KR930005895B1 - 분산 강화된 비소결 분말 금속 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

분산 강화된 비소결 분말 금속 복합체 및 그 제조방법 Download PDF

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에스씨엠 메탈 프로덕츠, 인코포레이티드
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Abstract

내용 없음.

Description

분산 강화된 비소결 분말 금속 복합체 및 그 제조방법
제1도는 실시예 Ⅸ에 따라 처리된 순수구리/닐바(Nilvar) 50 : 50 혼합물을 보여주는 단면의 광학현미경사진.
제2도는 실시예 Ⅸ 따라 처리된 분산강화구리/닐바 50 : 50 혼합물을 보여주는 단면의 광학현미경 사진.
제3도는 실시예 Ⅹ에 따라 788℃(=1450℉) 및 871℃(=1600℉)에서 압출된 전기동/합금 42 복합체의 봉을 보여주는 사진.
제4도는 실시예 Ⅹ에 따라 788℃에서 압출된 제3도에 나타낸 전기동/합금 42봉의 종단면의 광학현미경사진.
제5도 및 제6도는 실시예 Ⅹ에 따라 각기 788℃ 및 871℃에서 압출된 봉을 선재로 인발했을때의 상태를 나타낸 사진.
제7도는 실시예 XI에 따라 각기 788℃와 871℃에서 압출된 분산강화구리/합금 42 복합체 봉을 보여주는 사진.
제8도는 실시예 XI에 따라 788℃에서 압출된 제7도의 봉의 종단면의 광학현미경 사진.
제9도는 2회 인발과정을 거친후의 제8도의 봉 및 최종선재를 보여주는 사진.
제10도는 실시예 Ⅳ에 따라 장방향 봉으로 압출하고 냉간압연한 후의 전기동/합금 42 복합체의 사진.
제11도는 실시예 Ⅴ에 따라 장방형 봉으로 압출하고 냉간압연한 후의 분산강화구리/합금 42 복합체의 사진.
제12도는 실시예 XⅣ에 따라 처리된 전기동/합금 42 복합체의 사진.
제13도는 실시예 XⅤ에 따라 처리된 분산강화구리/합금 42 복합체의 사진.
본 발명은 분말야금 분야에 관한 것으로 그 금속성분중 하나가 미리 형성된 분산강화금속 예컨대 분산강화구리이며, 두번째 성분이 복합금속에 필요한 기계적 또는 물리적 성질 예컨대 낮은 열팽창율을 부여할 수 있는 상이한 금속 또는 금속합금으로 되어 있어, 그로 인해 높은 전기전도성과 함께 특징적인 기계적, 물리적 성질을 쉽게 얻을 수 있는 금속 복합체에 관한 것이다.
본 발명의 복합체는 열간등압압축성형(pressing), 압출, 스웨이징, 또는 압연이나 그들을 조합 사용하여 제조된 압밀체(consolidates)로서 빌릿(billet), 스트립, 봉, 관, 선재등의 형태를 갖고 있다. 이들 복합체는 종래의 복합체에서는 얻어지기 어려운 전기적 성질을 물론 광범위한 기계적, 열적, 자기적 성질 및 경도등의 성질을 갖도록 제조될 수 있다.
본 발명은 비교적 우수한 전기 및 열전도성과 예컨대 낮은 열팽창율 또는 높은 경도 또는 높은 내마모성, 자기특성 등을 가진 재료를 제공하는데 그 주목적이 있다. 이들 목적은 (a) 미리 형성된 분산강화금속, 예컨대 전기저항율이 8×10-6Ω-㎝ 이하인 분산강화구리, 은 또는 알루미늄의 분말과, (b) 그와는 상이한 경질금속 또는 경질합금, 예컨대 20℃에서 10×106/℃ 이하의 낮은 열팽창율을 갖고 있는 경질금속이나 또는 예컨대 30-55중량 %의 니켈을 함유하고, 망간, 규소 및 탄소등과 같은 소량의 첨가제를 함유하고 있는 철-니켈 합금의 분말을 혼합한 후 소결단계없이 실질적으로 치밀한 상태로 기계적으로 압축함으로써 성취될 수 있다. 여기서 사용된 "미리 형성된"이란 용어는 분산강화금속을 성분(b)와 혼합하기에 앞서 분산강화금속분말로서 사용하는 것을 의미한다.
분산강화금속은 이미 잘 알려져 있다. 참고문헌으로 나드카르니등(Nadkarni et al)의 미합중국 특허 제3,779,714호를 들 수 있으며, 이 특허에는 분산강화금속으로서의 구리와 분산강화금속의 제법이 설명되어 있다. 미합중국 특허 제3,779,714호의 내용을 여기 참고로 삽입한다. 이 특허에서 분산강화구리(이후 "DSC"로 칭함)은 매트릭스 금속으로서의 구리와 용질금속을 형성하는 내열성 산화물인 알루미늄으로된 합금을 형성시켜 제조된다. 용질금속 0.01-5중량 %를 함유하는 합금은 분무화법(미합중국 특허 제4,170,466호 참조)이나 통상적인 입자크기 감소법으로 입자크기 약 300μ 이하, 바람직하게는 5-100μ으로 잘게 분쇄된 다음 산화제와 혼합된다. 이어서 생성된 합금 분말 산화제 혼합물을 열처리하기에 앞서 압축하거나 또는 산화제를 분해하기에 충분한 온도로 가열하여 산소를 생성하고 용질금속을 내적으로 산화시켜 원위치에 매트릭스 금속중에 내열성 산화물 예컨대 알루미나를 아주 미세하고 균일하게 분산시킨다. 그런 다음 미리형성된 분산강화금속을 분말로서 수집하거나, 또는 입자크기 감소과정을 거쳐 입자크기 20메쉬 내지 1미크론 이하의 크기를 가진 분말을 얻는다. 또한 분말혼합물을 40-100시간 동안 장시간 볼밀(ball mill)가공하는 것에 의해 매트릭스 금속과 용질금속의 기계적 합금화를 내부산화에 앞서 실시할 수도 있다.
분산강화는 밀폐 캔이나 용기(미합중국 특허 제3,884,676호 참조)에서 수행될 수 있다. 합금분말은 분산강화에 앞서 재결정화될 수 있다(미합중국 특허 제3,893,844호 및 4,077,816호). 그밖의 방법들이 미합중국 특허 제4,274,873호 : 제4,315,770호 및 제4,315,777호에 공지되어 있다. 상기한 미합중국 특허들 모두의 내용을 참고로 본 명세서중에 인용하였다. 이들 특허의 특허권자는 본 출원인과 동일하다.
낮은 열챙창 특성과 낮은 저항율을 갖고 있는 금속분말 복합체가 공지되어 있다.
예로서, 미합중국 특허 제4,158,719호(프란츠에게 특허)를 참조로 할 것 같으면, 이 특허에서 복합체는, 두 종류의 분말의 혼합물, 즉 그 하나는 낮은 열팽창율을 가진 분말이고, 다른것은 높은 열전도율을 가진 분말인데, 이들의 혼합물을 압축하여 생성된다. 이러한 복합체는 본 발명의 생성물과 같이 집적회로 칩에 사용되는 리이드프레임을 만드는데 유용하다. 상기 프란츠에게 허여된 미합중국 특허의 복합체는 분말들을 혼합한 후 생압분체로 성형하고, 소결한 다음 일정크기로 압연하여 제조된다. 낮은 열팽창율을 가진 합금은 45-70%의 철과, 20-55%의 니켈 및 25% 이하의 코발트 5% 이하의 크롬으로 되어 있다. 열전도성이 높은 금속은 철, 구리 또는 니켈이다. 이들 금속은 어떤금속도 분산강화되고 있지 않다. 36% Ni와 나머지 Fe를 함유하며, Mn, Si 및 C가 전체 1% 이하인 니켈/철 합금은 "닐바 (Nilvar)" 또는 "합금 36"으로 알려져 있다. 42% Ni와 나머지 Fe를 함유하며, Mn, Si 및 C가 총 1% 이하인 니켈/철 합금은 "인바아(Invar)"로 알려져 있다. 이것은 또한 "합금 42"로도 알려져 있다. 46% 니켈과 나머지 Fe를 함유하며 Mn, Si 및 C가 총 1% 이하인 니켈/철 합금은 "합금 46"으로 알려져 있다. 유사하게 합금 50 및 52는 각기 50% Ni 및 52% Ni과 나머지가 Fe로 되어있는 합금이다.
