JPH0987775A - 銅クロム族金属合金製成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粉末射出成形法により、高い寸法精度と高い
密度を有する銅クロム族金属合金製成形品の製造方法を
提供する。 【構成】 銅粉末、クロム族金属粉末及び鉄族金属粉末
と、体積比で５：１〜１：１の高分子系バインダと低分
子系バインダよりなる熱可塑性有機バインダの混練物を
射出成形し、この成形体を還元雰囲気で加熱して脱脂
し、その後１１００〜１４５０℃で還元雰囲気で焼結す
ることを特徴とする銅クロム族金属合金製成形品の製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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、ヒートシンク等に用
いられる、Ｃｕ−Ｗ系またはＣｕ−Ｍｏ系合金またはＣ
ｕ−Ｗ／Ｍｏ系合金を用いた部品の製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｃｕ−Ｗ系またはＣｕ−Ｍｏ系材料は従
来放電電極用材料として広く用いられてきたが、近年、
高熱伝導性と半導体素子の熱膨張係数に適合できること
より半導体用パッケージ材料やヒートシンク部材として
も広く用いられるようになってきた。

【０００３】Ｃｕ−Ｗ系またはＣｕ−Ｍｏ系材料の製造
方法は、特公平５−３８４５８号公報に記載されるごと
くＷまたはＭｏまたはＷ−Ｍｏ粉末をプレス成形して焼
結して多孔質なスケルトンを作り、これに溶融したＣｕ
を含浸させる溶浸法が取られていた。

【０００４】溶浸法の問題点は、スケルトンの空孔率を
一定に調整する事が困難であり、この結果として銅の含
有率を一定にすることが出来ないことにある。

【０００５】また、溶浸法では、三次元的に複雑な形状
を作ることが困難であり、簡単な形状においても要求さ
れる寸法精度を得ることが出来ないため、完成形状にす
るための機械加工に多大の負荷をかけていた。

【０００６】一方、焼結可能な粉末に熱可塑性有機バイ
ンダを添加して混練しコンパウンドとなし、これを射出
成形して所定の形状として、成形体を乱流雰囲気中にお
いて脱バインダ処理(以下、脱脂処理と呼ぶ)を行なった
後焼成する方法がＵＳＰ４，０１１，２９１に開示され
ている。この方法に依れば複雑形状部品を寸法精度良く
製造できる可能性は高い。

【０００７】また、ＵＳＰ４,９８８,３８６には、粉末
射出成形法を用いて、５〜５０ｗｔ％Ｃｕ−Ｗにおいて
相対密度９７％が得られたことが開示されている。しか
し、Ｃｕ−Ｗの間には溶解度が無いため合金とすること
は出来ず、ＣｕとＷとの混合物となる。溶解度を持たな
い二種類の金属の焼結によって高密度を達成することは
困難であり、一般には、両者に溶解度を持つ金属の添加
が行われる。

【０００８】特開平４−３４９６５０号公報には、粉末
射出成形法によりＣｕ−Ｎｉ−Ｗ合金を製造し、１５０
０〜１６００℃で焼結する事により相対密度９８〜９９
％を得る方法が開示されている。

【０００９】しかし粉末射出成形法のＣｕ−ＷまたはＣ
ｕ−Ｍｏ系合金の製造への適応には未解決の問題が残っ
ている。

【００１０】第１に挙げられる従来技術の問題点は、製
造される合金の焼成後の相対密度が低いか又はバラツキ
が大きいことにある。相対密度のバラツキは収縮率のバ
ラツキとなり寸法精度を低下させるため、完成形状を得
るために二次加工を施さざるを得なくなる。相対密度を
上げる目的で、焼成温度を上昇せしめる方策は、Ｃｕの
蒸発を促し、Ｃｕ含有量を変化させるにとどまらず、焼
成品の寸法に影響を与える。

【００１１】粉末射出成形法では成形体からバインダを
除去する工程で、装置および処理方法が簡便であること
より、専ら熱分解法が選択される。第２に挙げられる問
題点はＣｕ−ＷまたはＣｕ−Ｍｏ系合金のごとき高密度
材の脱脂工程における形状保持にある。形状保持への配
慮に欠けると射出成形体は変形を起こし目的とする形状
を得ることが出来ない。

