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Dokumentenidentifikation DE102004020833A1 25.11.2004
Titel Material mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit auf Kupferbasis sowie Verfahren zum Herstellen desselben
Anmelder Hitachi Powdered Metals Co., Ltd., Matsudo, Chiba, JP
Erfinder Ishijima, Zenzo, Kashiwa, Chiba, JP
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 28.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004020833
Offenlegungstag 25.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.11.2004
IPC-Hauptklasse B22F 3/10
IPC-Nebenklasse C22C 9/00   
Zusammenfassung Durch die Erfindung sind ein Material auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit sowie guter Bearbeitbarkeit und Anpassbarkeit an einen Nickelplattierungsvorgang sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Materials geschaffen. Das Material auf Kupferbasis wird durch die folgenden Schritte hergestellt: Zusetzen von 5 bis 60 Masse-% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem bestimmten Wärmeexpansionskoeffizienten zu einem Matrixpulver in Form eines Pulvers einer reinen Kupferphase und/oder eines Pulvers einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierung; Vermischen der Pulver miteinander, Verdichten des erhaltenen Pulvergemischs zu einem ungebrannten Verdichtungskörper und Sintern desselben bei einer Temperatur von 400 bis 600°C.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Material mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit auf Kupferbasis, das zum Herstellen z. B. einer Wärmesenke geeignet ist, für die ein niedriger Wärmeexpansionskoeffizient vergleichbar mit den Eigenschaften von Siliciumchips und Keramikplatten sowie effiziente Wärmeabgabeeigenschaften erforderlich sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Materials.

Für ein Material zum Herstellen z. B. einer Wärmesenke sind die Eigenschaften eines niedrigen Wärmeexpansionskoeffizienten und hoher Wärmeabgabe erforderlich. Als derartiges Material wird allgemein eine Legierung auf Kupfer-Molybdän-Basis oder auf Kupfer-Wolfram-Basis verwendet. Diese Materialien werden eingesetzt, um sowohl die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer als auch den niedrigen Wärmeexpansionskoeffizienten von Molybdän oder Wolfram auszunutzen. Zum Beispiel ist es in Japan Patent Gazette JPA No. S62-284032 (1987) (Stand der Technik 1) offenbart, dass ein Material, das eine Dispersion einer Molybdänphase in einer Kupfermatrix enthält, dadurch erhalten werden kann, dass ein Pulvergemisch von Kupfer und Molybdän unter Druck verdichtet wird und der erhaltene ungebrannte Verdichtungskörper bei einer Temperatur zum Erzeugen einer Flüssigphase von Kupfer gesintert wird. In Japan Patent Gazette JPA No. 559-21032 (1984) (Stand der Technik 2) sind Materialien offenbart, die eine Kupferdispersion in einem Molybdän- oder Wolframskelett enthalten, das dadurch hergestellt wird, dass Molybdän- oder Wolframpulver bei hoher Temperatur gesintert wird und dann einer Kupferinfiltration unterzogen wird.

Bei derartigen Materialien besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass die Kosten zu ihrer Herstellung hoch sind, da die dabei verwendeten Pulver von Molybdän und Wolfram teuer sind. Das im Stand der Technik 1 offenbarte Material neigt zu Verformung, und die Größen hergestellter Produkte sind ungleichmäßig, da sie durch Flüssigphasensinterung hergestellt werden. Daher muss das erhaltene Material nach dem Sintervorgang einer Bearbeitung unterzogen werden. Jedoch ist das Material wegen der Härte von Molybdän nicht gut bearbeitbar. Demgemäß ist ein Material, das eine Dispersion einer derartigen Phase enthält, nicht gut bearbeitbar. Bei den im oben genannten Stand der Technik 2 offenbarten Materialien ist es schwierig, Kupfer in alle Hohlräume des Skeletts zu infiltrieren. Daher ist das Material hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit minderwertig, und es zeigt die Tendenz einer großen Ungleichmäßigkeit der Qualität. Darüber hinaus sind die Herstellkosten hoch, da der Schritt zum Infiltrieren von Kupfer nach dem Sintern auf hoher Temperatur erforderlich ist. Die Probleme hinsichtlich der Bearbeitbarkeit von Produkten sind ähnlich wie beim Stand der Technik 1. Ferner besteht ein anderes Problem dahingehend, dass eine Nickelplattierung schwierig ist, da Molybdän und/oder Wolfram nach der Bearbeitung freiliegt. Eine Nickelplattierung ist häufig für einen Lötvorgang erforderlich, wenn eine Wärmesenke hergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bei dem die Dimensionsgenauigkeit und die Bearbeitbarkeit gut sind und eine Nickelplattierung akzeptierbar herstellbar ist, ohne Verwendung teurer Materialien wie Molybdän und Wolfram, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials zu schaffen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Materials durch die Lehre der beigefügten unabhängigen Ansprüche 1 und 2 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre der beigefügten unabhängigen Ansprüche 4 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand jeweiliger abhängiger Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Material auf Kupferbasis zeigt hervorragende Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeexpansionskoeffizienten, niedrige Herstellkosten und gute Bearbeitbarkeit, da das Legierungspulver auf Eisenbasis, das geringfügig in der Matrix dispergiert ist, auf effektive Weise die Wärmeausdehnung der Matrix unterdrückt. Das Material mit dem Matrixpulver, das die Dispersion einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungsphase enthält, verfügt über hervorragende Härte und Festigkeit. Ferner ist beim Herstellprozess eine zusätzliche Lösungs- oder Alterungsbehandlung erforderlich, so dass die Herstellung mittels vereinfachter Prozesse ohne Schwierigkeiten ausgeführt werden kann.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Materials auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit wird eine Matrix in Form einer reinen Kupferphase, in Form einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungsphase oder einer Mischmatrix aus diesen beiden verwendet.