종래 기술의 소결복합체와 본 발명의 비소결복합체 각각의 성질을 연구하였다.
DSC와 구리와 각기 (1) 36% Ni/64% Fe 및 (2) 42% Ni/58% Fe 인바아(Invar)형의 합금으로부터 각기 복합체 스트립과 선재를 제조한다. 분말들을 50 : 50으로 혼합한 다음 각각의 방법에 따라 각 복합체를 형성하였다. DSC 인바아(Invar)합금으로 만든 복합체는 높은 강도와 고온에 노출시킨 후 우수한 강도유지성을 갖고 있다. 종래기술의 재료인 철과 합금(1) 및 철과 합금(2)로 이루어지는 재료는 합금(1) 또는 합금(2)와 구리로된 재료보다 더 높은 강도를 나타냈으나, 전기전도성이 감소되었다.
구리복합체로 높은 강도를 얻기 위해 종래기술은 전기전도성을 크게 감소시키는 미세한 분말을 사용해야 했다. 입자가 굵은 구리분말을 사용하면 높은 전도성을 얻을 수 있으나 강도가 낮다.
종래기술의 또 다른예가 미합중국 특허 제4,366,065호(베르그만 등에게 특허됨)에 소개되어 있다. 이 특허는 분말야금법으로 복합재료를 제조하는 것에 대해 설명하고 있으며, 여기서 그 내부 및 표면이 산소로 오염된 적어도 하나의 체심입방 금속으로 구성된 출발물질을 산소에 대해 더 큰 결합엔탈피를 가진 분말형태 또는 합금상태의 덜귀한 금속인 보조성분과 혼합하고, 이로써 산소오염물이 내적 고상환원에 의해 보조성분(알루미늄)에 결합되게 한다. 이어 복합체를 적어도 하나의 방향으로 변형시켜 리본이나 그의 섬유상으로 생성한다. 니오븀-구리는 알루미늄과 더불어 사용하는 경우의 산소게터(getter)로서 예시되어 있다.
순수 구리와는 달리 DSC를 사용함으로써 얻는 주요한 이점은 DSC를 사용함으로써 두개의 주성분의 변형에 필요한 응력을 비상히 균형시킬 수 있다는데 있다. 이러한 균형에 의해 분말혼합물과 복합체를 동시에 열간 압출, 열간단조(hot forging), 냉간 또는 열간압연 및 냉간 또는 열간 스웨이징 하는 것이 가능하게 된다. 이런 가공을 받는 성분중 하나가 다른 것보다 더 경질은 경우 더 경질 성분의 입자는 변형되지 않은채 남게된다. 경질의 입자 주위나 입자위에 연성물질의 흐름이 있게되면 간극(void) 및 균열이 형성되게 되고 그 결과 구조가 취약해진다.
DSC는 강도가 변형되지 않거나 순순한 구리보다 더 큰 강도를 갖고 있기 때문에 예컨대 항복강도면에 볼때 경질금속과 균형이 취해질 수 있으며, 개개성분이 차지하고 있는 영역의 크기와 모양이 좀더 유사하게 된다. 가공응력을 일층 적합하게 함으로써 압출과 같은 하나의 열간 가공조작이나 스웨이징 또는 압연과 같은 복수의 크기 감소 조작들에서 분말혼합물을 충분히 치밀한 것으로 할 수 있다. 따라서, 소결이 불필요하다. 종래기술은 아주 고온에서(예컨대 구리에서는 1010℃(=1850℉), 철에서는 1260℃(=2300℉)) 두 단계의 소결공정을 이용하고 있다. 이들 온도는 두성분의 원자들의 상호확산이나 합금화를 촉진한다. 철 및/또는 니켈 또는 기타 금속들이 구리내로 확산되면 구리의 전기전도성이 저하되며, 역으로 구리를 경질금속내로 확산시키면 그 열팽창율에 나쁜영향을 미친다.
본 발명을 실시하는데 사용되는 온도는 종래방법에서 사용되는 소결온도 이하이며, 주요성분들 사이의 합금화나 원자들의 상호확산이 감소된다. 소결 시간을 3분에서 60분으로 증가시키면 전기저항율이 35-98 mΩ-㎝까지 크게 증가됨을 선행기술로부터 명백히 알 수 있다(미합중국 특허 제4,158,719호의 실시예 4 및 6과 실시예 5 및 7 참조). 달리 표현하면, 전기전도성이 크게 감소되었다. 이 저항율 또는 전도성의 변화는 구리 및 니켈(예컨대 인바아(Invar)(합금 42))로부터의 상호확산이 심각한 문제가 됨을 나타내준다.
구리 또는 구리합금 대신 DSC를 사용하게 되면 분산된 내열성 산화물 예컨대 Al2O3가 확산억제제 또는 차단제 역할을 하기때문에 이런 상호확산을 저지할 수 있게된다. DSC(AL 15)는 90-92%의 IACS의 전기전도율을 가지며, 50,000psi의 어니일링 항복강도를 갖는다.
흥미를 끄는 그밖의 특허에는 맥키브 등에 허여된 미합중국 특허 제2,853,401호가 포함되며, 여기에는 금속을 내열성 경질금속의 탄화물, 붕화물, 질화물 또는 규화물의 미세입자상에 화학적으로 석출시켜 복합분발을 형성한 후 분말을 압출하는 방법이 소개되어 있다. 하슬러의 미합중국 특허 제4,032,301호에는 높은 전기전도성을 가진 예컨대 구리와 같은 금속과 높은 융점을 가진 예컨대 크롬과 같은 금속의 혼합분말을 압축하고 소결하여 생성한 진공스위치에 사용되는 접점재료가 공지되어 있다. 반토브스키의 미합중국 특허 제4,139,378호는 소량의 코발트를 첨가하여 개량한 황동분말의 압출체에 관한 것이다. 이 압출체는 소결한 것이다. 캐들 등의 미합중국 특허 제4,192,234호에는 적어도 약 60%의 크롬, 철, 규소, 붕소, 탄소 및 니켈로된 전구 합금분말과 구리분말을 혼합하고, 이 혼합물을 압축하고 1050-1100℃에서 소결하여 구리와 니켈합금이 서로 부분적으로 용해되도록 한 것이 공지되어 있다.
본 발명은 특히 미리 형성된 분산강화금속 예컨대 DSC, 분산강화알루미늄 또는 분산강화은을 이용했다는 점에서 특히 종래기술과는 구별된다. 본 발명의 생성물은 비교적 높은 전기전도성을 갖고 있는 것외에 종래기술의 복합체가 갖지 못한 향상된 기계적 성질을 갖고 있다. 이 재료는 소결단계를 거치지 않고 충분한 밀도로 압축될 수 있다.
요약하면 본 발명은 그 안에 불연속적인 내열성 금속산화물의 미세입자가 분산되어 있는 금속 또는 금속합금 매트릭스와 이와 상이한 금속 또는 금속합금, 바람직하게는 20℃에서 10×10-6/℃ 이하의 팽창율을 갖고 있는 경질금속 또는 경질금속 합금의 불연속적인 조대입자로 구성된 실질적으로 충분히 치밀한 복합체에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 말하면 본 발명은 그 속에 경질금속 또는 경질금속 합금 예컨대 인바아(Invar), 닐바(Nilvar) 코바르(Kovar), 텅스켄, 몰리브덴의 불연속 입자가 분산된 분산강화구리로 된 치밀한 복합체에 관한 것이다. 분산강화구리는 니켈 합금과는 어느정도의 합금화를 발생할 수 있으나 텅스텐 및 몰리브덴과는 실질적으로 합금화를 발생하지 않으며, 합금화의 정도는 이들 원소 또는 합금이 순수 구리에 대한 정도보다 적다. 본 발명의 생성물은 우수한 전기 및 열전도성과 상이한 금속 또는 금속합금의 또다른 기계적 또는 물리적성질 예컨대 낮은 열팽창율을 가지는 것을 특징으로 한다. 낮은 열팽창율을 갖고 있는 생성물들은 반도체 및 집적회로용의 리이드프레임 및 전구의 리이드선 제작시 특히 유용하다. 기타 높은 강도, 높은 내마모성 또는 자기성질을 가지는 것을 특징으로 하는 복합체들을 포함한다. 본 발명은 또한 (a) 분산강화금속 분말과 (b) 분말 경질금속 또는 경질금속합금을 (a)와 (b)사이의 합금화를 최소화 하기에 충분히 낮은 온도에서 치밀화함을 특징으로 하는 그런 복합체를 제조하는 방법도 포함한다.
