DE69523036T2

DE69523036T2 - Verfahren zur Herstellung fliessfähigen Wolfram/Kupfer Verbündpulver

Info

Publication number: DE69523036T2
Application number: DE1995623036
Authority: DE
Inventors: David L. Houck; Nelson Kopatz; Muktesh Paliwal; Sanjay Sampath
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Global Tungsten and Powders LLC
Priority date: 1995-05-03
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2015-05-04
Also published as: DE69523036D1; ATE206480T1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von fließfähigen Wolfram/Kupfer- Kompositpulvern, die verpresst und zu dichten Teilen gesintert werden können.

STAND DER TECHNIK

Wolfram/Kupfer-Kompositpulver werden zur Herstellung von elektronischen Komponenten, wie Wärmeableitvorrichtungen, elektrischen Kontakten und Elektroden, verwendet.
Da sich Wolfram und Kupfer nicht leicht zu einer Legierung vermischen, wurden verschiedene Verfahren verwendet, um sie zu kombinieren und Wolfram/Kupfer-Komposit- Formkörper herzustellen. Beispielsweise können Wolframpulver in eine gewünschte Form gepresst und dann gesintert werden, um einen porösen Wolfram-Formkörper herzustellen. Der Wolfram-Formkörper kann dann durch Kapillarwirkung mit geschmolzenem Kupfer durchtränkt werden.
Die US-Patente 3 489 530 (Schreiner) und 3 449 120, 3 440 043 und 3 467 517 (Zdanuk et al.) beschreiben Verfahren zur Herstellung von Wolfram/Kupfer-Komposit- Formkörpern unter Verwendung der Verfahren, die ein Durchtränken mit geschmolzenem Kupfer umfassen.
Die Menge an Kupfer, die in den Wolfram-Formkörper eingebracht werden kann wird bestimmt durch die Porosität des gesinterten Wolfram-Formkörpers, die von der Teilchengröße des Wolframpulvers und den Sinterbedingungen abhängt. Somit ist die Bandbreite von Wolfram/Kupfer-Zusammensetzungen begrenzt, wenn die Verfahren, umfassend das Durchtränken mit geschmolzenem Kupfer, angewandt werden. Obwohl das Wolframpulver so gepresst und gesintert werden kann, dass man Teile annähernd in Netzgröße erhält, macht der anschließende Schritt des Durchtränkens mit geschmolzenem Kupfer einen abschließenden Bearbeitungsschritt notwendig, um die fertigen Dimensionen zu erhalten. Außerdem sind die Verfahren, die das Durchtränken mit geschmolzenem Kupfer umfassen, nur dann ökonomisch möglich wenn die Wolfram- Formkörper Basisgeometrien aufweisen, da nach dem Durchtränken des Wolfram- Formkörpers mit Kupfer immer ein oder mehrere abschließende Bearbeitungsschritte durchgeführt werden müssen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Wolfram/Kupfer-Komposit-Formkörpers umfasst das Vermischen und gemeinsame Reduzieren von Wolframoxid- und Kupferoxidpulvern in Wasserstoff, um ein Wolfram/Kupfer-Kompositpulver zu erhalten, das dann zur Herstellung eines Wolfram/Kupfer-Komposit-Formkörpers verpresst und gesintert werden kann. Ein