(57)【要約】本発明は材料技術、より詳しくは例えば半製品または成形体に加工される、予め知られた成形法により粉末冶金学材料を製造するために使用される銅−ニオブ合金およびその製造方法に関する。本発明の目的は均一な準安定なＣｕ混晶を有する銅−ニオブ合金を製造することおよびその製造方法およびその実現法である。前記課題は、銅マトリックス中に銅−ニオブ混晶のほかに粒子直径５〜１００ｎｍを有するニオブ析出物を有する銅−ニオブ合金により解決される。前記課題は、マトリックス材料として銅粉末およびニオブ粉末０.１〜５０原子％を一緒に粉砕し、機械的に合金し、その後少なくとも１回熱処理することによる銅−ニオブ合金の製造方法により解決される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅マトリックス中に銅−ニオブ混晶のほかに５〜１００ｎｍの粒子直径を有するニオブ析出物が存在する銅−ニオブ合金。
【請求項２】
ニオブが部分的に銅格子に溶解して存在する請求項１記載の銅−ニオブ合金。
【請求項３】
ニオブ析出物が微細な粒子または繊維の形で存在する請求項１記載の銅−ニオブ合金。
【請求項４】
４：１より大きい、有利に１０：１より大きいアスペクト比を有する繊維が存在する請求項３記載の銅−ニオブ合金。
【請求項５】
ＩＡＣＳ５０〜８０％の導電率を有する請求項１記載の銅−ニオブ合金。
【請求項６】
１２００〜２０００ＭＰａの強度を有する請求項１記載の銅−ニオブ合金。
【請求項７】
マトリックス材料として銅粉末およびニオブ粉末０.１〜５０原子％を一緒に粉砕し、機械的に合金し、その後少なくとも１回熱処理する請求項１から６までのいずれか１項記載の銅−ニオブ合金を製造する方法。
【請求項８】
ニオブ粉末０.５〜２０原子％を添加する請求項７記載の方法。
【請求項９】
−１９６℃〜−１０℃の温度で粉砕工程を実施する請求項７記載の方法。
【請求項１０】
粉砕中におよび／または粉砕段階の間に粉砕容器の冷却を行う請求項７記載の方法。
【請求項１１】
粉砕容器を液体窒素またはエタノールで冷却する請求項７記載の方法。
【請求項１２】
粉砕中に銅格子中のニオブの完全な強制的溶解を行う請求項７記載の方法。
【請求項１３】
５００℃以上の温度で熱処理を行う請求項７記載の方法。
【請求項１４】
変形工程と同時に熱処理を行う請求項７記載の方法。
【請求項１５】
変形工程により銅−ニオブ合金の繊維状構造を形成する請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
変形中に４：１より大きい、有利に１０：１より大きい繊維のアスペクト比を調節する請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
２０〜３０時間粉砕する請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の使用分野
本発明は材料技術の分野に関し、例えば半製品または成形体に加工した後に公知の成形法により粉末冶金学の製品を製造するために使用される銅−ニオブ合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
技術の水準
できるだけ高い機械的強度および電気的伝導性および熱伝導性を有する金属材料を製造するために、すべての金属のなかで最も高い電気的伝導性を有する銀のほかにマトリックス金属として主に銅がかなり低い価格のために使用される。熱および電気的特性を実質的に損なわずに可延性銅マトリックスの強度を有効に高めるために、熱力学的平衡で大部分溶解しない第２相による強化が提供される。これは面心立方銅マトリックスの場合に硬質セラミック粒子（例えば酸化物、窒化物、炭化物）であってもよく、および多くの高融点の体心立方無反応性金属（例えばＣｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ）であってもよい。その際前記合金添加物はマトリックス中のその非溶解性のために全体として高い負荷温度での最も可能なミクロ安定性に対する要求を満たす。しかしそれぞれの第２相の均一な分布および有効な強度の増加に必要なナノメートル範囲の粒度分布が、存在する密度の差および融点の差により溶融冶金学法により達成できない。機械的合金化法の使用はこの問題を克服し、例えば微細な酸化物分布（直径５０ｎｍ未満）およびきわめて高い硬度および強度を有するＡｇ−酸化物−複合材料の製造を可能にする（Ｂ.Ｊ.Ｊｏｓｈｉ等、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｖｏｌ３、Ｐｏｗｄｅｒ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  Ｇｒａｎａｄａ  Ｓｐａｉｎ、１９９８、特開平７−１７３５５５号、ドイツ特許（ＤＥ−Ｃ１）第１９９５３７８０号）。