Reines Kupfer verfügt über hervorragende Wärmeleitfähigkeit, so dass dann, wenn es für die Matrix verwendet wird, ein Material mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden kann. Indessen verfügt eine durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungsphase über eine Struktur, die eine feine und gleichmäßige Dispersion der ausgefällten übersättigten Legierungskomponente in der Matrix enthält. Eine derartige Kupferlegierung ist hinsichtlich der Härte und der Festigkeit hervorragend, wobei sie jedoch hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit reinem Kupfer etwas unterlegen ist. Insbesondere ist die durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungsphase zur Verwendung in einem Material auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit, das für Presssitzelemente verwendet wird, geeignet. Im Fall des Gemischs aus der reinen Kupferphase und der durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungsphase können die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Materials durch Regulieren der Mischungsverhältnisse entsprechend Verwendungserfordernissen kontrolliert werden.

Als durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungsphasen können solche verwendet werden, wie sie für Leiterrahmen eingesetzt werden. Beispiele sind Legierungen auf Cu-Zr-, auf Cu-Fe-P-, auf Cu-Ni-Fe-P-, auf Cu-Cr- und auf Cu-Cr-Sn-Basis.

Die bei der Erfindung verwendete Legierung auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, ist z. B. Invar (Fe-36Ni), Superinvar (Fe-31Ni-5Co), rostfreies Invar (Fe-52,3Co-10,4Cr), Kovar (Fe-29Ni-17Co), die Legierung 42 (Fe-42Ni) und die Legierung Fe-17B. Diese Legierungen sind billiger und zeigen bessere Bearbeitbarkeit als Molybdän und Wolfram, wie sie oben genannt sind.

Das oben genannte Legierungspulver auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, ist in der oben genannten Matrix dispergiert, und die Oberflächen von Legierungspulvern reagieren geringfügig mit der Matrix. Demgemäß unterdrückt das Legierungspulver auf Eisenbasis auf starke Weise die Wärmeausdehnung der Matrix aufgrund der starken Bindung zwischen ihm und der Matrix, wodurch insgesamt die Wärmeausdehnung des Materials verringert wird.

Beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren werden, um den oben genannten Diffusionszustand des Legierungspulvers auf Eisenbasis in der Matrix zu erzielen, dasselbe und ein Matrixpulver miteinander vermischt und unter Druck zu einem ungebrannten Verdichtungskörper verdichtet und bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 600°C gesintert.

Wenn die Sintertemperatur unter 400°C liegt, sind die Wärmeleitfähigkeit und die Festigkeit der Sintererzeugnisse wegen unzureichender Diffusion der Matrix selbst nicht gut. Wenn die Sintertemperatur über 600°C liegt, ist der Unterdrückungseffekt betreffend die Wärmeausdehnung beeinträchtigt, und die Wärmeleitfähigkeit der Matrix ist als Ergebnis einer übermäßigen Reaktion des Legierungspulvers auf Eisenbasis mit der Matrix behindert. Insbesondere dann, wenn ein Nickel enthaltendes Legierungspulver auf Eisenbasis verwendet wird, kommt es zu unerwünschten Ergebnissen, da Kupfer und Nickel eine kontinuierliche Feststofflösung bilden können und da Nickel übermäßig in die Matrix diffundiert. Im oben genannten Temperaturbereich wird keine Flüssigphase von Kupfer erzeugt, so dass die Dimensionsgenauigkeit hervorragend ist.

Mit zunehmendem Umfang der Dispersion des oben genannten Legierungsmaterials auf Eisenbasis in der Matrix nimmt der Effekt einer Unterdrückung der Wärmeausdehnung zu. Jedoch führt dies zu einer Verringerung der Relativmenge der Matrix, wodurch die Wärmeleitfähigkeit abnimmt. Wenn der Gehalt des Legierungspulvers auf Eisenbasis weniger als 5 beträgt, ist der Effekt betreffend die Unterdrückung der Wärmeausdehnung unzureichend. Wenn der Gehalt des Legierungspulvers auf Eisenbasis 60 % überschreitet, nimmt die Relativmenge der Matrix ab, und die Wärmeleitfähigkeit fällt merklich. Demgemäß liegt der Gehalt des Legierungspulvers auf Eisenbasis vorzugsweise im Bereich von 5 bis 60 %.

Wenn beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren die Matrix die durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungsphase enthält, können die folgenden Vorteile erwartet werden. Bei einem üblichen Herstellverfahren für eine durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierung wird die Legierungskomponente in einer übersättigten Feststofflösung durch eine Lösungsbehandlung in einer Matrix nach einem Gießvorgang gebildet, und sie wird dann durch eine Alterungsbehandlung ausgefällt. Jedoch ist die Erfindung dahingehend von Vorteil, dass sich das durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver in einem Zustand genau wie nach einer Lösungsbehandlung bei einem Feinzerkleinerungsprozess befindet, weswegen diese Behandlung weggelassen werden kann.

Wenn nach der Lösungsbehandlung eine Behandlung zum Verleihen von Spannungen vor der Alterungsbehandlung erfolgt, ist es wünschenswert, dass die Spannungen die Ausfällung während der Alterung beschleunigen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wirken die Spannungen auf effektive Weise, da sie sich während des Verdichtens des Pulvers in den Pulverteilchen ansammeln. Wenn in diesem Fall ein schnell verfestigtes Pulver verwendet wird, liefert die Komponente der übersättigten Feststofflösung Spannungen in den Pulverteilchen, so dass sich viele Spannungen ansammeln, um einen besseren Effekt zu erzeugen.

Darüber hinaus liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren die Sintertemperatur im Bereich von 400 bis 600°C, wie oben beschrieben, der für die Alterungsbehandlung ziemlich effektiv ist, so dass in der Matrix durch den Alterungseffekt während des Sintervorgangs eine Ausfällung erzeugt wird. Demgemäß können sowohl der Verbindungsvorgang durch Diffusion als auch die Alterungsbehandlung der Pulverteilchen durch Sintern gleichzeitig bewerkstelligt werden. So ist kein zusätzlicher Alterungsprozess erforderlich, was einen Vorteil darstellt.