Beispiel für dieses Verfahren wird in US-A-3382066 beschrieben. Die Co-Reduktionsverfahren sind arbeitsintensiv und teuer, da sie ein oder mehrere zusätzliche Agglomerationsschritte notwendig machen, um den erhaltenen Pulvern Fließfähigkeit zu verleihen. Sie erfordern auch eine strenge Kontrolle der Reduktionsbedingungen, einschließlich Temperatur, Flussrate des Wasserstoffgases und Pulverbetttiefe während der Reduktion, um die gewünschte Pulverteilchengröße zu erhalten. Wolfram/Kupfer-Kompositpulver, die durch Co-Reduktion der jeweiligen Oxide hergestellt werden, sind extrem fein und tendieren während der nachfolgenden Behandlungsschritte zur Agglomeration, was ihre Einsetzbarkeit in der pulvermetallurgischen Herstellung von kleinen Teilen einschränkt.
Es wäre ein Fortschritt auf diesem Gebiet, ein Verfahren zur Herstellung von Wolfram/Kupfer-Kompositpulvern bereitstellen, die fließfähig sind und so geeignet sind zur Verwendung in Standardoperationen in der pulvermetallurgischen Verarbeitung. Es wäre auch ein Fortschritt auf diesem Gebiet, ein Verfahren zur Herstellung von Wolfram/Kupfer-Kompositpulvern zur Verfügung zu stellen, in dem ein breiter Bereich an Kupfergehalten erhältlich ist. Ferner wäre es ein Fortschritt auf diesem Gebiet, ein Verfahren zur Herstellung von Wolfram/Kupfer-Kompositpulvern zur Verfügung zu stellen, durch das die Beschränkungen, die in dem Verfahren zum Durchtränken mit geschmolzenem Kupfer und dem Co-Reduktionsverfahren inhärent sind, überwunden werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Herstellung von Wolfram/Kupfer-Kompositpulvern zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Wolfram/Kupfer-Kompositpulver mit verbesserter Fließfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Wolfram/Kupfer-Kompositpulver mit einer großen Bandbreite an Kupfergehalten zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Wolfram/Kupfer-Kompositpulvern zur Verfügung zu stellen, durch das die inhärenten Beschränkungen in den Verfahren des Standes der Technik überwunden werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines fließfähigen Wolfram/Kupfer-Kompositpulvers, das zum Verpressen und Sintern geeignet ist und zwischen 5 und 60 Gew.-% Kupfer und als Rest Wolfram enthält, zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer einheitlichen Mischung eines gewünschten Gewichtsverhältnisses von Wolframpulver, Kupferoxidpulver und gegebenenfalls weniger als 0,5 Gew.-% Kobaltpulver, Vermahlen der Mischung in einem wässrigen Medium, um eine Aufschlämmung herzustellen, in der das Wolframpulver und das Kupferoxidpulver innig vermischt sind, Entfernen der Flüssigkeit aus der Aufschlämmung, um sphärische, fließfähige Agglomerate herzustellen, und Einbringen der Agglomerate in eine reduzierende Atmosphäre, um ein fließfähiges Wolfram/Kupfer- Kompositpulver herzustellen.

