TWI493047B - 高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法 - Google Patents

Description

高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法

本發明係有關於一種高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，尤其是指一種成分準確度不易控制之硫屬元素合金塊材的製造方法，於真空狀態下針對內含硫屬元素之合金進行熔融，再將其製備成粉末狀並藉由高溫緻密化燒結以製得具備正確成分、高均勻度、晶粒細緻、高純度、高緻密度塊材之製造方法者。

按，真空金屬鍍膜(vacuum metallization，VM)係指將金屬合金塊狀靶材於真空條件下，運用化學、物理等特定的手段進行有機轉換，使金屬靶材轉換成分子粒子，沈積或吸附在塑膠或金屬材料的表面，形成金屬薄膜，也就是我們俗稱的鍍膜；且由於合金鍍膜具有優異的耐磨性、耐蝕性、鍍層厚度均勻性、緻密性高等特點，已廣泛應用於各種電子產品的製程，而隨著電子工業的迅速發展以及光電產品製程良率的提升下，對鍍膜技術的要求亦越來越高。

以鍍膜技術之一種濺鍍法(sputtering)為例，濺鍍法為廣泛知悉之用於薄膜沉積之氣相沉積技術之一；此方法多用於電 子工業用薄膜沉積；其原理係在輝光放電的環境下，利用動量傳遞的方式，以離子轟擊置於陰極的靶材，將靶原子濺射出來並沈積於基板上；濺鍍靶材可用在電視、個人電腦、顯示器、其他的顯示器用途所使用的構成液晶面板、有機電激發光面板等的配線膜、光記錄領域之反射膜、記錄膜、半導體領域之配線膜等的形成。

一般而言，可作為靶材用之合金製造方法，其步驟如下：首先，將合金元素，例如鋁、銅、鎳、銀、鈦、鎂、錳、鋅、銦、錫、鉻等原料，依著需求比例秤重後，放進熔煉坩堝內；之後，於大氣中加熱使鑄錠完全熔合成均勻合金湯；接著，將熔湯倒進鑄模中成錠，於冷卻後取出；最後，再進行例如鍛打、熱冷軋，及高溫退火等熱處理加工程序，以使等合金內部組織均質化(homogenized)，之後再以機械加工，以製成所須之形狀；然，上述之合金製造方法於實際實施使用時，具有如下之缺失：(a)熔煉係於大氣中進行，若合金中之元素之熔點較低(例如：錫的熔點為攝氏232度、銦的熔點為攝氏157度等)，且蒸氣壓偏高，導致易於熔煉製程中揮發，因而改變合金成份之比例，甚至與空氣發生氧化反應，以致無法正確控制合金之目標濃度，導致合金材料特性之改變；(b)熔煉澆鑄製程常發生成份分佈不均，導致偏析(segregation)之問題發生，對合金之高溫性質有嚴重的影響，進而降低合金在高溫環境下的可靠度；以及(c)一些元素(例如：鉻、鈦、矽等)在高溫時之氧化活性極大，使得在大氣熔煉過程中，極易與以氧化鎂、氧化鋁等為主要材質之坩堝產生化學反應，不僅侵蝕坩堝之材質，甚至進而影響所製成合金之純度與品質；此外，上述之合金製造方法主要係針對過渡金 屬元素所發展之製程。

而在元素週期表中，位於週期表右方介於過渡金屬與氣體元素之間的元素，其性質介於金屬與非金屬之間，這些元素統稱為硫屬元素，其中包括：鎵(Ga，熔點30℃)、銦(In，熔點115℃)、鉈(Tl，熔點303℃)、鍺(Ge，熔點937℃)、錫(Sn，熔點232℃)、鉛(Pb，熔點328℃)、銻(Sb，熔點631℃)、鉍(Bi，熔點271℃)、硒(Se，熔點217℃)、碲(Te，熔點450℃)、釙(Po，熔點254℃)等元素；以上這些元素的特點為熔點低，因此常有特殊的相變態特性，大量使用於記錄媒體、相變態記憶體、太陽能發電等領域，但亦因其合金配置成分必須控制精準，而同時這些金屬因蒸氣壓高，因此非常容易在熔煉過程中大量散失，造成濃度與目標成分產生大幅差異的問題。

