(57)【要約】【課題】　複雑な過程をなくし、材料内の気孔を最少化して、電子機器の熱管理素子に適合な高熱伝導度・低熱膨張係数である薄板形状のＷ−Ｃｕ複合材料を製造できる方法を提供する。【解決手段】　金属基地複合材料の製造方法において、銅粉末とタングステン粉末とを混合して溶射用粉末作製する第一工程と、前記溶射用粉末を基板にプラズマ溶射して薄板を形成すること第二工程と、を備えることを特徴とするＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基地複合材料の製造方法において、
　銅粉末とタングステン粉末とを混合して溶射用粉末作製する第一工程と、
　前記溶射用粉末を基板にプラズマ溶射して薄板を形成すること第二工程と、
　を備えることを特徴とするＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。
【請求項２】
　前記溶射用粉末は、体積比で、５〜５０％の銅粉末と５０〜９５％のタングステン粉末とが混合されてなる、
　ことを特徴とする請求項１に記載のＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。
【請求項３】
　前記第一工程は、銅粉末とタングステン粉末とをボールミルによって混合した後、噴霧乾燥を通じて粒子を球状化する工程である、
　ことを特徴とする請求項１に記載のＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。
【請求項４】
　前記第二工程は、溶射ノズルから基板までの距離を５０〜１１０ｍｍ範囲にし、 溶射用粉末の移動速度を１０〜１００ｇ／ｍｉｎの範囲に設定し、一次ガスの流速を２３〜９４ｌ／ｍｉｎの範囲に調節し、２次ガスの流速を１．５〜５０ｌ／ｍｉｎに設定した後、１５〜４０ｋＷのプラズマアーク範囲でプラズマ溶射を行う工程である、
　ことを特徴とする請求項１に記載の Ｗ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。
【請求項５】
　前記基板は、黒鉛または銅或いは銅合金であることを特徴とする請求項１に記載のＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。
【請求項６】
　剥離の容易性を増加させるために、前記基板の表面が窒化硼素（ＢＮ）でコーテイングされている、
　ことを特徴とする請求項５に記載のＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造方法。
　
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は金属基地複合材料の製造に関するものであって、より詳しくは、プラズマ溶射を利用したタングステン強化銅基地複合材料薄板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　タングステン強化銅基地複合材料は強化材の種類と配合比率によって軟性と強度、熱膨張係数と熱伝達係数の制御が容易で、 タングステンの高い溶融温度を有する。このような点でＷ−Ｃｕ複合材料は電子パッケージ用ヒートシンク素材のような熱放散材料ばかりでなく、タングステンの耐アーク性、銅の熱・電気的特性で高負荷電気接点材、モーター駆動機、電極材料、弾頭材料（warhead material）等に広く利用されている。
【０００３】
　このようなＷ−Ｃｕ複合材料は通常液状焼結法と含浸法のような粉末冶金法で製造されている。液状焼結法はタングステン粉末と銅粉末とを混合して成形した後、銅の融点以上の温度で焼結させる方法であって、焼結密度を高めるための粉末処理過程によって、ボールミーリングと機械的合金法、そして微量の元素（Ｃｏ、Ｎｉ）を利用した活性焼結法に区分される。前記液状焼結法によれば、気孔が存在するタングステン焼結体内に溶融された液状銅が毛細管力で気孔内部に入って全て詰まり、高密度の複合材料を得ることができる。しかし、この方法では連続的でありながら、開かれた気孔のみからなる多孔質のタングステン予備成形体を製造するのに難点がある。特に、液状焼結法においては、タングステン（１９．３ｇ／ｃｍ3 ）と銅（８．９６ｇ／ｃｍ3 ）の密度の差異によって粉末を均一に混合すること難しいため、焼結後、タングステン粒子の不均一な分布を表す。