Im Ergebnis is beim erfindungsgemäßen Verfahren die Verwendung einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierung angesichts der Tatsache extrem wirkungsvoll, dass die Alterungsausfällung effektiv erfolgen kann und die Verfestigung der Matrix leicht erzielt werden kann, ohne dass jeglicher gesonderter Alterungsprozess hinzuzufügen wäre. Wenn als durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierung ein schnell verfestigtes Pulver verwendet wird, wird der Effekt zum Verbessern der Festigkeit durch die Beschleunigung der Voralterung dank der Zunahme der Spannungen in den Pulverteilchen erzeugt.

Das vorstehend genannte Material auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit enthält eine Dispersion von 5 bis 60 % eines Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, in der Matrix der reinen Kupferphase. Das Pulver auf Eisenbasis diffundiert geringfügig in die Matrix, und es unterdrückt stark die Wärmeausdehnung derselben, um ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmeausdehnung zu bilden.

Wenn die Matrix die durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungsphase enthält, ist zwar die Wärmeleitfähigkeit etwas niedriger als in einer reinen Kupfermatrix, jedoch existiert immer noch eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit, und zusätzlich verfügt das Material über eine niedrige Wärmeausdehnung, hohe Härte und hohe Festigkeit. Das erzielte Material ist zur Herstellung verschiedener Elemente mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit geeignet wie solchen, die bei Presssitzen verwendet werden, da die Verformung beim Presssitzvorgang gering ist.

Wenn die Matrix ein Gemisch aus einer reinen Kupferphase und einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungsphase enthält, ist es zweckdienlich, dass die Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Materials entsprechend den Anwendungserfordernissen kontrolliert werden können. In diesem Fall kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials verbessert werden, ohne dass die Festigkeit abnimmt, wenn die Matrix die dispergierte Phase aus reinem Kupfer mit einer Menge von 75 % oder weniger enthält. Es ist wünschenswert, dass die reine Kupferphase in Form eines Netzwerks in der Matrix dispergiert ist.

Durch Erhöhen des Anteils der reinen Kupferphase in der Matrix wird die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Wenn der Anteil mehr als 50 % beträgt, ist jedoch der Verbesserungseffekt hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Menge nicht mehr allzu auffällig.

Indessen hat die Härte bis zu einem Anteil von ungefähr 50 der reinen Kupferphase in der Matrix einen beinahe konstanten Wert, während oberhalb von 50 % die Tendenz einer Abnahme besteht. Wenn der Gehalt der reinen Kupferphase 75 überschreitet, fällt die Härte abrupt. Demgemäß muss der Anteil der reinen Kupferphase in der Matrix 75 % oder weniger bezogen auf die Masse sein. Der Anteil der reinen Kupferphase liegt angesichts des ausgeprägten Verbesserungseffekts bei der Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise im Bereich von 25 bis 75 %.

Ein derartiges Material auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit kann ohne Schwierigkeiten dadurch erhalten werden, dass 75 oder weniger Massen%, vorzugsweise 25 bis 75 Massen%, an reinem Kupferpulver mit durch Ausfällungshärtung erzieltem Kupferlegierungspulver als Rest gemischt werden, um ein Matrixpulvergemisch zu erzielen.

Beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren wird das Sintern bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 600°C ausgeführt, um die Diffusion des Legierungspulvers auf Eisenbasis in die Matrix zu unterdrücken. In diesem Temperaturbereich ergibt sich keine Flüssigphase von Kupfer, so dass das Pulvergemisch nicht effektiv verdichtet wird. Daher ist es, um eine Matrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, erforderlich, zuvor einen ungebrannten Verdichtungskörper mit einer relativen Dichte von 93 % oder mehr aus dem Pulvergemisch herzustellen.

Wenn ein Matrixpulver von einem Kupferpulver, einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierung oder einem Gemisch hieraus verwendet wird, kann die Diffusion beim Sintervorgang dadurch beschleunigt werden, dass das Matrixpulver einer Größenverringerung zu einem feinen Pulver unterzogen wird, wodurch das Wachstum an Berührungsstellen zwischen Teilchen erhöht wird. Ferner können, wenn die Teilchengröße des Matrixpulvers kleiner als die des Legierungspulvers auf Eisenbasis gemacht wird, die Matrixteilchen eine hoch kontinuierliche Struktur bilden, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.

Indessen kommt es, wenn auch die Teilchengröße des Legierungspulvers auf Eisenbasis verkleinert wird, zu Problemen nicht nur hinsichtlich einer Verringerung des Fließvermögens und eines Fressens des Formwerkzeugs, sondern auch zu einer Zunahme der Diffusionsmenge hinsichtlich der Matrix wegen zunehmendem Wachstum an Berührungsstellen zwischen Teilchen, zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix und einer Zunahme des Wärmeexpansionskoeffizienten des Legierungspulvers auf Eisenbasis aufgrund einer Änderung der Zusammensetzung des letzteren, und zwar selbst dann, wenn die Menge der diffundierten Phase klein ist, wie oben genannt. Wenn dagegen die Teilchengröße des Pulvers insgesamt zu groß ist, können die Teilchen nicht gleichmäßig in die Matrix diffundieren. Demgemäß nimmt der Effekt einer Unterdrückung der Wärmeausdehnung lokal ab, und im Ergebnis kann keine ausreichende Unterdrückung der Wärmeausdehnung erzielt werden.

Aus dem obigen Grund verfügt das Legierungspulver auf Eisenbasis vorzugsweise über eine Teilchengröße unter 100 mesh (Durchtrittsöffnung von 100 mesh), und bevorzugter verfügen 40 % oder mehr des Pulvers über eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr. Wenn die Menge des Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr unter 40 liegt, ist die Menge an feinem Pulver zu groß, und der Effekt der Unterdrückung der Wärmeausdehnung ist verringert, wobei zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit der Matrix niedrig wird.

Hinsichtlich des für das Matrixpulver verwendeten reinen Kupferpulvers ist es bevorzugt, dass es über eine Teilchengröße unter 100 mesh verfügt und dass 60 % oder weniger des Pulvers eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr aufweisen, so dass die Teilchengröße des reinen Kupferpulvers kleiner als die des oben genannten Pulvers auf Eisenbasis ist. Betreffend das durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver ist es bevorzugt, dass die Teilchengröße kleiner als 100 mesh ist und dass 70 % oder weniger des Pulvers über eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr verfügen, so dass das durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver eine geringere Teilchengröße als das oben genannte Legierungspulver auf Eisenbasis aufweist.