첨부된 도면은 본 발명을 좀더 잘 이해하고 잘 설명하기 위해 또는 본 발명의 결과를 종래기술의 결과와 비교하기 위해 나타낸 사진이나 광학현미경 사진이다.
상기 설명한 바와 같이 복합금속계에는 두개의 주요성분이 있다. 이들은 (a) 매트릭스 금속중에 균일하게 분산되어 있으며, 바람직하게는 상기한 미합중국 특허 제3,799,714호에 설명되어 있는 바와 같은 내부 산화법에 의해 제조된 내열성 금속산화물의 불연속 미세입자, 즉 0.1μ 이하의 입자를 가지는 고전도성분산 강화금속 및 (b) 이와는 상이한 종류의 금속 또는 금속합금으로된 예컨대 크기 1μ 이상의 불연속적인 조대 입자들로 되어 있다. 편리하게 본 발명을 (a) 그 안에 균일하게 분산되어 있는 산화알루미늄의 미세입자를 함유하고 있으며, 알루미늄과 구리의 합금으로부터 알루미늄의 내부산화에 의해 제조된 분산강화구리 및 (b) 낮은 열팽창율을 갖고 있는 니켈/철 합금 예컨대 인바아(Invar)에 대해 상세히 설명할 예정이다. 그러나, 본 발명은 동일하게 다른 분산강화금속 예컨대 분산강화은, 알루미늄 등 및 황동, 청동등과 같은 구리합금과 낮은 팽창율을 갖고 있는 기타 금속이나 금속합금이나 금속간화합물(예 : 사마륨/코발트)에도 같은식으로 적용할 수 있다. 여기서 사용된 "합금"이란 용어는 금속간 화합물을 포함하는 것이다.
"글리드콥"(Glidcop)(SCM 코오포레이션의 등록상표) DSC는 여러종류의 다른 등급으로 분말형태로 만들어졌으며, Al2O3의 초현미경적 입자가 분산한 구리 매트릭스에 의해 구성된다. 여기서 Al2O3의 양은 0.3중량 %(AL 15), 0.4중량 %(AL 20), 0.7중량 %(AL 35), 1.1량 %(AL 60)이다. 이는 알루미늄을 0.15-0.6중량 % 함유한 것에 해당된다. 이런 물질들은 각기 CDA넘버가 C15715, C15720, C15735 및 C15960이다. 내열성 금속 산화물은 용질금속, 예를들면 산화제 분말과 혼합되어 내부 산화되기 전에 구리금속내에 합금화되어 있는 알루미늄의 내부산화에 의해 아주 균일하게 분산된다. 내부산화로부터 생성된 산화 알루미늄 입자는 산재되어 있으며, 0.1μ 이하 일반적으로 약 100A의 크기를 가지며, 따라서 "미세입자"라 불리운다. 인바아 형태의 합금은 철-니켈계의 합금으로 니켈 함량이 30-55중량 % 범위이며, 망간, 규소, 탄소 같은 부차적인 첨가제나 불순물 1중량% 이하를 함유하며 나머지가 철로 되어 있다. 코바르 합금은 인바아 합금과 유사하며, 여기서는 니켈의 일부 또는 전부가 코발트로 치환되어 있으며, 대표적인 예로는 Ni 28%, Co 18%, 나머지가 Fe로 그밖에 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄, 니오븀등과 같은 경질금속이나 코발트와 철, 니켈과 크롬, 니켈과 몰리브덴, 크롬과 몰리브덴으로부터 형성된 경질금속 합금이나 금속간화합물(예컨대 텅스텐 카바이드) 또한 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다. 경질금속 또는 경질금속합금은 입자크기가 5-300미크론인 것이 바람직하며, 따라서 "조대입자"로 불리운다. DSC는 높은 인장강도 및 항복강도와 중정도의 연성 및 높은 전기전도율과 열전도율을 갖는다. DSC는 고온(예컨대 760℃-982℃)에 노출된 후에도 그들의 강도를 아주 잘 유지하며, 이런 성질은 다른 어떤 고전도성 구리합금에서도 발견되지 않았다. 하기 표 1은 통상 사용되는 DSC의 성질을 나타낸 것이다. DSC는 오직 분말야금기술에 의해서만 제조될 수 있음을 여기에 주목해야 한다.
일반적으로 (a)와 (b)의 상대적인 비율은 복합체의 바라는 최종적인 성질에 따라 결정된다. 광범위하게 성분(a)와 (b)는 용량비로 5 : 95-95 : 5의 비율로 사용되며, 25 : 75-75 : 25의 용량비가 가장 유용하게 사용된다. 이에 상응하는 중량비로도 물론 사용될 수 있다.
[표 1]
Figure kpo00001
니켈/철 합금인 인바아 형태의 합금은 낮은 전기 및 열전도율, 우수한 실온기계강도 및 특이하게 낮은 열팽창율을 갖고 있다. 이들 합금중 가장 많이 사용되는 등금의 성질을 표 1에 나타냈다. 이들 합금은 그들의 낮은 열팽창율이 유리 및 세라믹의 열팽창율과 잘 맞기때문에 유리-금속 또는 세라믹-금속의 밀봉에 널리 사용된다. 이들 합금은 종래는 용융야금법에 의해 제조되며, 단지 스트립상의 제품을 제조하는 경우는 공업적인 분말 야금법에 의해 제조된다.
표 1에 나타난 바와 같이 합금 42(Ni 42%를 함유하는 다른 니켈/철 합금)의 전기전도성은 구리 또는 구리합금과 비교시 아주낮다. 그러나 이들 합금은 그들의 낮은 열팽창율이 실리콘 칩의 열팽창계수 및 세라믹 포장 또는 밀봉체에 잘 부합되기 때문에 전자산업에서 리이드 프레임으로 사용된다. 전자산업에서 특히 에폭시 밀봉이 허용되는 경우 리이드 프레임용으로 구리 또는 구리합금을 사용한다. 구리 또는 구리합금 리이드 프레임을 사용하게 되면 구리의 높은 열 및 전기전도성 때문에 유익하다. 그러나 구리, 구리합금, 알루미늄 또는 은은 비교적 전도성은 높으나 높은 열팽창계수를 갖고 있다. 높은 열전도성은 사용도중 전자칩으로부터 열이 급히 소산되는데 도움을 준다. 현재, 리이드 프레임 제작시 스트립 재료를 선택하는데 있어서 열(및 전기)전도성이나 또는 실리콘 및 세라믹 성분과 열팽창율의 조화를 희생해야만 했다. 다른 연구자들에 의해 최적의 바라는 강도를 얻기위한 스텐레스강/구리 복합체를 개발하는 몇몇 시도가 있어왔다. 현재까지 이들 복합체는 산업분야에서 사용되고 있지는 않다.
본 발명은 높은 전기(및 열)전도성과 향상된 기계적 및/또는 물리적성질, 예컨대 낮은 열팽창율 모두를 가진, 경질금속 또는 경질금속 합금성분과 분산강화금속 성분의 복합체로 된 단일물질(재료)을 얻는 방법을 제공한다. 두 성분의 각각의 상대용량은 소망하는 성질의 특성의 조합을 얻기위해 변경할 수 있다. 본 출원에 제공된 실시예는 이런 성질들 몇몇을 보여주고 있다.