DER BESTE WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Möglichkeiten davon, wird auf die folgende Beschreibung und die anhängigen Ansprüche verwiesen.
Fließfähige Wolfram/Kupfer-Kompositpulver mit einer großen Bandbreite an Kupfergehalten können hergestellt werden durch Zusammenbringen von Wolframpulver und Kupferoxidpulver in dem gewünschten Wolfram/Kupfer-Gewichtsverhältnis, gegebenenfalls unter Zugabe einer geringen Menge an Kobaltpulver als Sinterhilfsmittel, Vermahlen der Pulvermischung in einem wässrigen Medium, um eine Aufschlämmung herzustellen, Entfernen der Flüssigkeit aus der Aufschlämmung und Reduzieren des festen Materials in einer Wasserstoffatmosphäre, um ein fließfähiges Wolfram/Kupfer- Kompositpulver herzustellen.
Das als Ausgangsmaterial verwendete Wolframpulver kann ein agglomeriertes feines Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 um sein. Im Gegensatz dazu kann das als Ausgangsmaterial verwendete Kupferoxidpulver wesentlich grober sein mit einer mittleren Teilchengröße von bis zu 44 um. Durch die große Ungleichheit des Teilchengrößen der beiden Pulverarten ist es notwendig, die beiden Pulver zuerst in einem Mischer zu vermischen, um eine ziemlich homogene Mischung vor dem Mahlschritt zu erhalten.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit, die Teilchengröße des erhaltenen Wolfram/Kupfer-Kompositpulvers durch die Wahl des Wolframpulvers, das die gewünschte Teilchengröße aufweist, einzustellen.
Eine geringe Menge an Kobaltpulver, weniger als 0,5 Gew.-% und vorzugsweise etwa 0,25 Gew.-%, kann gegebenenfalls zu der Pulvermischung als Sinterhilfsmittel gegeben werden.
Die vermischte Pulvermischung kann dann in einem wässrigen Medium vermahlen werden. Das wässrige Medium ist vorzugsweise Wasser und das Vermahlen wird vorzugsweise in einer Reibmühle durchgeführt. Das Material wird etwa 6 Stunden mit einem Wolframcarbid/Kobalt-Mahlmittel vermahlen. Während des Mahlvorgangs tritt eine stark exotherme Reaktion zwischen dem wässrigen Medium, dem Wolframpulver und dem Kupferoxidpulver auf. Es ist daher bevorzugt, dass die wässrige Aufschlämmung während des Mahlvorgangs bei einer Temperatur zwischen 25ºC und 35ºC, und vorzugsweise nicht über 30ºC, gehalten wird, um die Reaktionsrate zu kontrollieren. Der Mahlvorgang deagglomeriert das feine Wolframpulver, pulverisiert das Kupferoxidpulver zu einem feinen Pulver und bringt das Kupferoxidpulver und das Wolframpulver in innigen Kontakt.
Nachdem die Aufschlämmung vermahlen wurde, wird sie vorzugsweise spühgetrocknet, um die Flüssigkeit von dem Material abzutrennen und sphärische, frei fließfähige Agglomerate zu bilden.
Die Agglomerate können dann in einer Wasserstoffatmosphäre bei erhöhter Temperatur reduziert werden, um Wolfram/Kupfer-Kompositpulver herzustellen. Da das vermahlene Pulver hoch pyrophor sein kann, ist es bevorzugt, das vermahlene Pulver vor dem Eintritt in und nach dem Austritt aus der heißen Wasserstoffgas-Flusszone in dem Reduktionsofen in Stickstoff zu hüllen.
Das vermahlene und sprühgetrocknete Pulver wird vorzugsweise in 100% Wasserstoff mit einer Flussrate von 150 Standardkubikfuß pro Stunde (SCFH) und bei einer Temperatur zwischen 700ºC und 730ºC, vorzugsweise bei 715ºC, über einen Zeitraum von 1 Stunde reduziert. Die Nebenprodukte des Reduktionsschrittes werden durch das fließende Wasserstoffgas ausgetragen.
Während das Sintern zwischen einzelnen Teilchen stattfindet, wird das Verpressen von feinen Pulvern stark erleichtert, wenn das Pulver Agglomerate bildet. Das Wolfram/Kupfer-Kompositpulver, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, ist frei fließend und hat eine mittlere Agglomeratgröße von etwa 150 um. Die mittlere Größe der einzelnen Teilchen von Kupfer und Wolfram in den Agglomeraten liegt zwischen 1 und 2 um.
Der Kupfergehalt des Wolfram/Kupfer-Kompositpulvers, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, kann im Bereich von 5 bis 60 Gew.-% liegen. Eine bevorzugte Pulverzusammensetzung enthält 15% Kupfer, der Rest ist Wolfram. Auch wenn ein Gehalt von weniger als 10 Gew.-% Kupfer in dem fertigen Kompositpulver gewünscht wird, ist das Kupfer sehr fein und gleichmäßig in der Wolframmatrix verteilt. Das fertige Wolfram/Kupfer-Kompositpulver kann unter Anwendung von metallurgischen Standard-Pulververarbeitungsverfahren verpresst und gesintert werden.
Anschließend wird das nicht beschränkende Beispiel angegeben.