今，發明人即是鑑於上述現有之合金製造方法在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種成分準確度不易控制之硫屬元素合金塊材的製造方法，於真空狀態下針對內含硫屬元素之合金進行熔融，再將其製備成粉末狀並藉由高溫緻密化燒結以製得具備正確成分、高均勻度、晶粒細緻、高純度、高緻密度塊材之製造方法者。

為了達到上述實施目的，本發明人提出一種高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，係至少包括下列步驟：首先，準備 包括有0.5~30原子百分比的硫屬元素，硫屬元素為鎵、銦、鉈、鍺、錫、鉛、銻、鉍、硒、碲或釙元素其中之一，以及剩餘原子百分比的金屬元素原料；接續，將上述所有原料全部置放於陶瓷容器中進行真空熔煉作業；然後，將真空熔煉作業所得之合金熔湯以氣體或液體強制冷卻，使合金熔湯冷卻凝固成型為一鑄胚；之後，以一粉碎裝置將鑄胚粉碎或以噴粉設備，以製得一合金粉末；接著，將合金粉末以篩網過篩，以得粉末粒徑均勻之均勻合金粉末；最後，將均勻合金粉末依序經過冷壓成型及熱壓或熱均壓燒結之壓合加工，製得一塊狀合金；之後，塊狀之合金塊材即可依實際使用之需要進一步置入機具內做二次機械加工處理，以符合所需之鍍膜靶材形狀、尺寸等需求。

此外，於準備原料時，可進一步包括一清潔步驟，亦即將所準備之硫屬元素以及金屬原料表面之氧化物與油污清除，並將經過該清潔步驟之原料依預定之原子百分比製備，以使製得之合金成份符合預定之原子百分比。

如上所述的高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中所準備之硫屬元素原料的純度係為99.9%以上。

如上所述的高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中於陶瓷容器中進行真空熔煉作業係藉由一真空裝置(例如：習知技術之真空感應爐)將陶瓷容器抽成0.1torr以下之真空狀態，接著通入氬氣使陶瓷容器之真空壓力維持於200~600torr；之後，將陶瓷容器置入一加熱器中，將溫度加熱至介於攝氏800~1100度之間，且將陶瓷容器放置其內持續1~5分鐘。

如上所述的高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中粉碎裝置係為一顎碎機，藉由顎碎機將鑄胚破碎製粒。

如上所述的高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中篩網係選自100以上網目(mesh)，使得過濾後之均勻合金粉末其粉末粒徑不大於150μm。

如上所述的高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中均勻合金粉末之壓合加工作業係於真空爐內將均勻合金粉末充填於一石墨模具進行壓合加工，且石墨模具二側設有熱管排以提供熱源，壓合裝置則以50~100MPa之間的壓力施壓於石墨模具中的均勻合金粉末，此時，熱管排將石墨模具加熱至攝氏300~700度之間，壓合裝置於持續施壓1~3小時後，即可製得一高純度、高蒸氣壓合金塊材。

藉此，本發明與現有技術相較之下，本發明高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法係於真空狀態下的陶瓷容器內進行熔煉作業，不僅可有效防止其中的原料於高溫熔煉過程中與空氣發生氧化反應，以增加製程穩定性之外，亦可改善低熔點金屬揮發散逸之問題，使得合金成份可控制在±1%之間；此外，藉由真空熔煉作業所得之鑄胚，係以顎碎機破碎成合金粉末，再經過篩網過篩以使粉末粒徑均勻，並以熱壓燒結成合金塊材，使其成份均勻性高，可避免如傳統單以熔煉澆鑄製程所產生之成份偏析問題。