본 발명의 주요한 이점은 구리, 알루미늄, 은 등을 이용하는 수단 및 비교적 높은 전기 및/또는 열전도성을 가지면서 우수한 기계적 성질 예컨대 강도, 크기 안정성등을 갖고 있는 시스템을 제공하는데 있다. 일반적으로 이런 전도성금속과 상이한 종류의 금속을 혼합해주면 구리내로 이 금속이 확산되기 때문에 열 및/또는 전기전도성에 심한 손실을 가져온다. 본 발명의 경우는 분산강화 금속중에 아주 고도로 분산된 내열성 금속 산화물이 존재하기 때문에 전도성은 약간 감소하지만, 좀더 강도가 크고, 소결하지 않은 충분히 치밀한 전도성 성분을 얻을 수 있고, 이것은 두 성분이 고도로 합금화된 것 또는 상호 확산된 생성물과는 다른 복합구조로서, 두번째 금속 또는 금속합금 성분에 의해 향상된 기계적 성질을 가진다.
복합물질로 된 스트립을 제조하기 위해 적어도 2가지 방법을 시험하였으며, 만족한 것으로 나타냈다. 두 방법중 하나는 합금분말과 분산강화분말의 혼합물 예컨대 인바아형 합금과 DSC의 혼합물을 분말야금 압출하는 것이다. 압출은 구리빌릿 용기를 사용하여 수행할 수 있다. 이러한 빌릿 용기는 압출되는 복합체 물질의 봉 또는 스트립 상에 접합되며, 높은 전기전도성 면에서 볼때 유익하다.
또다른 만족스런 방법은 두 분말의 혼합물로 충전된 평평한 빌릿 용기를 압연하는 것이다. 빌릿 용기는 고 전기전도성이 유익하다고 생각되는 경우 압출법에서와 같이 구리로 만들어질 수 있다. 본원에 포함된 실시예는 상술의 스트립 생성물의 제조에 기초하고 있다.
본 발명은 또한, 주성분이 경질금속 또는 경질금속합금 예컨대 니켈/철합금과 DSC인 복합선재에 관한 것이다. 이런 조합의 이점은 낮은 열팽창율 또는 크기안정성, 및 높은 전기전도성과 열전도성이 얻어지는데 있다. 이런 두가지 성질들의 최적수준은 주어진 용도에 맞게 이 두성분의 상대용량을 적절히 선택함으로써 얻어질 수 있다. 이런 성질들의 조합이 바람직한 이유는 유리 또는 세라믹 성분에 의한 밀봉시일을 이루면서 동시에 단일의 재료로 높은 전기 및 열전도성을 얻기 때문이다. 전자산업에서 본 발명의 복합체가 다이오드 리이드 선으로 유용한 것을 인식하고 있다. 각종 전자부품에 사용되는 외에도 이런 선재는 "두우멧"(dumet)(42% Ni, 나머지 Fe)선과 DSC 리이드선 세그먼트의 양방을 대체할 수 있어 백열전구의 제작이 간단하게 된다. 현재, 전구의 리이드선은 서로 다른 3가지의 선재 세그먼트로 구성되어 있다. 리이드선의 텅스켄 필라멘트를 지지해주는 부분은 분산강화구리(또는 또다른 고온구리합금)선재로 만들어진다. 이 선재는 그 한끝이 텅스텐 필라멘트의 일단에 다른쪽 끝은 "두우멧"선 세그먼트위에 용착되어 있다. 두우멧선은 구리코팅(또는 도금)을 가진 인바아형 합금(42% Ni)으로 되어 있다. 두우멧선은 전구의 배기스템중을 통과하면 여기서 이것은 밀봉시일을 만들며, 그 다른쪽 끝은 전구의 단자에 연결된 순수한 구리선상에 용착된다.
이 3가지 선 세그먼트로서의 요구되는 사항이 서로 어느 정도 다르다. DSC 리이드선은 전류를 필리멘트에 유도함과 동시에 제조시 스템프레싱(유리 및 금속의 시일링) 조작중 그리고 사용중의 텅스텐 필라멘트 부근에 발생되는 고온에도 불구하고 그 기계적 강도를 유지하는 것이 필요하다. 두우멧선 세그먼트에 의해 리이드선이 적합한 팽창율을 가지는 유리스템 중에 기밀시일 될 수 있으며, 따라서 전구중에 봉입된 불활성 가스가 유지되고 또한 전류가 충분히 흐를수 있게된다. 구리선 세그먼트는 단자를 두우멧선 세그먼트에 연결시키며 단지 효율적인 전기도체이면 된다. DSC와 인바아 합금으로된 단일복합선재를 사용하면 리이드선 계통의 세가지 세그먼트의 모든 필요사항이 충족된다. 본 발명의 복합체로 된 리이드선 시스템의 전기저항율을 통상 사용되는 형태의 것과 비교한 결과를 다음에 설명한다. 통상 사용되는 세그먼트 구조를 여기 설명된 바와 같이 만든 단일 복합체로된 선으로 대치해주게 되면, 일방에서 두우멧선 세그먼트를 분산강화 구리선 세그먼트에 용착하고 다른쪽에 구리선을 용착시킬 필요가 없게된다.
DSC를 사용하는 것이 Cu-Zr 같은 다른구리 합금선재를 사용하는 것보다 바람직하며, 그 이유는 DSC선재가 텅스텐 필라멘트를 지지해주는 몰리브덴지지 선재를 사용할 필요가 없을 정도로 충분한 강성을 가지고 있기 때문이다. 이것은 본 발명의 복합체선재 계통을 사용하는 것에 의해 용이하게 실현되며, 이는 이것의 강도와 강성유지성이 DSC 리이드선과 유사하기 때문이다. 또한 니켈 도금을 실시하는 것 없이 새로운 전구가 제조될 수 있다. DSC내에 소량의 붕소를 사용함으로서 산소문제를 해결할 수 있다.
이 복합선재를 만드는 방법은 둥근막대를 압출한 다음 와이어 드로우잉하고, DSC 분말과 혼합물로 충전된 구리 또는 니켈관을 스웨이징한 다음 인발하는 것에 의해 이루어진다.
상기 지적한 바와 같이, 제1도와 2도는 모든 다른 요소를 동일하게한 경우의 충분히 치밀화한 순수한 구리복합체와 충분히 치밀화한 분산강화구리 복합체의 종단면의 동일배율에서의 광학현미경 사진이다. 각 도면에서 큰 입자(밝은 회색)은 경질금속이며, 어두운 부분은 각기 더 연성인 구리나 DSC이다. 제1도에는 중앙에 큰 입자가 있는데, 이것은 예컨대 순수한 구리와 닐바(Nilvar)의 경우에서와 같이 성분들의 경도에 최대불균형이 있을때 생기는 전형적인 결과이다. DSC의 경우가 성분들의 상대 경도는 서로 유사하며 제2도의 광학현미경 사진이 전형적인 예로서 DSC와 닐바가 고도로 산재되어 있음을 나타내준다. 제2도에서 성분들의 계면의 표면적이 제1도에서 보다 훨씬 더 큰것이 명백하다. 복합체에서 계면확산의 기회는 순수한 구리 복합체에서보다 DSC 복합체의 경우가 더 크게 된다. 잘 알려진 바와 같이 계면확산정도가 더 클수록 전도성은 더 낮게된다. 따라서 제1도의 복합체는 계면확산될 기회가 적기때문에 전도성이 더 높을 것으로 예상된다. 그러나 놀아웁게도 하기 표 8에 나타난 바와 같이 DSC 복합체의 전도성은 순수한 구리복합체의 전도성보다 더 높은 것을 알 수 있다. DSC 복합체의 기계적 강도 또한 순수한 구리복합체보다 우수하다.