【００１２】第３に挙げられる問題点は、原料粉末にバ
インダを添加して混合混練したコンパウンドの成形流動
性の変化が射出成形時に金型に充填されるコンパウンド
量を変化させ、射出成形体の寸法に影響を及ぼし、甚だ
しく流動性の悪いコンパウンドを使用すると成形体に未
充填部分を生じせしめることにある。成形体寸法のバラ
ツキは焼成後の寸法バラツキに直接影響を与える。

【００１３】コンパウンド流動性を一定にするための原
料粉末の選択基準として、従来はレーザー干渉式等の粒
度測定機を用いて得られた平均粒径、粒度分布、表面積
測定器による比表面積、およびタップ密度が用いられて
来たが、工業的に入手できる原料粉末の粒子形状は理想
的な球形状を呈しておらず、不定形粒子や凝集粒子の混
在が一般的であるため、これらの基準は粉末射出成形用
コンパウンドの流動性安定に不十分である。

【００１４】第４に挙げられる問題点は合金粉末の混合
工程にある。従来は、粉砕を目的として、混合粉にアル
コール等の有機溶剤を加え、ボールミルまたはアトライ
ターを用いて長時間処理を行う事が一般に行われていた
が、処理に時間がかかるばかりでなく、有機溶剤乾燥中
の結露による酸化や、Ｗに混合されるＣｕ，Ｃｏおよび
Ｆｅ等の軟質金属粒子が塑性変形して偏平となり均質な
混合を達成できない等が問題点となっている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、粉末射出成
形法により、高い寸法精度と高い密度を有する銅クロム
族金属合金製成形品の製造方法を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の粉末射出成形法による銅クロム族金属合金
製成形品の製造方法では、銅粉末、クロム族金属粉末及
び鉄族金属粉末と、体積比で５：１〜１：１の高分子系
バインダと低分子系バインダよりなる熱可塑性有機バイ
ンダの混練物を射出成形し、この成形体を還元雰囲気で
加熱して脱脂し、その後１１００〜１４５０℃で還元雰
囲気で焼結することを特徴とする銅クロム族金属合金製
成形品の製造方法を特徴としている。

【００１７】

【発明の実施の態様】Ｃｕ粉末の粒径は、平均粒径で２
０μｍを越えると焼結体中に空洞を形成して焼成密度を
低下させ、寸法精度及び熱伝導率等の特性を低下させる
ので好ましくない。好ましい平均粒径の上限は１０μｍ
であり、特に好ましくは２μｍである。一方、下限は
０．５μｍ程度であり、通常１．０μｍ程度である。粒
子形状は製法により球形、破砕形、フレーク状、等があ
り、いずれでもよいが、焼成密度及び寸法精度に好まし
い形状は球形状である。

【００１８】クロム族金属粉末はＷ又はＭｏの粉末が好
ましい。クロム族金属粉末の粒径は、焼成容易性のみを
目的とすれば、より細粒粉を選択すべきであるが、粉末
射出成形法を用いる製造法では、細粒粉の比率が大きく
なると、所定の流動性を得るために必要なバインダ量が
増加する。バインダ量の増加は、脱脂工程での変形につ
ながるために好ましくない。粗粒Ｗ粉末および、Ｍｏ粉
末の使用は焼成温度を上昇せしめ、焼成時のＣｕの蒸発
量を大きくするために好ましくない。従って、クロム族
金属粉末の平均粒径は、０．５〜３．０μｍ程度、好ま
しくは０．８〜２．５μｍ程度、特に好ましくは１．０
〜２．０μｍ程度が適当である。

【００１９】鉄族金属粉末は焼結助剤として用いられ、
ニッケル、鉄、コバルトいずれかの粉末あるいはこれら
の２種以上を組み合わせて用いられる。粒径はＣｕ粉末
と同じ理由で平均粒径で２０μｍ以下が適当である。好
ましい平均粒径の上限は１０μｍであり、特に好ましく
は２μｍである。一方、下限は０．５μｍ程度であり、
通常１μｍ程度である。粒子形状は製法により球形、破
砕形、フレーク状、等があるが、球形が好ましい。