再者，藉由陶瓷容器於真空狀態下進行合金的熔煉作業，與傳統藉由坩堝熔煉之技術相較下，可避免熔煉過程中，合金成份與坩堝產 生化學反應，使得本發明可製得較高純度之合金塊材。

又，本發明高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法藉由習知之真空感應爐即可於陶瓷容器內進行抽取真空與熔煉作業，無須設計新的製程裝置或添購高昂之生產設備，可大幅降低生產製造成本。

(1)‧‧‧陶瓷容器

(2)‧‧‧加熱器

(3)‧‧‧粉碎裝置

(4)‧‧‧壓合裝置

(5)‧‧‧石墨模具

(51)‧‧‧熱管排

(6)‧‧‧真空爐

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

(S4)‧‧‧步驟四

(S5)‧‧‧步驟五

(S6)‧‧‧步驟六

第一圖：本發明較佳實施例之製造方法步驟流程圖

第二圖：本發明較佳實施例於陶瓷容器中進行真空熔煉之狀態示意圖

第三圖：本發明較佳實施例以粉碎裝置將鑄胚粉碎成合金粉末之狀態示意圖

第四圖：本發明較佳實施例於真空爐下將均勻合金粉末壓合製作成合金塊材之狀態示意圖

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，請參照第一圖所示，為本發明之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法之較佳實施例的步驟流程圖，係主要包括有如下步驟：步驟一(S1)：以100%的總原料組成成份原子百分比計算，準備包括有0.5~30原子百分比的硫屬元素，硫屬元素為鎵、銦、鉈、鍺、錫、鉛、銻、鉍、硒、碲或釙元素其中之一，以及剩餘原子 百分比的金屬元素原料；其中，所準備之硫屬元素原料的純度係為99.9%以上；此外，於步驟一(S1)準備原料時，可進一步包括一清潔步驟，亦即將所準備之硫屬元素以及金屬原料表面之氧化物與油污清除，並將經過該清潔步驟之原料依預定之原子百分比製備，以使製得之合金成份符合預定之原子百分比；步驟二(S2)：將上述所有原料全部置放於陶瓷容器(1)中進行真空熔煉作業；於本實施例中，陶瓷容器(1)係為一陶瓷管，並藉由一真空裝置(例如：習知技術之真空感應爐)將陶瓷容器(1)抽成0.1torr以下之真空狀態，接著通入氬氣使陶瓷容器(1)之真空壓力維持於200~600torr；之後，將陶瓷容器(1)置入一加熱器(2)中，請參閱第二圖所示，係本實施例於陶瓷容器(1)中進行真空熔煉之狀態示意圖，加熱器(2)係利用感應加熱線圈於短時間內將溫度升至介於攝氏800~1100度之間，且利用感應磁場使熔融之金屬液完全混合均勻，並將陶瓷容器(1)容置其內持續1~5分鐘；據此，不僅可有效防止其中的原料於高溫熔煉過程中與空氣發生氧化反應，以增加製程穩定性之外，亦可改善低熔點金屬揮發散逸之問題，使得合金成份可控制在±1%之間；步驟三(S3)：將真空熔煉作業所得之合金熔湯以氣體或液體強制冷卻，使合金熔湯冷卻凝固成型為一鑄胚；步驟四(S4)：以一粉碎裝置(3)將鑄胚粉碎，以製得一合金粉末；於本實施例之粉碎裝置(3)較佳係為一顎碎機，藉由顎碎機將鑄胚破碎製粒，請一併參閱第三圖所示； 步驟五(S5)：將合金粉末以篩網過篩，以得粉末粒徑一致之均勻合金粉末；其中，篩網係選自100以上網目(mesh)，使得過濾後之均勻合金粉末其粉末粒徑不大於150μm；以及步驟六(S6)：將均勻合金粉末依序經過冷壓成型及熱壓燒結之壓合加工，製得一塊狀合金；於本實施例中，具體實施方式係將均勻合金粉末充填於一石墨模具(5)進行壓合加工，請參閱第四圖所示，為本實施例將均勻合金粉末壓合製作成合金塊材之狀態示意圖；其中，壓合加工程序係於一真空爐(6)內進行，且石墨模具(5)係藉由設於二側之熱管排(51)提供熱源，而壓合裝置(4)則以50~100MPa之間的壓力施壓於石墨模具(5)中的均勻合金粉末，此時，熱管排(51)將石墨模具(5)加熱至攝氏300~700度之間，於壓合裝置(4)持續施壓1~3小時後，即可製得一高密度之合金塊材；而由於合金粉末係藉由顎碎機破碎鑄胚而成，並經過篩網過篩以使粉末粒徑均勻，再經高溫緻密化燒結成合金塊材，其成份均勻性高，即可避免如傳統單以熔煉澆鑄製成所產生之成份偏析問題；其後，即可依實際使用之需要將合金塊材進一步置入機具內做二次機械加工處理，以符合所需之鍍膜靶材形狀、尺寸等需求；藉此，本發明可製作出99%以上高純度、成分差異控制±1%以內、且晶粒細緻、緻密度達90%以上之高蒸氣壓硫屬元素之合金塊材。