입자들은 주로 불연속 상태로 있다. 두 경우 모두 경질금속과 구리 또는 DSC사이의 계면에서 상호 확산이 일어날 수 있다. 그러나 더 미세하게 분할된 분산강화금속 복합체의 경우 계면면적이 증가하고, 이에 따라 전기전도성이 저하하기 때문에 더 높은 상호확산이 발생할 것으로 예상되겠으나, 실제로는 그러하지 않았다. 내부산화로부터 생긴 고도로 분산된 미세립형상의 내열성 산화물이 상호확산 또는 합금화를 억제하며 장벽 역할을 하기 때문에 전기전도성이 유지되며, 동시에 혼합물의 법칙이 크게 작용하기 때문에 그로 인해 경질금속 또는 경질금속합금에 의해 형성된 기계적 성질이 최대로 유지되게 된다. 상호확산이나 합금화의 상대적인 정도는 아우거(Auger)분석으로 입증될 수 있다.
제4도와 8도 또한 상기한 바와 동일한 현상을 나타내준다.
제4도는 순수한 구리이며 제8도는 DSC이다.
제4도에서 경질금속합금입자(밝은 회색)은 실질적으로 변형되지 않았음을 주목해야 한다. 따라서 그 표면적은 변하지 않았다.
제8도에서는 경질금속합금의 실질적인 변형 및 섬유화가 일어났다. 이것은 계면의 표면적이 증대하며 상기한 바와 같이 각 성분들이 상호확산될 기회가 증가한다.
하기 실시예 1에는 현재 우리에게 알려진 본 발명의 최상의 구체예와 이런 구체예를 실시하는 최상의 방법이 설명되어 있다.
[실시예 1]
글리드콥(GlidCop)(AL 20) 분말, -80/+400메쉬(ewsh)로 스크린한 것 62g과 -80/+400메쉬로 스크린한 인바아(Invar)분말 186g을 완전히 혼합하였다. 인바아 합금분말의 화학조성은 니켈 42%, 망간 0.32%, 탄소 0.01%와 나머지가 철로 되어 있다. 혼합은 겹원뿔 혼합기(double cone blender)에서 30분간 수행했다. 외경 1/4", 길이 1/2"의 주입관을 갖고 있는 외경 1 3/8", 길이 2 1/4"인 용접 구리압출 성형관에 상기한 분말혼합물을 채워넣었다. 빌릿관의 충전과 개구부를 꼭 밀봉하고 분말이 충전된 빌릿을 843℃(=1550℉) 온도에서 질소분위기하의 로(furnace)내에서 45분간 가열하고 뜨거운 빌릿을 압출프레스내에서 장방형 단면을 가진 다이-인서어트를 사용하여 압출했다. 압출된 봉의 단면은 0.50"×0.188"로서 모서리가 둥글며, 압출비는 16 : 1이었다. 압출 다이의 예열온도는 900-50℉였으며, 압출압력은 45톤/in2이었다. 압출된 봉을 6"길이의 조각으로 잘랐다. 이들 조각중 하나를 켈빈브리지(kelvin bridge)(리즈앤 나르쓰럽 모델 제4306호(Leeds ＆ Narthrup Model #4306))을 사용하여 전기전도성을 측정하는데 사용했다. 나머지 조각들은 0.100"두께로 냉간 압연하고 그 크기에서 질소분위기하의 816℃(=1500℉)에서 30분간 어니일링 했다. 이들 스트립을 0.01"및 0.02"두께의 스트립으로 압연했다. 스트립 몇개는 질소분위기하의 788℃에서 다시 30분간 어니일링했다. 모든 스트립에 대해 ASTM 시편크기를 사용하여 인장시험을 했다. 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
[실시예 2]
여기서 사용한 방법은 압출빌릿을 인바아(Invar)(42% Ni) 분말로만 충전시킨 것을 제외하곤 실시예 1에서와 본질적으로 동일하다. 실시예 1에서와 동일한 화학조성과 메쉬의 인바아분말 250g을 사용했다. DSC나 어떤 다른 분말도 인바아분말과 혼합하지 않았다. 압출된 봉은 순수한 구리가 피복되어 있는 인바아의 코어(core)로 되어 있으며, 그 두께에서의 기계적 성질을 측정하기 위해 0.01"두께의 스트립으로 압연했다. 실시예 1에서와 같이 기계적 성질을 압출봉에 대해 측정했다. 이 시험결과를 하기 표 2에 나타냈다.
[실시예 3]
벽의 두께가 0.065"인 1 1/2"직경의 구리관을 압연하여 폭 2.0"×두께 0.6"×길이 12"크기를 가진 평평한 관으로 성형했다. 이 관을 인바아분말(42% Ni)(-80/+400메쉬부분)로 채우고 관의 양끝을 밀봉했다. 이어 관을 한번 실시할때마다 15%씩 두께를 감소시키면서 0.30"두께까지 냉간압연했다. 이 시점에서 빌릿을 질소분위기로 내에서 871℃에서 가열하고 한번 실시할때마다 25-20%씩 두께를 감소시키면서 열간압연했다. 빌릿을 4회의 열간압연하여 0.10"두께로 하였다. 이어 이 스트립을 0.05"두께로 냉간압연했다. 이 두께에서 인장시험을 했다. 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
[실시예 4]
여기서 사용한 방법은 압출빌릿 캔을 글리드콥 AL 20과 인바아 42% Ni 분말의 50-50혼합물로 충전시키는 것을 제외하곤 실시예 1에서와 본질적으로 동일하다. 입자크기가 -80/+400메쉬인 이들 두가지 분말을 각기 150g씩 사용했다. 압출된 봉을 0.030"두께의 스트립으로 압연했다. 두개의 시편에 대해 압연된 상태 또는 냉간압연된 상태에서의 기계적 강도를 검사했으며, 다른 시편들은 인장시험을 하기전에 질소분위기하 788℃에서 30분간 어니일링했다. 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다. 이 봉에 대한 전기전도성을 실시예 1에서와 같은 방법으로 측정했다.
[표 2]
Figure kpo00002
실시예 1로부터 얻은 시료의 전기전도성은 39.3% IACS 또는 4.4μΩ-㎝이며, 실시예 4시료의 전기전도성은 47% IACS 또는 3.7μΩ-㎝이었다.
*42% Ni, 나머지 철과 불순물
DSC와 인바아형합금 성분으로 만들어진 복합선재는 DSC보다 더 높은 탄성율을 가지고 있다. DSC의 탄성율은 16×106psi이다. 베릴륨-구리합금과 니켈 함유 구리합금의 경우를 제외하면 다른 구리합금은 17×106psi이하의 탄성율을 갖는다. 인바아형 합금의 탄성율은 24×106-29×106psi이다. 본 발명의 복합체 시스템에서는 탄성율이 혼합물의 법칙을 따르기 때문에 DSC와 인바아형 합금으로 구성된 시스템은 보통 18 내지 22×106psi범위의 탄성율을 가지며, 이것은 대부분의 구리합금의 탄성율보다 상당히 더 높은 것이다. 복합체가 DSC 하나로된 것보다 탄성율과 인장강도가 더 높기 때문에 리이드선의 전기전도성이 허용되는 한전구의 리이드의 직경을 감소시킬 수가 있다.
이 복합체 리이드선(표준크기 0.014"직경 및 가능한한 더 작은 직경의 것)의 양방이 낮은 열전도성을 가지면, 필라멘트로부터 전구시스템으로의 열전달 속도가 감소된다. 그 결과 같은 양의 빛을 방출하는데 전구의 에너지 소비량이 크게 감소될 수 있다.
[실시예 5]
실시예 1의 방법을 사용하고, 글리드콥 AL 20대신 주석 함유 분산강화구리합금(2% Sn,0.2% 알루미늄)을 사용했을때 실질적으로 동일한 결과가 얻어졌다.
본 발명에서는 다른 분산강화구리합금을 실시예 1 및 5에서와 같은 방법으로 여기서 사용할 수 있다. 분산강화구리는 이들 합금내데 50~99중량 %범위의 양으로 존재한다. 내열성 금속산화물, 예컨대 알루미나의 금속당량은 알루미늄으로 계산했을때 0.05~5%, 바람직하게는 0.1-0.65%이다. 적당한 합금금속으로서는 주석, 아연, 주석/아연 혼합물, 규소, 마그네슘, 베릴륨, 지르코늄, 은, 크롬, 철, 니켈, 인, 티타늄, 사마륨(Sm) 및 이들 원소중 2개 이상의 혼합물이 포함된다. 이들 합금은 통상적인 용융법에 뒤이어 통상적인 분무화법을 거친후 DSC와 합금금속의 분말을 균일하게 혼합하고 확산처리하여 합금화를 달성하고, 이어서 이 합금을 치밀화하여 분산강화구리합금을 생성하므로써 제조할 수 있다.