Wenn sowohl ein durch Ausfällungshärtung erzieltes Kupferlegierungspulver als auch reines Kupferpulver gleichzeitig verwendet werden, ist es bevorzugt, das letztere mit feinerer Teilchengröße als das erstere zu verwenden. Durch Herstellen eines Matrixpulvergemischs auf die obige Weise nimmt die Möglichkeit des Vorliegens von Pulverteilchen aus reinem Kupfer im durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver und/oder im Legierungspulver auf Eisenbasis zu. Durch Verdichten und Sintern eines derartigen Matrixpulvers kann eine Netzwerkstruktur betreffend die Dispersion der reinen Kupferphase erzeugt werden, was im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit wünschenswert ist.

Angesichts dieser Tatsache ist es dann, wenn sowohl ein durch Ausfällungshärtung erzieltes Kupferlegierungspulver als auch reines Kupferpulver gleichzeitig verwendet werden, bevorzugt, dass das letztere eine Teilchengröße unter 100 mesh aufweist, und dass 40 % oder weniger des Pulvers eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr aufweisen. Wenn der Gehalt an Teilchen mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr größer als 40 % ist, ist die Teilchengrößenverteilung zur groben Seite verschoben, und die Netzwerkstruktur der reinen Kupferphase wird nur schwer gebildet.

Durch Regulieren der Teilchengrößen des Legierungspulvers auf Eisenbasis und des Matrixpulvers auf die oben genannte Weise ist es möglich, eine effiziente Wärmeleitfähigkeit zu erzielen und die Wärmeausdehnung ju unterdrücken.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.

1 ist ein Kurvenbild, das die Beziehungen zwischen der Zusatzmenge eines Legierungspulvers auf Eisenbasis in Kupferpulver und einerseits der Wärmeleitfähigkeit und andererseits dem Wärmeexpansionskoeffizienten zeigt.

2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Sintertemperatur und der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Zusatzmenge des Legierungspulvers auf Eisenbasis im Kupferpulver zeigt.

3 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Sintertemperatur und dem Wärmeexpansionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Zusatzmenge des Legierungspulvers auf Eisenbasis im Kupferpulver zeigt.

4 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Art des Legierungspulvers auf Eisenbasis und einerseits der Wärmeleitfähigkeit sowie andererseits dem Wärmeexpansionskoeffizienten zeigt.

5 ist ein Kurvenbild, das die Beziehungen zwischen der Zusatzmenge eines Legierungspulvers auf Eisenbasis in durch Ausfällungshärtung erzieltem Kupferlegierungspulver und einerseits der Wärmeleitfähigkeit sowie andererseits dem Wärmeexpansionskoeffizienten zeigt.

6 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit und dem Mischungsanteil von reinem Kupferpulver in einem Matrixpulver zeigt, das als Rest ein durch Ausfällungshärtung erzieltes Kupferlegierungspulver enthält, wobei der Gehalt an Legierungspulver auf Eisenbasis konstant ist.

7 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Härte und dem Mischungsanteil von reinem Kupferpulver in einem Matrixpulver zeigt, das als Rest ein durch Ausfällungshärtung erzieltes Kupferlegierungspulver enthält, wobei der Gehalt an Legierungspulver auf Eisenbasis konstant ist.

8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Sintertemperatur und einerseits der Wärmeleitfähigkeit sowie andererseits dem Wärmeexpansionskoeffizienten bei konstanten Mischungsanteilen des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers und des Legierungspulvers auf Eisenbasis zeigt.

9 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Sintertemperatur und der Härte bei konstanten Mischungsanteilen des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers und des Legierungspulvers auf Eisenbasis zeigt.

10 ist ein Kurvenbild, das einen Vergleich von Wärmeleitfähigkeiten reinen Kupferpulvers und verschiedener Arten von durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvern zeigt, die verschiedene Arten von Legierungspulvern auf Eisenbasis enthalten.

11 ist ein Kurvenbild, das einen Vergleich von Wärmeexpansionskoeffizienten reinen Kupferpulvers und verschiedener Arten von durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvern zeigt, die verschiedene Arten von Legierungspulvern auf Eisenbasis enthalten.

12 ist ein Kurvenbild, das einen Vergleich von Härte reinen Kupferpulvers und verschiedener Arten von durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvern zeigt, die verschiedene Arten von Legierungspulvern auf Eisenbasis enthalten.

13 ist ein Kurvenbild, das den Einfluss des Gehalts an Pulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr in einem durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver auf sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Härte für den Fall zeigt, dass als Matrixpulver ein Vorabgemisch aus durch Ausfällungshärtung erzieltem Kupferlegierungspulver und reinem Kupferpulver verwendet werden.

14 ist ein Kurvenbild, das den Einfluss des Gehalts an Pulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr in einem durch reines Kupferpulver auf sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Härte für den Fall zeigt, dass als Matrixpulver ein Vorabgemisch aus durch Ausfällungshärtung erzieltem Kupferlegierungspulver und reinem Kupferpulver verwendet werden.

15 ist ein Kurvenbild, das den Einfluss des Gehalts an Pulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr in einem Legierungspulvershärtung auf Eisenbasis auf sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Härte für den Fall zeigt, dass als Matrixpulver ein Vorabgemisch aus durch Ausfällungshärtung erzieltem Kupferlegierungspulver und reinem Kupferpulver verwendet werden.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung weiter, sollen dieselbe jedoch nicht beschränken.

Beispiel 1

Wie es in der folgenden Tabelle 1 dargestellt ist, wurden Legierungspulver auf Eisenbasis mit einer Teilchengröße unter 100 mesh, mit einem Anteil des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr von 40 % hergestellt, und es wurden die jeweiligen Werte des Wärmeexpansionskoeffizienten unter 100°C gemessen.