【００２０】本発明の合金には、銅粉末、クロム族金属
粉末、鉄族金属粉末に加えて燐を加えることが好まし
い。この燐は焼結助剤であり焼結後も合金中に残存する
形で加えられ、例えば上記金属のいずれかの燐化物、す
なわち、燐化銅、燐化タングステン、燐酸銅、燐化モリ
ブデン、燐化ニッケルまたは燐化鉄、燐化コバルトの形
で加えることが好ましい。好ましいものは燐化銅、燐化
ニッケル、燐化コバルト、燐酸銅である。これらの燐化
物の粒径はＣｕ粉末と同じ理由で２０μｍ以下が好まし
い。好ましい平均粒径の上限は１０μｍであり、特に好
ましくは２μｍである。一方、下限は０．５μｍ程度で
あり、通常１．０μｍ程度である。

【００２１】これらの配合割合は、Ｃｕ粉末とクロム族
金属粉末との割合は製造される成形品に要求される熱膨
張係数及び熱伝導率等によって選択されるが、通常Ｃ
ｕ：クロム族金属の重量比で５：９５〜５０：５０、好
ましくは８：９２〜３５：６５、更に好ましくは１０：
９０〜２５：７５である。焼結助剤である鉄族金属粉末
の添加量は、熱伝導性を低下せしめるため、できるだけ
少ないことが好ましいが、０．１重量％未満では焼成を
促進する効果は少ない。添加量の上限は製造される部品
に要求される熱膨張係数及び熱伝導率を考慮して定めら
れる。好ましい添加量は０.２〜０.５重量％程度であ
る。燐の添加により、焼成温度の低下、焼成密度および
熱伝導率の向上に効果が認められる、焼成後の燐の含有
率が０．００２〜０．４重量％程度、好ましくは０．０
１〜０．１重量％程度、となる範囲で添加される。添加
量では例えば燐化銅(Ｃｕ₃Ｐ）の場合は０．２〜６ｗｔ
％（リン自身の重量では０．０３〜１．２％）程度が適
当である。

【００２２】上記の各成分粉末を秤量の後、擂潰機にて
予備混合を行なった後、硬質材料については、凝集粒子
の解砕を目的とし、軟質材料に付いては不定形粒子の球
状化を目的として大気中または窒素、アルゴン等の不活
性雰囲気下でジェットミル等の乾式粉砕機を用いて粉砕
処理を行うことが好ましい。この処理によって二次粒子
の解砕と粒子形状の調整を行い吸油率を所定の値に調整
することができる。本発明者は、粉末の吸油量が射出成
形用コンパウンドの射出流動性と広い範囲で相関性を持
つことおよびコンパウンドの流動性安定が、目的とする
完成部品の寸法精度を向上させることを発見した。そこ
で、この混合物の吸油量のバラツキが±０．１ｍｌ／ｃ
ｍ³程度になるように調整することが好ましい。

【００２３】吸油量の測定は、一定重量の粉末を秤量
し、ガラス板上に置き、０．１ｍｌまで測定可能なビュ
レットに亜麻仁油を満たした後、ガラス板上の粉末に一
滴ずつ落としながら、鉄のヘラで良く練り上げる。凝集
固化した粉末に一滴の注加により急に軟化現象を生じた
ときに中止し、最終固化までに用いた油のｍｌ数を求
め、次式によって給油量を算出する。

【００２４】Ａ＝（Ｖ／Ｓ）×ｄ Ａ：給油量（ｍｌ／ｃｍ³） Ｖ：最終固化までに用いた油の量（ｍｌ） Ｓ：粉末の重さ（ｇ） ｄ：粉末の密度（ｇ／ｃｍ³）

【００２５】好ましい吸油量は使用するバインダの粘
度、添加量および射出成形条件によって決定される。

【００２６】上記混合粉末に、熱可塑性有機バインダを
添加し混練して射出成形に供するコンパウンドとする。

【００２７】この熱可塑性バインダには、分子量約１
０，０００以上の高分子系バインダと分子量５，０００
以下の低分子バインダよりなるものを用いる。

【００２８】用いる高分子系バインダは、低分子系バイ
ンダに較べて融点が高く、高温に於ける変形抵抗が高く
また、熱分解温度が高いことが必要である。高分子系バ
インダの例としてはＥＶＡ（エチレンビニルアセート）
−ＢＭＡ（ブチルメタアクリレート）−スチレンの共重
合体、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ(ポリエチレン)等
を挙げることができ、これらを単独あるいは組み合わせ
て使用する。