이들 성분들이 연속하고 있기때문에 전체저항은 3개 성분의 저항의 합인 23617μΩ이 된다.
60왓트의 제네랄일렉트릭 전구는 글리드콥선이 더 가는 것을 제외하곤 75왓트 전구와 동일하다. 본 발명에서의 글리드콥 선의 직경은 0.012"또는 0.03048㎝에 불과하였다. 글리드콥성분의 저항은 여기서 10103μΩ이 된다(이들 수치는 용접이음부로부터 생길 수 있는 저항은 고려해 넣지 않은 수치이다).
복합선재의 개념을 이용하여 상응할만한 총전기 저항을 갖고 있는 두가지 예를 하기에 나타냈다. 이들 두예 모두는 70용량 % 인바아(42% Ni)과 30용량 % 글리드콥(AL 20)으로 구성된 코어를 갖고 있는 직경 0.015"인 구리피복 리이드선으로 되어 있다. 그러나, 40 또는 50%와 같은 더 높은 글리드콥 또는 DSC 함유량이나 더 두꺼운 구리피복재가 이용될 수 있으며, 이것은 복합선재의 직경을 감소시켜 주며(실시예에서 사용되는 0.015"로부터), 동시에 리이드선 시스템의 총저항을 허용범위내로 유지시켜 준다. 일예로서의 구리피복재의 두께는 0.00035"이다. 전자의 경우에 전체 리이드선 시스템을 복합선재로 대체시켜 주는 것이 가능하나, 후자의 경우엔 오직 글리드콥 및 두우멧 부분만을 치환시켜 동일한 총 저항이 되도록 하게 할 수 있다. 제네랄일렉트릭사에 의해 제조된 75왓트 전구는 직렬로 연결된 3개의 상이한 세그먼트로 구성되어 있다. 이들 요소들의 성분 및 크기를 하기 표 3에 나타냈다. 표 3은 또한 이들 세 성분들의 전기저항도 나타내고 있다.
[표 3]
Figure kpo00003
[실시예 6]
복합선재의 총직경-0.015"또는 0.0381㎝
코어-0.013"직경-70% 인바아+30% 글리드콥(AL 20)으로 구성
피복재-0.001"두께의 구리
길이-8.0㎝(3성분 전체에서)
각종성분의 단면적 :
코어(층)-0.0008563㎠
인바아-0.000599㎠
글리드콥-0.0002573㎠
구리피복재-0.0002838㎠
글리드콥의 저항=60318μΩ
인바아의 저항=1066667μΩ
구리의 저항=48203μΩ
코어의 저항=57089μΩ
리이드선의 저항=26135μΩ
[실시예 7]
복합선재의 총직경-0.015"또는 0.3818㎝
복합체코어 직경-0.0143"또는 0.03632㎝
피복재두께-0.00035"또는 0.00089㎝
복합선재의 길이-5.11㎝
리이드선의 나머지 2.89㎝는 0.015"(0.0381㎝) 직경의 구리가 된다.
Figure kpo00004
구리선의 저항을 포함한 총저항은 26542μΩ이 된다.
실시예 6과 7은 인바아과 글리드콥으로 만들어진 복합선재를 전후 리이드선으로 사용하는 것을 나타내준다. 이들 두개의 주성분의 실제의 비율은 가장 적합한 복합체가 될 수 있게 조절해준다. 인바아(42% Ni)의 인장강도가 글리드콥보다 크기때문에 이들 복합체는 전체가 글리드콥으로된 리이드선에 비해 어떤 강도손실도 예상되지 않는다.
[실시예 8]
여기서 사용된 압밀법(consolidation process)은 압출빌릿을 글리드콥(AL 15)와 닐바(36% Ni,나머지 Fe) 분말의 각종 혼합물로 충전시킨 것외에 실시예 1에서와 본질적으로 동일하다. -20메쉬의 입자크기가 사용되었다. 얻어진 빌릿을 직경 0.250"의 둥근단면 다이인서어트를 통해 압출비가 30 : 1이 되게 압출하였다. 이어 봉을 1회의 실시당 20%의 단면감소가 이루어지는 일련의 크기를 감소시키는 공정을 거쳐 최종 0.014"직경의 선재로 제조하였다. 10"길이를 가진 시편에 대해 인발된 상태 및 질소분위기 하에서 어니일링한 상태에서 기계적 성질을 시험했다. 그 결과를 표 4에 나타냈다.
[실시예 9]
본 시험은 저팽창율의 복합체를 생성하기 위해 닐바(36% Ni)와 분말을 혼합하는 것에 있어서 보통의 구리분말 대신 분산강화 구리 분말을 사용하는 것의 중요성을 예시하고 있다.
비교예는 하나의 압밀법에 의거하여 실시했다.
시험은 2종류의 혼합물, 즉 AL 15와 닐바, 보통구리와 닐바의 50/50 혼합물을 혼합하는 것으로부터 시작했다. 구리분말은 모두 혼합되기전에 170메쉬보다 더 미세했다.
각 분말 혼합물을 벽두께 0.032", 외경 1.5", 60㎝ 길이의 구리관에 충전시켰다.
각 종을 0.975" 직경으로 냉간 스웨이징하고 질소하에서 899℃에서 1시간 동안 소결한 후, 0.465" 직경으로 냉간 스웨이징했다. 모든 단면적 감소는 실온에서 일어났다.
직경 0.465인치에서 종방향으로 금속조직 검사를 실시한 결과 양쪽의 봉 모두 균열이 없는 충분한 치밀성이 얻어졌다. 그러나 미세조직은 서로 상이했다. 한 봉에서는 연성의 구리입자가 비교적 경질인 닐바입자보다 더 많이 변형되어 덜 연신된 닐바 조직 둘레에 구리의 섬유상 조직이 발생하였다.
제1도와 제4도를 참조로 하면, 성분들 사이의 구조상의 이러한 불균형은 성분들 사이의 기계적 성질의 불균형으로부터 생긴 것이다. 이와는 반대로 글리드콥 입자는 경질 닐바 입자와 거의 유사하게 변형되어 글리드콥과 닐바의 층을 형성한다(제2도와 8도를 참조). 성분들 사이의 구조상의 평형은 성분들 사이의 기계적 평형의 결과로 생긴다.
인발(drawing)에 의해 단면을 20% 감소시키기 위해 봉을 이용했을때 구리 함유봉은 감소되지 않았으나 글리드콥 함유봉은 달성되었다. 이런 가공성의 차이는 성분들 사이의 기계적, 구조적 균형성에 기인한 것으로 믿어진다.
[표 4]
Figure kpo00005
하기 실시예 10-17는 본 발명의 복합체와 소결단계를 포함하거나 소결단계 없이 제조되는 보통 구리 복합체를 비교한 것으로 제3도-13도를 참고로 설명되고 있다.
[실시예 10]
전기동(EC) 분말과 니켈/철 합금 42의 50 : 50 혼합물을 겹원뿔 혼합기(double cone blender)내에서 30분간 혼합하였다. 두가지 유형의 분말의 입자크기 분포를 표 5에 나타냈다. 직경 1.40", 길이 2.0"인 2개의 구리압출 빌릿 캔을 혼합된 혼합물로 충전시켰다. 두개의 빌릿 캔을 각기 788℃와 871℃에서 예열한 후 0.25"직경의 둥근 봉으로 열간압출했다(여기서 이들 두 온도는 구리를 주성분으로 하는 재료의 열간 압연을 위한 실용상의 상한 온도 및 하한 온도를 의미하는 것은 명백하다). 양쪽의 압출 다이 온도는 538℃였다. 압출된 채로의 봉은 제3도에 나타난 바와 같이 균열을 나타냈다. 이들 균열은 횡방향으로 나타나고 있으며, 구리피복재가 찢어질 정도로 충분히 심하였다. 두개의 봉의 종단면을 금속조직 검사한 결과, 합금 42 분말입자는 압출중 변형되지 않은채 남아 있으며, 그들 둘레에 연질의 구리가 흐르게 됨에 따라 이들 입자들 인접한 곳에 간극(Void)이 형성되었다. 제4도는 788℃에서 압출된 봉의 종단면의 광학현미경 사진이다. 871℃에서 압출된 봉은 788℃에서 압출된 봉보다 더욱 열악한 균열상태를 나타냈다. 두 봉은 모두 인발을 위해 외부 회사에 보냈다. 이들을 인발하는 시도는 첫번째 인발과정에서 인발조작 장력하에서 이들이 파괴되었기 때문에 실시할 수 없었다. 제5도와 6도는 인발 시험후의 봉의 상태를 나타낸 것이다.
