を用いて測定した。W−Cu複合酸化物の比及び
表面積を表3に与える。反応生成物において検出された
酸化物相及びそれらの比は、用いた反応成分の量から計
算した期待される結果と一致した。
【0022】
【表3】
【0023】合成されたW−Cu複合酸化物の走査電子
顕微鏡写真によって、低いCuWO4 含有率を有する粉
体は中空球状構造を示すということが示された。この中
空球状形態はCuWO4 相の量が増加するにつれて漸次
減少した。高いCuWO4 含有率においては、球状形態
の全体的な崩壊及びCuWO4 結晶の形成が観察され
た。エネルギー分散X線分析(EDS)によって、合成
された複合酸化物の凝集物全体にWO3 相及びCuWO
4 相が均一に分散していることがわかった。二相の凝離
は何ら検出されなかった。従って、これらの単一の複合
酸化物を直接還元して、金属相の均質な分布を有する擬
合金を生成することができる。このことは、還元の前に
CuWO4 とWO3 とを機械的にブレンドすることによ
って類似の複合酸化物を製造する方法を越える改善であ
る。このような機械的なブレンドにおいては、擬合金中
の金属相の分布の均質性が低くなる傾向があり、擬合金
を生成させる方法に追加の工程が必要となる。
【0024】例11〜15 広範な粒子寸法を有するタングステン酸アンモニウムと
−325メッシュ寸法のCuO、Cu2 O又はCu(O
H)2 との非微粉砕混合物からタングステン酸第二銅C
uWO4 を製造した。例1におけるように反応成分をブ
レンドし、脱水し、焼成した。反応成分の量は、脱水の
間の水及びアンモニアの損失を補った後に等モル比をも
たらすように計算した。それぞれの非微粉砕混合物を8
00℃において2時間焼成した。表4に、反応成分の様
々な組合せについてのCuWO4への転化効率を示す。
【0025】
【表4】
【0026】表4から、水酸化第二銅がタングステン酸
アンモニウムとの反応のための最も広い適用性を有する
ことは明らかである。水酸化物を用いた反応は全て、複
合酸化物CuWO4 への高い転化度を示した。このよう
な汎用性は、反応成分物質の選択対象がより大きくなる
ので、W−Cu複合酸化物を製造するための方法を経済
的により望ましいものにする。
【0027】以上、現時点において本発明の好ましい実
施態様と考えられるものを説明したが、特許請求の範囲
に記載された本発明の範囲から逸脱することなく様々な
変更を為すことができるということは当業者には明白だ
ろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・エル・ホーク アメリカ合衆国ペンシルベニア州トワン ダ、ボックス353、アールアールナンバー 3 (72)発明者 ネルソン・イー・コーパツ アメリカ合衆国ペンシルベニア州セア、ス ティーブンソン・ストリート528

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定量のタングステン酸アンモニウムと
    所定量の銅の酸化物又は水酸化物とをブレンドして非微
    粉砕混合物を形成させる工程、この非微粉砕混合物を脱
    水する工程、並びにこの非微粉砕混合物をタングステン
    −銅複合酸化物を生成させるのに充分な温度においてタ
    ングステン−銅複合酸化物を生成させるのに充分な時間
    焼成する工程を含む、タングステン−銅複合酸化物の製
    造方法。
  2. 【請求項2】 混合物を空気中で焼成する、請求項1記
    載の方法。
  3. 【請求項3】 タングステン酸アンモニウムがパラタン
    グステン酸アンモニウム又はメタタングステン酸アンモ
    ニウムである、請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 銅の酸化物が酸化第二銅又は酸化第一銅
    であり且つ銅の水酸化物が水酸化第二銅Cu(OH)2
    である、請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】 混合物を約800℃において約2時間焼
    成する、請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 所定量のタングステン酸アンモニウムと
    所定量の銅の酸化物又は水酸化物とをブレンドして脱水
    温度を有する非微粉砕混合物を形成させる工程、この非
    微粉砕混合物の脱水温度よりも低い温度を有する炉の中
    にこの非微粉砕混合物の床を形成させる工程、炉の温度
    をタングステン−銅複合酸化物を生成させるのに充分な
    温度に上昇させる工程、並びにこの非微粉砕混合物をタ
    ングステン−銅複合酸化物を生成させるのに充分な温度
    においてタングステン−銅複合酸化物粉体を形成させる
    のに充分な時間焼成する工程を含み、 前記の炉の温度の上昇を、タングステン−銅複合酸化物
    が生成する前に非微粉砕混合物が脱水されるのを可能に
    するのに充分な速度で行なう、タングステン−銅複合酸
    化物の製造方法。
  7. 【請求項7】 混合物を空気中で焼成する、請求項6記
    載の方法。
  8. 【請求項8】 タングステン酸アンモニウムがパラタン
    グステン酸アンモニウム又はメタタングステン酸アンモ
    ニウムである、請求項6記載の方法。
  9. 【請求項9】 銅の酸化物が酸化第二銅又は酸化第一銅
    であり且つ銅の水酸化物が水酸化第二銅Cu(OH)2
    である、請求項6記載の方法。
  10. 【請求項10】 混合物を約800℃において約2時間
    焼成する、請求項6記載の方法。
  11. 【請求項11】 床が約0.25インチ〜約1.0イン
    チの範囲の床深さを有し且つ温度上昇の速度が毎分約5
    ℃〜約1℃の範囲である、請求項6記載の方法。
  12. 【請求項12】 床深さが約0.5インチ〜約0.75
    インチの範囲であり且つ温度上昇の速度が毎分約3℃〜
    約2℃の範囲である、請求項11記載の方法。
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