【００２９】低分子系バインダは高分子系バインダが軟
化して変形抵抗を失うより低温で、溶解して成形体より
流失するか、または蒸発する必要がある。低分子系バイ
ンダの例としてはポリエチレンワックス、パラフィンワ
ックス、マイクロワックス、カルバナワックス、ステア
リン酸、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）、オレイン酸等を
挙げることができ、これらを単独あるいは組み合わせて
使用する。

【００３０】用いる全てのバインダは、露点−５０℃以
下の還元雰囲気中、５００℃以下で蒸発又は分解して
０．１ｗｔ.％以上の残渣を残さないものを選ぶ。

【００３１】高分子系バインダと低分子系バインダの比
率は、Ｃｕ−ＷおよびＣｕ−Ｍｏ系合金混合粉末のごと
き高密度材料の脱脂時の変形を回避するためには、高分
子系バインダと低分子系バインダの比率は、５：１〜
０．８：１、好ましくは３：１〜１：１、に設定する。
低分子系バインダの比率が高すぎると脱脂工程中で成形
体は変形し寸法精度を低下させる。高分子系バインダの
比率が高すぎるとコンパウンドの流動性を低下させるた
め射出成形金型への充填性が低下し成形体の寸法精度を
低下させる。原料粉末に対するバインダの量は、本発明
の製造方法で用いる混合粉の場合、原料粉末１００体積
％に対して３０〜６０体積％程度が好ましく、これより
少ない場合は射出成形性を損ね、これより多い場合は脱
脂時の変形を助長し、また脱脂時間を長びかせる。好ま
しい量は３５〜５５体積％程度であり、特に好ましくは
４０〜５０体積％程度である。上記の熱可塑性有機バイ
ンダを用いることによって、射出成形性、脱脂効率、脱
脂保形性および炭化物残留の回避等にすぐれたコンパウ
ンドを得ることができる。

【００３２】混練は公知の加圧ニーダー等を用いて行え
ばよく、混練温度は１２０〜１６０℃程度が好ましい。

【００３３】混練して得られたコンパウンドは必要によ
り造粒して、射出成形機により所望形状の射出成形体と
し、次いで脱脂を行う。

【００３４】脱脂処理の雰囲気は、本発明の銅クロム族
金属合金の場合軽度の酸化によっても大きく焼結品の密
度が低下することから水素ガスまたは水素ガスと窒素ガ
ス、アルゴンガス等の不活性ガスの混合ガスを用いる必
要がある。混合ガスの場合水素ガスを少なくとも１０体
積％含有させることが好ましい。この雰囲気ガスの露点
は−４０℃以下が適当であり、−５０℃以下が好まし
い。また、脱脂温度に関しては、本発明の銅クロム族金
属合金はおよそ８００℃以上での浸炭によって大きく密
度を低下させることから、浸炭の開始する温度以下でバ
インダ成分及びその残渣炭化物が成形体より好ましくは
０．１％以下、特に好ましくは０．０５％以下に除去さ
れることが望ましい。この除去は７００℃以下、好まし
くは６００℃以下、特に好ましくは５００℃以下で達成
されるようにする。通例、上記雰囲気下で室温より５０
０℃までを、３〜５℃／時間で昇温することにより、脱
脂終了時の成形体中のＣ量は０．０１％以下となる。し
かし、昇温速度は脱脂体の厚さ等により変化する。

【００３５】脱脂後は引き続き還元雰囲気で焼結を行
う。還元雰囲気は水素ガスまたは水素ガスと窒素ガス、
アルゴンガス等の不活性ガスの混合ガスを用いる必要が
ある。混合ガスの場合水素ガスを少なくとも５０体積％
含有させることが好ましい。この雰囲気ガスの露点は−
４０℃以下が適当であり、−５０℃以下好ましい。好ま
しい雰囲気は水素ガス単独のものである。焼結は１１０
０〜１４５０℃で行う。１１００℃以下の温度では、真
密度の焼成体を得ることができず、１４５０℃以上では
銅の蒸発が顕著であり、目的とする組成の焼成体を得る
ことができない。好ましい焼結温度は１１５０〜１３０
０℃程度である。焼結は１〜３時間程度で終了し、相対
密度９９％以上、通常９９．５％以上ほぼ真密度の高密
度品が得られる。