Tabelle 1

Es wurden Kupferpulver mit einer Teilchengröße von unter 100 mesh hergestellt, wobei 40 % des Pulvers eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr aufwiesen. Die oben genannten Legierungspulver auf Eisenbasis wurden mit den in der Tabelle 2 angegebenen Anteilen zu den Kupferpulvern gemischt. Die Pulvergemische wurden einer Verdichtung bei einem Druck von 1470 MPa unterzogen, um ungebrannte Verdichtungskörper zu erhalten, die bei den in der Tabelle 2 angegebenen Temperaturen in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniakgas gesintert wurden, um Proben 1-01 bis 1-31 zu erhalten. Es wurden die Wärmeleitfähigkeiten und die Wärmeexpansionskoeffizienten dieser Proben gemessen, und die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 2 angegeben. Die aus den in der Tabelle 2 angegebenen Ergebnissen erstellten Kurvenbilder sind diejenigen der 1 bis 4.

Tabelle 2

Bei den Beispielen 1-01 bis 1-09 in der Tabelle 2 sind die Mengen des Legierungspulvers auf Eisenbasis (Fe-36Ni) relativ zur Menge des Kupferpulvers variiert. Durch Vergleich dieser Proben ergibt sich der Einfluss des Gehalts an Legierungspulver auf Eisenbasis auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeexpansionskoeffizienten. Diese Einflüsse sind in der 1 als Kurvenbild dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Probe 1-02, die 5 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis enthält, eine kleinere Wärmeleitfähigkeit und einen kleineren Wärmeexpansionskoeffizienten als die Probe 1-01 aufweist, die kein Legierungspulver auf Eisenbasis (d.h. 100 % Kupfer) enthält, so dass der Wärmeexpansionskoeffizient verbessert war.

Bei zunehmendem Anteil des Legierungspulvers auf Eisenbasis besteht die Tendenz einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeexpansionskoeffizienten. Jedoch zeigt die Probe 1-09, die 60 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis enthält, im Gegensatz hierzu einen erhöhten Wärmeexpansionskoeffizienten. Als Grund für die Änderung auf eine Zunahme des Wärmeexpansionskoeffizienten wird angenommen, dass beim Sintern bei 500°C eine Überschussmenge an nicht gebundenem Legierungspulver auf Eisenbasis erzeugt wurde, wobei die Ausdehnung des Kupfers nicht unterdrückt werden konnte. Anders gesagt, werden zwar mit den Kupferpulverteilchen in Kontakt stehende Teilchen des Legierungspulvers auf Eisenbasis an die Oberflächen der Kupferpulverteilchen gebunden, jedoch verbinden sich die Teilchen des Legierungspulvers auf Eisenbasis nicht miteinander. Demgemäß wird davon ausgegangen, dass der Effekt einer Unterdrückung der Wärmeausdehnung wegen des Auftretens eines Schlupfs zwischen den Grenzflächen der nicht gebundenen Teilchen des Legierungspulvers auf Eisenbasis während der Wärmeausdehnung von Kupfer nicht erzeugt werden kann.

Bei den Proben 1-10 bis 1-14, 1-15 bis 1-19 sowie 1-20 bis 1-24 betragen die Anteile des Legierungspulvers auf Eisenbasis (Fe-36Ni-5Co) 30, 40 bzw. 50 Massen%, wobei die Sintertemperaturen variiert wurden. Durch Vergleich dieser Proben ergibt sich der Einfluss der Sintertemperatur auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeexpansionskoeffizienten. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in den 2 und 3 als Kurvenbilder dargestellt. Wenn die Sintertemperatur erhöht wird, besteht die Tendenz einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich von 400°C, 500°C und 600°C. Die Wärmeleitfähigkeit fällt bei 1000°C merklich. Andererseits nimmt der Wärmeexpansionskoeffizient im Temperaturbereich von 400°C bis 500°C ab, während er anschließend bei höheren Temperaturen eine Zunahmetendenz zeigt. Bei einer Temperatur von 1000°C steigt der Wärmeexpansionskoeffizient merklich an. Es wird davon ausgegangen, dass das Kupferpulver und das Legierungspulver auf Eisenbasis ineinander diffundierten und die Eigenschaften des Materials beim Sintern bei 1000°C beeinträchtigt wurden. Beim Sintern bei einer Temperatur von 300°C war die Stärke schlechter, da der Sintervorgang der Matrix nicht fortschritt. Unabhängig vom Gewichtsanteil des Legierungspulvers auf Eisenbasis zeigten alle Proben eine ähnliche Tendenz. Angesichts der obigen Ergebnisse zeigt es sich, dass die geeignete Sintertemperatur im Bereich von 400°C bis 600°C liegt.

Die Proben 1-06, 1-17, 1-26, 1-29 und 1-31 wurden bei einem Gehalt von 40 Massen% von Legierungspulvern auf Eisenbasis verschiedener Zusammensetzungen bei einer Temperatur von 500°C gesintert. Durch Vergleich dieser Proben ergibt sich der Einfluss der Art des Legierungspulvers auf Eisenbasis auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeexpansionskoeffizienten. Derartige Einflüsse sind in der 4 veranschaulicht. Bei jeder der Proben, die ein Legierungspulver auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, enthalten, sind die Werte der Wärmeleitfähigkeit unabhängig von der Art des Legierungspulvers auf Eisenbasis beinahe gleich, und der Wärmeexpansionskoeffizient war auf niedrige Werte gesenkt.

Angesichts der vorstehenden Ergebnisse wurde geklärt, dass die im Temperaturbereich von 400 bis 600°C gesinterten Proben, die 5 bis 60 Massen% eines dispergierten Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, enthalten, das in der Kupfermatrix dispergiert war, einen kleinen Wärmeexpansionskoeffizient zeigen, ohne dass die Wärmeleitfähigkeit übermäßig verringert wäre.