【０００４】
　このような理由で、米国のＡＭＥＴＥＫ、ＳＰＥＣＴＲＡ　ＭＡＴ、ＰＯＬＳＥ、 ＲＵＳＨＷＥＬＬＭＡＮＮ及びオーストリアのＰＬＡＮＳＥＥ社のようなパッケージ用ヒートシンク供給業体等は、前記液状焼結法の代わりに含浸法を採用している。これらの製造業体等は殆ど含浸法を通じて銅の組成が１０〜３０重量％である製品を製造した後、精密機械加工を通じて製品を生産している。
【０００５】
　しかし、タングステン含量が高い銅基地複合材料を製造する場合、銅とタングステンとの固溶度が小さいので多くの気孔が内包するようになり、特に、前記液状焼結や含浸等のような粉末冶金法を適用する場合、タングステン粒子を溶融温度（３４１０℃）まで上げることができないので、タングステン粒子が若干溶融されるため複合材料内にはもっと多い気孔が存在するようになる。
【０００６】
　又、米国のＯｓｒａｍ　Ｓｙｌｖａｎｉａ社と大韓民国のＫｏｒｅａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙは、粉末冶金法を提案している（例えば特許文献１、２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】ＵＳ　ＰＡＴＥＮＴ　６,１０３,９９２
【特許文献２】ＵＳ　ＰＡＴＥＮＴ　５,９６３,７７３
【０００８】
　上記粉末冶金法はは成形、焼結のような複雑な製造工程を経るので、製造原価が上昇されるばかりでなく、生産性が劣る短所がある。しかも、製造しようとする製品が厚さ１ｍｍ以下でありながら形状が多様であるか大きな面積である場合、前記の方法等は寸法の制限を受けるようになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述の従来技術の問題点を改善しようと提案したものであって、その目的はプラズマ溶射を利用することにより、複雑な過程をなくし、材料内の気孔を最少化して、電子機器の熱管理素子に適合な薄板形状のＷ−Ｃｕ複合材料を製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するための本発明によるＷ−Ｃｕ複合材料の製造方法は、金属基地複合材料の製造方法において、銅粉末とタングステン粉末とを混合して溶射用粉末作製する第一工程と、前記溶射用粉末を基板にプラズマ溶射して薄板を形成すること第二工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
　本発明の製造方法によれば、従来の粉末冶金技術において必須的な工程、即ち、成形と焼結工程を経ないため製造工程が簡単であるので製品の生産単価を減らすことができる。また、高温のプラズマを利用するためタングステンと銅とを同時に溶融させることができるので、高い密度の薄板を得ることができ、このように製造される複合材料薄板は高い熱伝達係数と低い熱膨張係数を有するので、電子機器の熱管理素材等に大変有用である。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
　以下、本発明を実施するための最良の形態を詳しく説明する。
　本発明による複合材料の製造方法は、Ｗ粉末で強化された銅基地複合材料の製造に適合である。好ましくは、その厚さが０．２〜２ｍｍサイズの厚さを有する多様な形状のＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造に適合である。特に本発明の製造方法は、Ｗ粉末が高い体積配合比率で含有された銅基地複合材料、さらに好ましくは、銅基地に５０〜９５体積％のＷが含有された薄板の複合材料の製造により適合である。このような複合材料は電子パッケージ用熱管理素子として非常に有用である。
【００１３】
　本発明による複合材料の製造のためには、先ず、Ｃｕ粉末とＷ粉末とを混合して溶射用粉末を得る。前記溶射用粉末は前記の範囲に混合することが好ましい。粉末の混合は２種類の粉末を単純に混合する方式もよいが、ボールミルで混合した後、 噴霧乾燥（spray-drying）工程によって球状化された粉末を準備することが好ましい。このような球状化された溶射用微細粉末は高温のプラズマ火焔に銅とタングステンが一緒に溶けて気孔を減らすようになる。
【００１４】
　このような溶射用粉末は適当に乾燥した後、 大気プラズマ溶射を介して薄板に製造される。