【０００３】
機械的合金化において粉末粒子の繰り返される分解および冷間溶接から粉砕の改良が生じる。しかし銅からなる軟質金属マトリックス中の硬質セラミック粒子の場合に酸化物含量が１０容積％未満に低下すると共に酸化物が軟質マトリックスにより被覆される傾向が高まり、これにより引き続く粉砕が行われない（ドイツ特許（ＤＥＣ２）第４４１８６００号）。粉砕の改良は、軟質−軟質の材料組み合わせにより、すなわち銅の弾性特性の選択により可能な最もよく適合した第２相に有利に影響を与える（Ｃ.Ｃ.Ｋｏｃｈ.Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ２、１９９３、１０９−１２９）。前記の該当する合金元素の中でニオブが最もよく適している（Ｌ.Ｇ.Ｆｒｉｔｚｅｍｅｉｅｒ、Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １、１９９２、２５７−２６２）。室温での濃縮したＣｕ−Ｎｂ合金の機械的合金化はすでに報告されている（Ａ.Ｂｅｎｔｈａｌｅｍ  ｕ.ａ、Ｓｃｒｉｐｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ  ｅｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ２７、１９９２、７３９−７４４およびＭａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａ１６１、１９９３、２５５−２６６）。高いエネルギーでの粉砕により混晶部分が軟化し、ミクロ構造の高い均一性が達成される。同様に添加されるニオブの一部が粉砕により銅格子に強制的に溶解することが示された。
【０００４】
しかしこれらの合金化系においては一般に粉砕中の温度の上昇により容器壁および球への粉末の付着の不安が存在し、これが粉末の収率を低下する。有機助剤は溶接傾向を低下するが、エネルギーの導入によりＣＯ２およびＨ２に分解し、粉末に粉砕することができる（米国特許第５３２２６６６号）。これらのガスを高温でガス抜き焼鈍により除去しない場合に、密な圧縮した半製品への粉末の団結が不可能であるかまたは高い温度で後で使用する場合に形状不安定性（膨張）を生じる。他方で前方に接続されたガス抜き焼鈍により粉末に意図的に調節されるナノ結晶質粒構造が破壊される。
【０００５】
発明の説明
本発明の課題は均一な準安定なＣｕ混晶が存在する銅−ニオブ合金およびその製造方法を提供し、これを実現する方法を提供することである。
【０００６】
前記課題は請求項に記載された発明の構成により解決される。他の実施態様は従属請求項の対象である。
【０００７】
本発明による銅−ニオブ合金において銅マトリックス中に銅−ニオブ混晶のほかに５〜１００ｎｍの粒子直径を有するニオブの析出物が存在する。
【０００８】
その際有利にニオブは部分的に銅格子に溶解して存在する。
【０００９】
同様に微細な粒子または繊維の形のニオブ析出物が存在する。
【００１０】
４：１より大きい、有利に１０：１より大きいアスペクト比を有する繊維が存在する場合が有利である。
【００１１】
更に本発明による銅−ニオブ合金は有利にＩＡＣＳ５０％〜８０％の導電性および／または１２００〜２０００ＭＰａの強度を有する。
【００１２】
本発明の銅−ニオブ合金を製造する方法においてマトリックス材料として銅粉末およびニオブ粉末０.１〜５０原子％を一緒に粉砕し、機械的に合金し、その後少なくとも１回熱処理する。
【００１３】
有利にニオブ粉末０.５〜２０原子％を添加する。
【００１４】
粉砕工程を有利に−１９６℃〜−１０℃の温度で実施する。
【００１５】