Beispiel 2

Gemische eines Kupferpulvers mit einer Teilchengröße unter 100 mesh und eines Legierungspulvers auf Eisenbasis in Form von Fe-36Ni mit einer Teilchengröße von 100 mesh wurden einem Verdichtungsvorgang bei einem Druck von 1470 MPa unterzogen. Diejenigen Zusammensetzungen, die verschiedene Mengen an Pulvermaterialien mit den spezifizierten Teilchengrößen enthalten, sind in der folgenden Tabelle 3 als Proben 1-06 sowie 1-32 bis 1-39 angegeben, wobei die Mischungsanteile der jeweiligen Proben dieselben wie der Mischungsanteil der Probe 1-06 beim Beispiel 1 waren, d. h. 60 Massen% an reinem Kupferpulver und 50 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis. Die erhaltenen ungebrannten Verdichtungskörper wurden bei 500°C in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniakgas gesintert. Es wurden die Wärmeleitfähigkeiten und die Wärmeexpansionskoeffizienten dieser Proben gemessen, und die zugehörigen Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3

Die Proben 1-06 und 1-32 bis 1-36 enthalten ein Kupferpulver, von dem 60 % der Teilchen eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr aufweisen, sowie ein Legierungspulver auf Eisenbasis mit verschiedenen Pulvermengen mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder weniger. Durch Vergleichen dieser Proben ergibt sich der Einfluss des Anteils von Pulver mit 50 &mgr;m oder weniger der Teilchengröße im Pulver auf Eisenbasis auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeexpansionskoeffizienten. Aus den Ergebnissen in der Tabelle 3 ist es erkennbar, dass bei einer Abnahme des Gehalts von Pulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder weniger betreffend die Legierungspulver auf Eisenbasis die Wärmeleitfähigkeit verbessert ist, wobei jedoch der Wärmeexpansionskoeffizient konstant ist. Insbesondere zeigten die Proben mit 60 % oder weniger der Teilchen mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder weniger betreffend die Legierungspulver auf Eisenbasis gute Wärmeleitfähigkeiten von 100 W/m·K.

Die Proben 1-06 sowie 1-37 bis 1-39 enthalten ein Legierungspulver auf Eisenbasis, bei dem 40 % des Pulvers über eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder weniger verfügen, wobei verschiedene Mengen von Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr vorliegen. Durch Vergleichen dieser Proben ergibt sich der Einfluss des Anteils von Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeexpansionskoeffizienten. Es ist erkennbar, dass mit zunehmendem Gehalt an Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr die Wärmeleitfähigkeit abnimmt. Proben mit 60 % oder weniger an Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr zeigten gute Wärmeleitfähigkeiten von mehr als 100 W/m·K.

Angesichts der vorstehenden Ergebnisse war es ersichtlich, dass dann, wenn ein Matrixpulver eine Teilchengröße von unter 100 mesh aufweist und es zu 60 % oder weniger über Teilchen mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr verfügt, und wenn das oben genannte Legierungspulver auf Eisenbasis eine Teilchengröße von unter 100 mesh aufweist und 60 % oder weniger der Teilchen des Pulvers eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder weniger aufweisen, der Effekt besonders hoch ist.

Beispiel 3

Es wurden mehrere durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver mit unter 100 mesh, bei denen 70 % der Teilchen eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr aufwiesen, so hergestellt, wie es in den Tabellen 4 und 6 angegeben ist. Indessen wurden auch reine Kupferpulver mit 100 mesh, bei denen 40 % der Teilchen eine Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr aufwiesen, hergestellt. Dann wurden die in der Tabelle 1 angegebenen Legierungspulver auf Eisenbasis mit den hergestellten, durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvern und den hergestellten Kupferpulvern mit den in den Tabellen 4 und 6 angegebenen Verhältnissen vermischt. Die Pulvergemische wurden dann einem Verdichtungsvorgang bei einem Druck von 1470 MPa unterzogen, und die erhaltenen ungebrannten Verdichtungskörper wurden in einer Atmosphäre dissoziierten Ammoniakgases bei den in den Tabelle 5 und 7 angegebenen Temperaturen gesintert, um Proben 2-01 bis 2-37 zu erhalten. Für jede dieser Proben wurden die Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeexpansionskoeffizient und die Härte gemessen, wobei die zugehörigen Ergebnisse ebenfalls in den Tabellen 5 und 7 angegeben sind.

Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7

Die Proben 2-01 bis 2-05, 2-10 sowie 2-17 bis 2-19 bestanden aus einem durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver (Cu-0,3Ni-0,3Fe-0,15P) und einem Legierungspulver auf Eisenbasis (Fe-36Ni), wobei die Mischungsverhältnisse jeweils zueinander variiert waren. Durch Vergleichen dieser Proben ergibt sich der Einfluss des Gehalts des Legierungspulvers auf Eisenbasis auf die Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeexpansionskoeffizienten und die Härte. Das Kurvenbild der 5 zeigt die Beziehung zwischen den Zusatzmengen an Legierungspulver auf Eisenbasis und sowohl der Wärmeleitfähigkeit als auch dem Wärmeexpansionskoeffizienten.

Angesichts dieser Ergebnisse ergibt es sich, dass die Probe 2-02, die 5 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis enthält, eine kleinere Wärmeleitfähigkeit und einen kleineren Wärmeexpansionskoeffizienten als die Proben 2-01 aufweist, die kein Legierungspulver auf Eisenbasis enthält. Bei zunehmender Zusatzmenge des Legierungspulvers auf Eisenbasis besteht die Tendenz einer Abnahme der Werte der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeexpansionskoeffizienten. Jedoch ist bei der Probe 2-19, die mehr als 60 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis enthält, im Gegensatz hierzu der Wärmeexpansionskoeffizient erhöht. Es wird davon ausgegangen, dass die Tendenz einer Zunahme des Wärmeexpansionskoeffizienten auf dem Grund beruht, dass beim Sintern bei 500°C eine Überschussmenge an Legierungspulver auf Eisenbasis ohne Bindung erzeugt wird, so dass es nicht möglich war, die Expansion der Matrix der durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierung zu unterdrücken. Anders gesagt, sind zwar die Legierungspulver auf Eisenbasis in der Kontaktoberflächenschicht mit dem durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver verbunden, jedoch sind die Legierungspulverteilchen auf Eisenbasis nicht miteinander verbunden.

Demgemäß wird davon ausgegangen, dass der Unterdrückungseffekt betreffend die Wärmeausdehnung bei der Wärmeausdehnung von Kupfer wegen des Auftretens eines Schlupfs zwischen den Grenzflächen der nicht verbundenen Legierungspulverteilchen auf Eisenbasis nicht erzeugt werden kann.