值得注意的，吾人應瞭解本發明高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法並不僅於製成供鍍膜靶材之合金產品應用，其他用途亦涵蓋在內；本發明之原則係用於製成各類含有硫屬元素合金產品之用，因此，並不限定上述實施例所製得合金塊材之用途。

綜上所述，本發明高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

(S4)‧‧‧步驟四

(S5)‧‧‧步驟五

(S6)‧‧‧步驟六

Claims (8)

1. 一種高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其包括下列步驟：步驟一：以100%的總原料組成成份原子百分比計算，準備包括有0.5~30原子百分比的硫屬元素，該硫屬元素為鎵、銦、鉈、鍺、錫、鉛、銻、鉍、硒、碲或釙元素其中之一，以及剩餘原子百分比的金屬元素原料；步驟二：將該總原料全部置放於陶瓷容器中進行真空熔煉作業；其中係藉由一真空裝置將該陶瓷容器抽成0.1torr以下之真空狀態，接著通入氬氣使該陶瓷容器之真空壓力維持於200~600torr，且該熔煉作業係於攝氏800~1100度間持續1~5分鐘；步驟三：將真空熔煉作業所得之合金熔湯以氣體或液體強制冷卻，使該合金熔湯冷卻凝固成型為一鑄胚；步驟四：以一粉碎裝置將該鑄胚粉碎，以製得一合金粉末；步驟五：將該合金粉末以篩網過篩，以得粉末粒徑 一致之均勻合金粉末；以及步驟六：將該均勻合金粉末依序經過冷壓成型及熱壓燒結之壓合加工，製得一塊狀合金。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中該硫屬元素原料之純度係為99.9%以上。
3. 如申請專利範圍第3項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中該真空裝置係為一真空感應爐。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中該步驟四之粉碎裝置係為一顎碎機，藉由該顎碎機將該鑄胚破碎製粒。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中該步驟五係以100以上網目(mesh)之篩網過濾該合金粉末，使得過濾後之均勻合金粉末其粉末粒徑不大於150μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中該步驟六係將均勻合金粉末充填於一石墨模具進行壓合加工，該熱壓燒 結之溫度係介於攝氏300~700度之間、壓力係介於50~100MPa之間，且持續1~3小時。
7. 如申請專利範圍第1項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中於該步驟一準備原料時，進一步包括一清潔步驟，該清潔步驟係將所準備之硫屬元素以及金屬原料表面之氧化物與油污清除，並將經過該清潔步驟之原料依預定之原子百分比製備。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高蒸氣壓不包含硫之硫屬元素合金塊材之製造方法，其中於該步驟六完成後，係進一步將該塊狀合金置入機具內做二次機械加工處理，以符合實際使用之需要。