粉砕工程中におよび／または粉砕工程の間に粉砕容器を冷却する場合が有利である。
【００１６】
更に粉砕容器を液体窒素またはエタノールで冷却する場合が有利である。
【００１７】
更に粉砕中に銅格子中のニオブの完全な強制的な溶解を行う場合が有利である。
【００１８】
同様に５００℃以上の温度で熱処理を行う場合が有利である。
【００１９】
有利に変形工程と同時に熱処理を行う。
【００２０】
同様に有利に変形工程により銅−ニオブ合金の繊維状構造を形成し、再び有利に変形の間に４：１より大きい、有利に１０：１より大きい繊維のアスペクト比に調節する。
【００２１】
銅−ニオブ合金の高い粉末収率を生じることが有利である。
【００２２】
２０〜３０時間粉砕する場合が有利である。
【００２３】
本発明の方法において最初に銅粉末の不自然な脆弱化を生じる。これにより機械的合金化により公知のように製造した材料と異なり、銅とニオブの均一な単相の合金を得ることが可能である。有利に低温での粉砕工程の実施によりかなり少ないエネルギーを導入して銅混晶中のニオブ原子の部分的なまたは完全な強制的溶解を達成することが可能である。銅混晶中のニオブ原子の溶解の程度は特に粉砕時間および使用される粉末の酸素含量に依存する。その際粉砕工程中にガス含量がほとんど変動せず、引き続く処理の際に付加的なガス抜き工程を省くことができる。
【００２４】
銅混晶中にニオブ原子を溶解後、その後に続く熱処理の際に微細なニオブ粒子が析出する。このニオブ析出物は基本的に強度を高めるためにおよび合金の高い導電性を保証するために寄与する。
【００２５】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
【００２６】
鋼球、銅粉末およびニオブ粉末１０原子％を装入した粉砕容器を、液体窒素中で粉砕容器のふたの温度−１９６℃に冷却する。その後冷却した粉砕容器を周囲空気から断熱するためにポリスチレンで被覆する。引き続く粉砕工程を３０分毎に徐々に中断し、引き続き粉砕容器を再び−１９６℃に冷却する。回転速度２００ｒｐｍおよび粉末と球の比１：１４で粉砕工程を行う。３５時間で添加されたニオブ粉末が完全に銅格子に強制的に溶解する。これはＸ線撮影および透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の検査から認識でき、ニオブの反射がもはや生じない（図１および２）。機械的に合金化した粉末は結晶子大きさ約７ｎｍを有するナノ結晶組織を有する。その際５００ＨＶ０.０２５の粉末ミクロ硬度を達成する。得られた粉末を５００℃で真空下および６５０ＭＰａの圧力下のホットプレスで相対密度９８〜９９％まで圧縮して直径１０ｍｍの円筒型成形体を得る。このように製造した成形体は２０ＭＳ／ｍの電気的伝導率（ＩＡＣＳ３５％に相当）で４００ＨＶ２の硬度を有する。ニオブを銅マトリックスから分離する引き続く熱処理が３８０ＨＶ２までの少ない硬度の減少で４５〜５０ＭＳ／ｍ（ＩＡＣＳ７０〜８０％に相当）までの電気的伝導率の増加を生じる。引き続く冷間成形は繊維構造の形成により更に高い電気的伝導率で５５０ＨＶ２まで硬度を再び増加する。
【００２７】
出発粉末混合物中のＮｂ含量を５原子％に減少する場合に、結晶子大きさが１１ｎｍであり、粉末のミクロ硬度４５０ＨＶ０.０２５が達成される、機械的に合金された粉末を製造することができる。成形体の電気的伝導率は３０ＭＳ／ｍ（ＩＡＣＳ５０％）でニオブ１０原子％を有する成形体の場合よりかなり高く、硬度は３５０ＨＶ２でかなり低い。熱処理を行うことにより約５０ＭＳ／ｍ（ＩＡＣＳ８０％）の高い電気的伝導率が達成されるが、約３００ＨＶ２の低い硬度も達成され、これは引き続く変形により再び５００ＨＶ２に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１ａ】Ｃｕ−Ｎｂ２０原子％の粉末の粉砕時間１７時間の回折画像である。
【００２９】
【図１ｂ】Ｃｕ−Ｎｂ１０原子％の粉末の粉砕時間３５時間の回折画像である。
【００３０】
【図２】種々の粉砕時間後の機械的に合金された粉末のＸ線分析図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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