【００３６】

【実施例】

実施例１ 平均粒径２．０μｍのＷ粉末と粒径８μｍ以下の電解法
Ｃｕ粉を秤量し、１０ｗｔ％Ｃｕ−Ｗ混合粉とした。こ
のＣｕ−Ｗ混合粉１００重量部に対し、平均粒径１．５
μｍのカルボニル法Ｃｏ粉末を０．２２５重量部、粒径
１０μｍ以下のＣｕ₃Ｐを０.３５重量部秤量して、予備
混合した。次いで、ジェットミルに投入し、ノズル圧力
７ｋｇ／ｃｍ²、不活性ガスの風量１．２ｍ³／ｍｉｎの
解砕および粒形調整を行って、吸油率０.８ｍｌ／ｃｍ³
処理粉を得た。ジェットミル投入前の原料の吸油率は
１．７ｍｌ／ｃｍ³であった。

【００３７】得られた金属混合粉に、射出成形用バイン
ダを添加して加圧ニーダーにて３時間混合・混練を行っ
た後、造粒を行って射出成形用コンパウンドとした。バ
インダ添加量は金属混合粉１００重量部に対し、５．３
重量部（金属混合粉１００体積％に対しバインダー４７
体積％）であった。フローテスターにて測定したコンパ
ウンドの流動性は、１４５℃において、０．９０ｍｌ／
ｓｅｃと目的の値であった。バインダ組成は表１に示
す。

【００３８】

【表１】

【００３９】次に、２５トンの型締め力を持つ射出成形
機を用いて金型温度２５℃、シリンダ温度１４５℃の条
件で成形を行い、２５ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍの形状の
成形体を得た。

【００４０】得られた成形体は、露点−６０℃の水素雰
囲気下、室温より５００℃まで昇温速度５℃／時間の条
件で脱脂した。脱脂後の炭素含有量は０．０１９ｗｔ％
であった。

【００４１】その後、脱脂体を露点−６０℃の水素ガス
中で焼結した。焼結条件は、１２５０℃×１時間であっ
た。

【００４２】得られた焼結体の特性値は、表２に示す通
りであった。寸法バラツキは目的とする寸法に対して±
０．２％と極めて少なく、完成形状にするために通常施
されるフライス加工を省くことができた。

【００４３】

【表２】

【００４４】実施例２ Ｗ粉末の代わりに平均粒径１．８μｍのＭｏ粉末を用い
て実施例１と同様にして焼結体を得た。この焼結体も実
施例１とほぼ同様の相対密度を有し、寸法バラツキも極
めて少なくフライス加工が不要であった。

【００４５】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、粉末射出
成形法を利用した銅クロム族金属合金製成形品の製造に
おいて、複雑形状であっても、高い寸法精度と高い物理
特性を有する成形品を安定して安価に製造することがで
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋吉 直義 大阪府大阪市港区弁天２−13−20 朝日プ ラザ市岡1107 (72)発明者 濱田 健雄 大阪府寝屋川市池田西町23−15−２Ａ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅粉末、クロム族金属粉末及び鉄族金属
   粉末と、体積比で５：１〜１：１の高分子系バインダと
   低分子系バインダよりなる熱可塑性有機バインダの混練
   物を射出成形し、この成形体を還元雰囲気で加熱して脱
   脂し、その後１１００〜１４５０℃で還元雰囲気で焼結
   することを特徴とする銅クロム族金属合金製成形品の製
   造方法
2. 【請求項２】 クロム族金属がタングステン又はモリブ
   デンである請求項１記載の製造方法
3. 【請求項３】 混練物が燐化銅粉末、燐化ニッケル粉
   末、燐酸銅または燐化コバルト粉末の少なくとも１種を
   含んでいる請求項１記載の製造方法
4. 【請求項４】 銅粉末、クロム族金属粉末及び鉄族金属
   粉末の混合物がジェットミルで粉砕処理される請求項１
   記載の製造方法