[실시예 11]
글리드콥(AL 15) 분말과 합금 42 분말의 50 : 50 혼합물을 겹원뿔형 혼합기내에서 30분간 혼합했다. 두 종류의 분말에서 입자크기 분포를 표 5에 나타냈다. 직경 1.40", 길이 2.0"인 2개의 구리압출 빌릿캔을 혼합된 혼합물로 충전시켰다. 두개의 빌릿 캔을 각기 788℃와 871℃에서 예열한 후 0.25"직경의 둥근봉으로 열간 압출했다. 양방 모두 압출시 다이온도는 538℃(=1000℉)이었다. 압출된 봉은 제7도에 나타난 바와 같이 어떤 균열도 나타내지 않았다. 두개의 봉의 종단면을 금속 조직 검사한 결과, 합금 42 분말 입자가 글리드콥 입자만큼 많은 변형을 받았으며, 재료내에는 어떤 간극도 존재하지 않았다. 제8도는 788℃에서 압출된 봉의 종단면의 광학현미경 사진이다. 두개의 봉 모두 인발을 위해 외부 회사에 보냈다. 이들은 0.010"직경의 선재로 성공적으로 인발되었다. 제9도는 인발작업을 2회 거친후의 봉의 사진 및 최종 선재의 사진이다.
[실시예 12]
여기서는 압출된 봉이 0.50"×0.125"크기의 장방형 단면을 가진 것을 제외하곤 실시예 10에서 사용된 것과 동일한 분말혼합물과 동일한 공정조건을 사용하여 압출을 수행했다. 압출온도는 788℃였다. 압출한 대로의 스트립은 모서리에 약간의 균열을 나타냈다. 압출된 대로의 스트립의 종단면의 미세조직은 제4도와 유사하다. 이 스트립의 냉간압연을 시도했으나 두께가 0.043"가 되었을때 모서리의 균열이 심해져서 더 이상 압연할 수 없었다. 제10도는 두께 0.043"인 스트립의 사진이다.
[실시예 13]
여기서 수행된 방법은 전기동 분말 대신 글리드콥(AL 15) 분말을 사용하는 것을 제외하곤 실시예 12과 동일했다. 글리드콥 분말의 입자크기분포를 표 5에 나타냈다. 압출된 스트립은 모든면에서 정상적이었으며 0.010"두께로 압연했다. 제11도는 이 스트립의 하나의 시료의 사진이다. 기계적 성질을 측정한 하기 표 7에 나타난 것과 동일했다.
[실시예 14]
전기동 분말과 합금 42 분말을 볼밀(ball mill)내에서 1시간 혼합했다. 두 형태의 분말의 입자크기 분포를 표 5에 나타냈다. 혼합된 혼합물을 99ksi 압력을 사용하여 0.40"두께를 가진 봉으로 압축했다. 봉을 1010℃에서 수소 분위기하에 3분간 소결했다. 이어 봉을 한번 작업당 10%씩 두께를 감소시켜 0.20"두께로 압연했다. 얻어진 봉을 수소분위기하 동일온도에서 3분간 재소결하고 0.1"두께로 압연했다. 얻어진 스트립은 아주 취약했으며 주로 모서리에 가로방향으로 균열이 나타났다. 제12도는 이 스트립의 사진이다.
[실시예 15]
전기동 또는 순수구리분말 대신 글리드콥 AL 15 분말을 사용하는 것을 제외하곤 실시예 14와 동일한 공정 및 공정조건을 사용했다. 글리드콥 AL 15분말의 입자크기 분포는 합금 42 분말의 입자크기 분포와 유사했다. 압착소결된 봉은 2회작업 이상의 압연을 허용할만한 충분히 잘 소결되지 않았다. 제13도는 이 봉의 사진이다.
[실시예 16]
글리드콥 AL 15분말과 합금 36분말의 50 : 50 혼합물을 겹원뿔 혼합기내에서 30분간 혼합했다. 두 분말의 입자크기 분포를 표 6에 나타냈다. 혼합물을 완전한 이론 밀도의 92%의 밀도를 가진 0.09"두께의 봉으로 성형했다. 이어서 이들 봉을 질소분위기 중에서 40분간 1010℃에서 소결했다. 이들을 이어 50%까지 냉간압연하고 982℃에서 40분간 재소결했다. 이어 이들을 0.010"두께로 압연했다. 압연된 대로의 상태의 것 및 871℃ 질소분위기하에서 30분간 어니일링한 것에 대해 인장시험을 했다. 이 결과를 표 7에 나타냈다.
[표 5]
Figure kpo00006
*40% Ni, 나머지 Fe
[표 6]
Figure kpo00007
*36% Ni, 나머지 Fe
[실시예 17]
여기서 글리드콥 AL 15 대신 전기동 분말을 사용한 것을 제외하곤 실시예 16에서 사용된 것과 동일한 공정 및 공정조건을 사용했다. 전기동의 입자크기 분포를 상기 표 6에 나타냈다. 압착소결된 봉을 0.010"로 압연하여 두께를 감소시킨 후 인장시험을 했다. 그 결과를 하기 표 7에 나타냈다.
[표 7]
Figure kpo00008
하기 4가지 시료는 분산강화금속 복합체가 보통금속 복합체보다 유리함을 보여주고 있으며 두가지 주성분들의 기계적 강도가 잘 균형을 이루는 것이 바람직한 것을 나타내준다. 예컨대 보통 구리분말과 합금 42를 혼합한 복합체는 정상적인 분말야금(P/M) 압출을 행할 수 없지만 산화 알루미늄으로 분산 강화한 구리는 정상적인 압출이 가능하다. 그러나 순수한 구리분말을 합금 36과 혼합했을때는 정상적인 P/M 압출이 가능하다. 이것은 합금 42와 비교하여 합금 36의 강도가 작기 때문으로, 즉 강도특성이 잘 균형을 이루는 것에 의해 제품이 영향을 받기 때문이다. 순수한 구리분말과 합금 36의 혼합물을 장방형 단면을 가진 압출물로 압축하는 경우 비록 순수한 구리분말 입자만큼 많이 합금 36입자가 변형되지는 않았으며, 간극이나 균열을 나타내지도 않았다. 이들 실시예에서의 분말처리 과정은 실시예 1에서와 같다.
[실시예 18]
실시예 1의 과정에 따라 비교용의 저팽창 복합체를 하기 조성을 이용하여 만들었다.
Figure kpo00009
열간 스웨이징가공된 두 시료 및 열간압출된 두 시료의 기계적 성질을 하기 표 8에 나타냈다. 표에서 익자는 하기 의미를 갖는다 : UTS=최대인장강도, YS=항복강도, ΔA%=단면 감소율(%)(연성의 정도), ΔLS%=시료로부터 측정된 연신율(%), HB=표준치와 비교된 경도, IACS=국제어니일링 구리의 표준규격(International Annealed Copper Standard)(키르크-오쓰머의 화학기술대사전,인터싸이언스출판(주) 제2판 제6권(Kirk-Othmer,Encyclopedia of Chemical Technology,Second Edition,Vol.Ⅵ,Interscience Publishers Inc.) 1965, P133 참조).
α×106/℃=열팽창율
이것은 글리드콥 복합체가 구리복합체보다 더 높은 전도성을 가지고 있음을 나타내며, 합금화가 전도성을 억제하는 것을 나타낸다.