Die Proben 2-05 bis 2-09 sowie 2-10 bis 2-16 enthalten jeweils dieselbe Menge eines Legierungspulvers auf Eisenbasis (Fe-36Ni). Die Mischungsanteile betreffend das durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver (Cu-0,3Ni-0,3Fe-0,15P) und das reine Kupferpulver wurden variiert. Wenn diese Proben miteinander verglichen werden, zeigt sich der Einfluss des Mischungsanteils von reinem Kupferpulver im Matrixpulver auf die Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeexpansionskoeffizienten und die Härte. Die Beziehung zwischen dem Mischungsanteil des reinen Kupferpulvers und der Wärmeleitfähigkeit ist im Kurvenbild der 6 dargestellt, und die Beziehung zwischen dem Mischungsanteil des reinen Kupferpulvers und der Härte ist im Kurvenbild der 7 dargestellt.

Angesichts dieser Ergebnisse zeigt es sich, mittels der Tabellen 4 und 5, dass der Wärmeexpansionskoeffizient selbst dann konstant ist, wenn reines Kupferpulver zum durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver zugesetzt wird, dass jedoch die Wärmeleitfähigkeit bei einem Zusatz von 25 Massen% reinen Kupferpulvers zunimmt, wie es aus der 6 erkennbar ist. Jedoch zeigt es sich, dass ein Zusatz von mehr als 50 Massen% bezogen auf die erhöhte Zusatzmenge nur zu einer kleinen Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit führt. Indessen bleibt die Härte bis zu einer Zusatzmenge von 50 Massen% reinen Kupferpulvers auf einem konstant hohen Wert, während eine Tendenz der Abnahme dieses Werts besteht, wenn die Zusatzmenge 50 Massen% übersteigt. Wenn die Zusatzmenge größer als 75 Massen% ist, fällt die Härte merklich, wie es aus der 7 erkennbar ist. Daraus ergibt es sich, dass der Zusatz von reinem Kupferpulver zum durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver die Wärmeleitfähigkeit verbessern kann, dass jedoch eine Zusatzmenge von 75 Massen% oder weniger im Hinblick auf die Härte geeignet ist.

Die Sintertemperaturen wurden bei den Proben 2-20 bis 2-24 variiert, die aus einem Pulvergemisch von 60 Massen% eines durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers (Cu-0,3Ni-0,3Fe-0,15P) und 40 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis (Fe-36Ni) bestanden. Durch Vergleichen dieser Proben ergibt sich der Einfluss der Sintertemperatur auf die Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeexpansionskoeffizienten und die Härte. Die Beziehung zwischen der Sintertemperatur und einerseits der Wärmeleitfähigkeit sowie andererseits dem Wärmeexpansionskoeffizienten ist im Kurvenbild der 8 dargestellt, und die Beziehung zwischen den Sintertemperaturen und der Härte ist in der 9 dargestellt.

Aus diesen Ergebnissen ist es ersichtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit dann verbessert wird, wenn die Sintertemperatur auf 400°C erhöht wird, während sich im Bereich von 500°C bis 600°C eine Abnahmetendenz zeigt, mit einer weiteren Abnahme im Bereich bis zu einer Sintertemperatur von 1000°C. Indessen nimmt der Wärmeexpansionskoeffizient mit einem Anstieg der Sintertemperatur bis auf 400°C ab, wobei er danach eine Zunahmetendenz zeigt, mit einer weiteren merklichen Zunahme nahe 1000°C. Betreffend die Härte, zeigt diese bei einem Anstieg der Sintertemperatur einen Anstieg bis zu einem Spitzenwert bei 500°C, und über dieser Temperatur zeigt sich eine Abnahmetendenz mit einem merklich verringerten Wert bei 1000°C. Es wird davon ausgegangen, dass diese Effekte durch die Tatsache verursacht werden, dass das Kupferpulver und das Legierungspulver auf Eisenbasis beim Sintern bei 1000°C ineinander diffundieren, wodurch die Eigenschaften beeinträchtigt werden. Übrigens war die Festigkeit bei einer Sintertemperatur von 300°C nicht gut, da es zu keinem Fortschreiten des Sinterns der Matrix kam.

Unabhängig von den Zusatzmengen wurden dieselben Tendenzen beobachtet, so dass davon ausgegangen wird, dass die bevorzugte Sintertemperatur im Bereich von 400°C bis 600°C liegt.

Bei den Proben 2-10, 2-22, 2-25 bis 2-27, 2-28 bis 2-32 sowie 2-33 bis 2-37 wurden jeweils verschiedene Arten von Legierungspulvern auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C bezogen auf dasselbe durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver variiert. Beim Beispiel 2-16 erfolgte der Vergleich mit reinem Kupferpulver ohne Verwendung eines durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers. Durch Vergleich dieser Proben ergibt sich die Änderung der Wärmeleitfähigkeit, des Wärmeexpansionskoeffizienten und der Härte abhängig von einer Variation der Art des Legierungspulvers auf Eisenbasis. Die Beziehungen sind in den Balkendiagrammen in den 10 bis 12 dargestellt. Die Zahlen oben an den Balken geben die jeweiligen Probennummern an.

Aus diesen Ergebnissen ergibt es sich, dass sich die Wärmeleitfähigkeit abhängig von einer Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix ändert, jedoch kaum durch die Art des Legierungspulvers auf Eisenbasis beeinflusst wird. Ferner ist der Wärmeexpansionskoeffizient niedriger als dann, wenn kein Legierungspulver auf Eisenbasis verwendet wird, und es werden beinahe gleiche Werte erzielt, wenn eine beliebige Art eines Legierungspulvers auf Eisenbasis verwendet wird. Es wurde auch geklärt, dass die Härte bei der Verwendung eines beliebigen durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers und eines Legierungspulvers auf Eisenbasis größer als bei Verwendung von reinem Kupfer und einem Legierungspulver auf Eisenbasis ist.