【００１５】
　図１はプラズマ溶射を利用して前記薄板の製造過程を説明するための模式図を見せている。本発明の複合材料薄板１は図１に示されたように、溶射銃（gun）３の先端側に粉末投入口４を通して、前記溶射用粉末が供給され、 前記溶射銃３と対向して一定距離を置いて離れて位置した基板２に溶射用粉末を火焔と共に吹き出しながら溶射させることにより製造される。
【００１６】
　溶射に使用される基板２としては、Ｃｕ或いは、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｓｎのような銅合金、または黒鉛基板が好ましいが、これは前記基板等が複合材料と濡れ性が良くなく、且つ熱膨張係数の差異が大きいので、溶射後、剥離が容易であるからである。さらに好ましくは、溶射後、複合材料と基板の剥離を一層容易になるように前記基板２に窒化硼素（ＢＮ）を噴射して基板の表面をコーテイングすることである。前記基板２はそのサイズを増して薄板のサイズを調節することができる。
【００１７】
　前記基板２は固定台（図示せず）に位置されており、前記プラズマ溶射銃３は移動台（図示せず）に設置してプログラムを通じて一定な速度で移動できる。
【００１８】
　本発明でプラズマ溶射をするとき、プラズマアークは１５〜４０ｋＷ程度が適当である。これは、プラズマアークが１５ｋＷ未満であると、粉末が十分な温度まで加熱されないので、基板に積層が困難になり、回収率が減少し、反面にプラズマアークが４０ｋＷより大きいと、高温での溶射に因り酸化物等の欠陥が増加するようになり好ましくない。
【００１９】
　また、溶射銃３の先端ノズルから基板までの距離は５０〜１１０ｍｍが適当である。これは距離が５０ｍｍ未満であると、プラズマアークによって基板の温度が余り上昇するので工程の安定性が低下され、反面に距離が１１０ｍｍより大きいと、溶融粉末の凝固に因る回収率の減少が表れるので好ましくない。
【００２０】
　そして、 溶射用粉末の移動速度（注入量）は１０〜１００ｇ／ｍｉｎの範囲に設定し、１次ガス（Ａｒ、Ｎ2等）の流速を２３〜９４ｌ／ｍｉｎの範囲に、そして、２次ガス（Ｈ2、Ｈｅ等）の流速を１．５〜５０ｌ／ｍｉｎの範囲に調節するのが好ましい。これは粉末の移送速度が１０ｇ／ｍｉｎ未満であると溶射される粉末の量が余り少ないので経済的に好ましくなく、移送速度が１００ｇ／ｍｉｎ未満であると粉末の流れが円滑でないので、一様な溶射面を得ることができないからである。また、１次、 ２次ガス流速が前記範囲を外れると不十分な操業条件で粉末がプラズマアークの中心部でない外郭で移送され均一な溶射が不可能であるので好ましくない。
【００２１】
　このような条件下でプラズマ溶射を利用すれば、従来の技術で製造し難い高い強化材配合比率の複合材料薄板を製造することができる。そして、このように製造される複合材料薄板は高い熱伝達係数と低い熱膨張係数とを有するので電子機器の熱管理素材等に大変適合である。特に、本発明では、このような複合材料薄板を製造する際、選択する強化材粉末の種類と体積配合比率によって望む物性を設計することができる。
【００２２】
　以下、 本発明を実施例を通じて具体的に説明するが、下記の実施例は専ら本発明を説明するためのものであって、 本発明の要旨に基づいて本発明の範囲が下記の実施例に限定されるものではない。 
【００２３】
[実施例１]
　３２５ｍｅｓｈ以下の銅粉末と４００ｍｅｓｈ以下のタングステン粉末を体積配合比率２８：７２にして、攪拌機で乾式混合して溶射用粉末を製造した。 製造された溶射用粉末を１１０℃で１時間乾燥して水分を除去した。製造された溶射用粉末を約３０ｋＷのプラズマアークに注入させて１００×１００×１０ｍｍ3サイズの予熱された黒鉛基板に積層させた。プラズマ溶射操業条件は表１のとおりであった。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
　前記方法で製造したＷ−Ｃｕ複合材料薄板の形状を図２に、 薄板の微細組織を図３に示した。
【００２６】
　図２で見られるように、本発明により長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ約１ｍｍ以下サイズの薄板形状のＷ−Ｃｕ複合材料を製造することができ、図３から見られるように、Ｗ粒子の体積配合比率が約７０％程度に一様に分布されていた。
【００２７】