[표 8]
Figure kpo00010
*열간 스웨이징가공
**열간 압출
[실시예 19]
입자크기의 효과 및 본 발명에 따라 압출된 조성물상에 피복재의 존재, 또는 피복재가 없는것에 따른 효과를 연구하기 위해 하기와 같이 검토해 보았다. 모든 메쉬 크기는 미합중국 표준스크린 크기이다. 전도성을 하기 표9에 나타냈다.
Figure kpo00011
[표 9]
Figure kpo00012
글리드콥 AL 15는 입자크기가 좀더 굵게되면 확산이 감소되어 전도성이 향상되는 경향이 나타난다. 또한 피복재가 존재하면 전도성이 크게 증가한다.
시료 D는 또한 UTS=65,000psi, YS=50,000psi, ΔA%=60.7% ; ΔLIS%=16.4% ; 경도=68.9을 나타낸다. 표 8에서 압출된 상태의 시료 A와 비교했을때 시료 D의 더 굵은 분말은 구리함유 복합체와 비교했을때 강도손실이 적다.
[실시예 20]
하기 조성을 사용하여 비교용 저팽창 복합체를 만들었다. 그 결과를 하기 표 10에 나타냈다.
Figure kpo00013
[표 10]
Figure kpo00014
기계적 강도는 거의 일정한 반면 합금 함량을 증가시키면 전도성이 저하하는 것을 알 수 있다. 입자크기가 더 커지면 강도의 저하를 발생하는 것 없이 전도성이 개선된다.
[실시예 21]
인바아(Invar)대신 분말 몰리브덴을 사용하여 실시예 4의 과정을 실시하였다. 우수한 전도성이 얻어졌으나 생성물은 더 경화되어 있었으며, 크기는 안정하고 높은 내마모성을 나타냈다.
[실시예 22]
인바아 대신 분말 텅스텐을 사용하여 실시예 4의 과정을 실시하였다. 우수한 전도성이 얻어졌으나 생성물은 더 경화되어 있었으며 크기는 안정하고 높은 내마모성을 나타냈다.
[실시예 23]
인바아 대신 분말 코바르(Kovar)를 사용하여 실시예 4의 과정을 실시하였다. 우수한 전도성이 얻어졌으나 생성물은 더 경화되어 있었으며 크기는 안정했다.
분산강화금속 예컨대 구리, 알루미늄 또는 은을 베이스로 하는 복합체는 분산 강화금속의 높은 전기 및 열전도성과 하나 이상의 첨가 성분들의 유용한 특성을 함께 나타냈다. 하기에 몇몇예가 있다.
(1) 조절된 열팽창성을 가진 복합체
분산강화금속 예컨대 구리, 알루미늄 또는 은에 저팽창성 합금, 예컨대 Ni-Fe합금, 코바르(Fe-28% Ni-18% Co), 몰리브덴 등을 첨가한 것.
이 경우의 목적은 이것이 시일링되는 유리나 세라믹과 조화되는 열팽창율을 가진 복합체를 만드는데 있다.
최종용도
a) 유리와 금속간의 시일-백열전구의 리이드, 기밀시일 커넥터
b) 집적회로(IC)리이드프레임
코바르는 Ni-Fe 합금중 Ni일부를 코발트로 치환시킨 것이다. 이것은 니켈함량이 감소된 것으로 글리드콥 내로의 확산이 감소된다. 코발트는 니켈과 유사한 확산계수를 가지며, 구리에 대해 더 낮은 고용성을 갖는다. 전기전도성의 손실은 Ni-Fe 합금보다 적다. 또한 20℃-415℃(소다석회 유리의 고화점) 범위에서 코바르의 열팽창율은 Ni-Fe 합금보다 작았다. 코바르는 이 온도 범위에서 텅스텐과 유사한 열 팽창율을 가지고 있으나 접착이 더 용이할 것으로 예상된다. 전기전도성의 저하는 텅스텐보다 더 크다.
(2) 고강도 복합체
분산강화금속 예컨대 구리, 알루미늄, 또는 은에 고강도 성분, 예컨대 고강도강(마르에이징강, 스텐레스강,피아노선등), 텅스텐, 몰리브덴 등을 첨가. 이 경우의 목적은 Cu-Be 합금과 대등한 강도를 갖고 있으며 Cu-Be합금과 대등한 또는 그보다 우수한 탄성을 가진 복합체를 만드는 것이다. Cu-Be합금보다 전기전도성이 더 큰것 또한 바람직하다.
최종용도
a) 전기 및 전자커넥터
b) 전류전달 스프링
c) 스위치 구성성분
d) 고강도 슬리이브 베어링
e) 회로차단기
(3) 내마모성 복합체
분산강화금속 예컨대 구리, 알루미늄 또는 은에 텅스텐, 탄화텅스텐, 몰리브덴, 탄화티타늄, 티타늄을 첨가
이 경우의 목적은 높은 경도 및 내마모성을 가진 복합체를 만드는 것이다.
최종용도
a) 전기접점
b) 저항용접전극
c) MIG 용접 팁(tip)
d) 헤이즈렛트 캐스터 사이드댐 블럭(Hazelett caster side dam block)
e) 다이캐스팅 플런저 팁(tip)
f) 플라스틱 사출성형용구
g) 정류자
h) 연속 또느 DC 주형용 금형
(4) 자성복합체
분산강화금속 예컨대 구리, 알루미늄 또는 은에 자성성분 예컨대, 강, Fe, Ni, Co합금을 첨가
이 경우의 목적은 높은 전기전도성 및 우수한 내고온연화성을 가지며, 자동 장치상에서 사용될 수 있게하는 자기 특성을 가진 복합체를 만드는 것이다.
최종용도
a) 개별부품 또는 축방향(다이오드)리이드선
b) X-선 관 아노드용 로우터

Claims (11)

  1. (a) 내열성 금속산화물의 불연속적인 미세입자가 안에 균일하게 분산되어 있는 분산강화된 구리 또는 구리합금 매트릭스와, (b) 니켈-철합금, 니켈-코발트-철합금, 몰리브덴 또는 텅스텐으로부터 선택된 경질금속 또는 경질금속합금의 불연속적인 조대입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 실질적으로 중분히 치밀한 분산 강화된 비소결 분말금속복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스가 8×10-6오옴·㎝ 이하의 전기저항율을 가지는 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합체는 20℃에서 13×10-6이하의 열팽창율을 가지며, 상기 매트릭스는 분산강화된 구리 또는 분산강화된 구리-주석합금인 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분산 강화된 구리 또는 구리합금의 내열성 금속산화물이 알루미늄 산화물인 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 불연속적인 조대입자는 30-55중량 %의 니켈을 함유하는 니켈-철 합금인 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 합금은 니켈 약 42%를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합체가 적어도 하나의 금속 피복재내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속 피복재가 니켈 또는 구리로 되는 것을 특징으로 하는 분말금속복합체.
  9. (a) 내열성 금속산화물의 불연속인 미세입자가 안에 균일하게 분산되어 있는 분산강화된 구리 또는 구리합금 매트릭스와, (b) 니켈-철합금, 니켈-코발트-철합금, 몰리브덴 또는 텅스텐으로부터 선택된 경질금속 또는 경질금속합금의 불연속적인 조대입자를 포함하여 되는 실질적으로 충분히 치밀한 비소결 분말 금속 복합체를 제조하는 방법으로서, 상기 매트릭스 분말을 상기 조대입자와 혼합하거나 볼밀가공하는 단계와, 종래의 금속가공장치를 사용하여 1400℉ 내지 1850℉의 온도에서 열간 단조, 또는 열간 등압 압축성형 또는 열간 압출에 의해 상기 혼합물을 복합체로 압밀하는 단계를 포함하는 비소결분말금속 복합체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 내열성 금속산화물 미세입자는 경질금속 또는 경질금속합금의 불연속적인 조대입자가 압축중에 변형될 만큼의 양으로 상기 구리 또는 구리합금 매트릭스내에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 혼합된 분말은 압축전에 함유된 금속중에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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