BEISPIEL

Die folgenden Pulver wurden in den angegebenen Mengen in einem V-Mischer über 30 Minuten vermischt:
Cu&sub2;O 28,4 kg
W 140,0 kg
Co 0,49 kg
Die vermischte Pulvermischung wurde anschließend langsam in eine Reibmühle vom Typ 30S, hergestellt von Union Process Co., eingebracht und in 29 Litern Wasser mit 1/4" Wolframcarbid/Kobalt-Mahlkugeln vermahlen. Das Wasser wurde bei einer Temperatur von 30ºC +/- 5ºC gehalten und die Pulvermischung wurde über einen Zeitraum von 6 Stunden mit einer Mahlgeschwindigkeit von etwa 90 Upm vermahlen.
Das vermahlene Material wurde dann in einem Sprühtrockner vom Einzeldüsentyp NIRO Modell Nr. NA021-2637 bei einem Atomisierungsdruck von 100 Pfund pro Quadratinch und einer Zuführungsrate von 60 Kilogramm pro Stunde sprühgetrocknet.
Das sprühgetrocknete Pulver wurde in Inconel-Schiffchen überführt und durch einen üblichen Durchstoßofen, der bei 715ºC +/-15ºC gehalten wurde, durchgeführt. Wasserstoffgas floss durch den Ofen mit einer Rate von 150 Standardkubikfuß pro Stunde. Die beladenen Schiffchen wurden vor dem Eintritt in und nach dem Austritt aus der heißen Wasserstoffgas-Flusszone in Stickstoff gehüllt. Die beladenen Schiffchen blieben in der heißen Wasserstoffgas-Flusszone für einen Zeitraum von 1 Stunde.
Das erhaltene Wolfram/Kupfer-Kompositpulver wies eine Hall-Flussrate von 23 Sekunden pro 50 Gramm, eine Schüttdichte von 3,1 Gramm pro Kubikzentimeter und eine angenäherte mittlere Agglomeratgröße von 150 um auf.
Das Wolfram/Kupfer-Kompositpulver wurde mit 12000 Pfund pro Quadratinch verpresst und in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert, um einen gepressten und gesinterten Wolfram/Kupfer-Komposit-Formkörper mit einer theoretischen Dichte von 98,1% zu erhalten.
Nachdem gezeigt wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angesehen wird, ist es für den Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem in den nachstehenden Ansprüchen definierten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines fließfähigen Wolfram/Kupfer-Kompositpulvers, das zum Verpressen und Sintern geeignet ist und zwischen 5 und 60 Gew.-% Kupfer enthält und der Rest Wolfram ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Herstellen einer gleichmäßigen Mischung eines gewünschten Gewichtsverhältnisses von Wolframpulver, Kupferoxidpulver und gegebenenfalls weniger als 0,5 Gew.-% Kobaltpulver;

(b) Vermahlen der Mischung in einem wässrigen Medium, um eine Aufschlämmung herzustellen, in der das Wolframpulver und das Kupferoxidpulver innig miteinander vermischt sind;

(c) Entfernen der Flüssigkeit aus der Aufschlämmung, um sphärische, fließfähige Agglomerate herzustellen; und

(d) Einbringen der sphärischen, fließfähigen Agglomerate in eine reduzierende Atmosphäre, um das fließfähige Wolfram/Kupfer-Kompositpulver herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das fließfähige Wolfram/Kupfer-Kompositpulver 15 Gew.-% Kupfer enthält und der Rest Wolfram ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Mischung in einer Reibmühle in Wasser über einen Zeitraum von 6 Stunden bei einer Temperatur von 30ºC vermahlen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Flüssigkeit von der Aufschlämmung durch Sprühtrocknen der Aufschlämmung abgetrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die sphärischen, fließfähigen Agglomerate in einer Wasserstoffatmosphäre bei 715ºC über einen Zeitraum von 1 Stunde reduziert werden.