　又、 表２に本発明で製造したＷ−Ｃｕ複合材料の実際に測定した熱膨張係数値と熱伝導度を示した。複合材料の場合、熱膨張係数と熱伝導度は強化相と基地金属の配合比率により理論的に計算できるが、本発明の複合材料に対する理論的な熱膨張係数と熱伝導度値と比較した。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
　表２から見られるように、本発明の複合材料に対して実際測定した熱膨張係数と熱伝導度は理論値の値と類似なことが分かる。
【００３０】
［実施例２］
　平均粒径２μｍのタングステン粉末と平均粒径２６μｍの銅粉末を体積配合比率９０：１０としてステンレス鋼ボールミル装置に装入した後、超硬（cemented tungstencarbide）ボールを添加した。このとき、粉末とボールの重量比は１：１とし、単純回転方法で１００ｒｐｍの速度で約２４時間混合した後、その混合された粉末を水に分散させた後、バインダーとしてポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol）を０．５％添加し、１００℃の窒素ガスの中で回転円盤速度を２０、０００ｒｐｍとして球状化された溶射用粉末を製造した。前記球状化溶射用粉末は乾燥した後、２００ｍｅｓｈのふるいで粗大な粉末を除去した。
【００３１】
　前記方法で準備した溶射用粉末を利用して２５ｋＷのプラズマアークから１２０×１００×１０ｍｍ3サイズの無酸素銅基板にプラズマ溶射をした後、１２０×１００×１ｍｍ3サイズの複合材料薄板を製造した。前記方法で製造したＷ−Ｃｕ複合材料薄板の微細組織を図４に示した。
【００３２】
　図４に示したとおり、本発明の複合材料薄板は、Ｗの体積配合比率が約９０％に一様な分布を有していた。
【００３３】
　又、前記複合材料の熱膨張係数を測定した結果、理論値（Kengery & Turner's model;６ｐｐｍ／℃）より若干低い６．３ｐｐｍ／℃を示し、熱伝導度は理論値（Maxwell Model；２０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））より低い１９５Ｗ／（ｍ・Ｋ）値を示した。理論値と差異が発生したのは、理論値において強化材が独立的な粒子として存在しながら方向性を表すからである。実際試片では殆ど等方向性を表し、銅とタングステンとの間に固溶度がなく、タングステン体積配合比率の増加により粒子等間の接触が多くなり独立的な粒子として存在する割合が低いからである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
　前述のとおり、本発明の製造方法によれば、従来の粉末冶金技術において必須的な工程、即ち、成形と焼結工程を経ないため製造工程が簡単であるので製品の生産単価を減らすことができる。また、本発明では、高温のプラズマを利用するためタングステンと銅とを同時に溶融させることができるので、高い密度の薄板を得ることができ、このように製造される複合材料薄板は高い熱伝達係数と低い熱膨張係数を有するから、電子機器の熱管理素材等に大変有用である。 また、本発明では、選択する強化材粉末の種類と体積配合比率とによって望む物性を設計することができる。特に、 粉末冶金法では大きい面積（１００×１００ｍｍ2以上）でありながら薄板（厚さ：１ｍｍ以下）の複合材料を製造するにおいて寸法及び強化材の体積配合比率を漸次的に調節するのに制限があるが、本発明ではプラズマ溶射を利用するので、これらの寸法に制約を受けずに、薄い薄板においても強化材の体積配合比率を選択的に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明のＷ−Ｃｕ複合材料薄板の製造過程を説明するための模式図である。
【図２】図２は、実施例１によって製造されたＷ−Ｃｕ複合材料薄板の形状を示す写真である。
【図３】図３は、実施例１によって製造された複合材料の微細組織写真である。
【図４】図４は、実施例２によって製造された複合材料の微細組織写真である。
【符号の説明】
【００３６】
１：薄板
２：基板
３：溶射銃
４：粉末投入口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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