Aus den vorstehenden Ergebnissen ergibt es sich, dass Proben, die 5 bis 60 Massen% einer Dispersion eines Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, in der Kupfermatrix hohe Wärmeleitfähigkeiten und kleine Wärmeexpansionskoeffizienten aufweisen. Es wurde auch geklärt, dass im Temperaturbereich von 400°C bis 600°C gesinterte Proben hohe Wärmeleitfähigkeiten, kleine Wärmeexpansionskoeffizienten und erhöhte Härtewerte aufweisen.

Ferner wurde geklärt, dass selbst dann, wenn die Art des Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, geändert wird, die erhaltenen Materialien beinahe dieselben Werte wie des Wärmeexpansionskoeffizienten und der Härte, unabhängig von der Art des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers, zeigen, wobei jedoch die Wärmeleitfähigkeit abhängig von den Eigenschaften des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers variiert. Die oben genannte Variation der Wärmeleitfähigkeit aufgrund des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers kann durch Zusetzen von 75 Massen% oder weniger reinen Kupferpulvers verbessert werden, wodurch insgesamt der Effekt der Erfindung klargestellt werden konnte.

Beispiel 4

Wie es in der Tabelle 8 angegeben ist, wurden reines Kupferpulver, durch Ausfällungshärtung erzieltes Kupferlegierungspulver in Form der Legierung Cu-0,3Ni-0,3Fe-015P sowie Legierungspulver auf Eisenbasis in Form von Fe-36Ni mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder darunter, gemessen unter 100°C, verwendet. Pulvergemische wurden dadurch hergestellt, dass 30 Massen% eines durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers, 30 Massen% reinen Kupferpulvers und 40 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis gemischt wurden. Ungebrannte Verdichtungskörper der Kupfergemische wurden durch Verdichten bei einem Druck von 1470 MPa hergestellt, gefolgt von einem Sintern in einer Atmosphäre dissoziierten Ammoniakgases bei einer Temperatur von 500°C, um Proben 2-38 bis 2-50 zu erhalten. Es wurden die Wärmeleitfähigkeit und die Härte jeder Probe gemessen, wobei die zugehörigen Ergebnisse in der Tabelle 8 gemeinsam mit den Ergebnissen der Probe 2-13 beim Beispiel 3 angegeben sind.

Tabelle 8

Durch Vergleichen der Proben 2-13 sowie 2-38 bis 2-42 ergeben sich die Einflüsse des Gehalts des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver auf die Wärmeleitfähigkeit und die Härte, wobei diese Einflüsse im Kurvenbild der 13 dargestellt sind. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt bei einer Zunahme des Gehalts des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver in gewissem Ausmaß zu, jedoch nimmt sie ab, wenn der Gehalt über 75 % beträgt.

Es wird davon ausgegangen, dass die obige Tatsache auf dem Grund beruht, dass die Teilchen im durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver mit kleinerer Größe größere Oberflächen aufweisen und für viele wechselseitige Kontaktpunkte sorgen, oder für viele Kontaktpunkte zwischen ihnen und den Teilchen des reinen Kupferpulvers oder des Legierungspulvers auf Eisenbasis sorgen. So beschleunigen die vielen Kontaktpunkte die Diffusion, und sie machen die Matrix dicht, mit dem Ergebnis einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit der Matrix. Wenn die Teilchengröße des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers kleiner als diejenige des Kupferpulvers ist, ist davon auszugehen, dass die Erzeugung eines Netzwerks einer reinen Kupferphase behindert ist und dass es zu einer Isolierung und Dispersion eines Teils der reinen Kupferphase kommt, was zu einer geringfügigen Abnahme der Wärmeleitfähigkeit führt.

Indessen nimmt, wenn der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver über 75 % beträgt, der Anteil desselben lokal zu, und es wird eine gleichmäßige Wärmeübertragung unterdrückt. Angesichts dieser Ergebnisse ist klargestellt, dass der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver vorzugsweise 70 % oder weniger beträgt.

Durch Vergleich der Proben 2-13 und 2-43 bis 2-46 ergibt sich der Einfluss des Gehalts eines Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr in reinem Kupferpulver auf die Wärmeleitfähigkeit und die Härte. Die 14 ist ein Kurvenbild, das die Einflüsse darstellt. Angesichts dieser Ergebnisse zeigt es sich, dass dann, wenn der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im reinen Kupferpulver 40 % oder weniger beträgt, die Wärmeleitfähigkeit einen beinahe konstanten Wert zeigt, mit der Tendenz einer geringfügigen Abnahme bei einem Überschreiten von 40%.

Es wird davon ausgegangen, dass der Grund für diese Tatsache darin liegt, dass bei einem reinen Kupferlegierungspulver mit kleinerer Teilchengröße die Teilchen eine größere Oberfläche aufweisen und sie über mehr Kontaktpunkte zwischen ihnen oder zwischen ihnen und den Teilchen des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers oder den Teilchen des Legierungspulvers auf Eisenbasis aufweisen. Dies beschleunigt die wechselseitige Diffusion der Pulver und macht die Matrix dicht, wodurch im Ergebnis die Wärmeleitfähigkeit der Matrix verbessert ist. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass feines, reines Kupferpulver in den Zwischenräumen des durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulvers und/oder des Legierungspulvers auf Eisenbasis existiert, um dabei eine reine Kupferphase mit Netzwerkstruktur zu bilden.

Indessen wird davon ausgegangen, dass dann, wenn der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr 40 % im reinen Kupferpulver übersteigt, die Ausbildung der Netzwerkstruktur lokal behindert wird, wodurch es zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit kommt. Daher wurde klargestellt, dass der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im reinen Kupferpulver vorzugsweise 40 % oder weniger beträgt.

Durch Vergleiche der Proben 2-13 und 2-47 bis 2-50 ergibt sich der Einfluss des Gehalts des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im Legierungspulver auf Eisenbasis auf die Wärmeleitfähigkeit und die Härte. Das Kurvenbild der 15 zeigt diese Ergebnisse.

Aus den vorstehenden Ergebnissen ergibt es sich, dass dann, wenn der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im Legierungspulver auf Eisenbasis 40 % oder mehr beträgt, die Wärmeleitfähigkeit beinahe konstant ist, während dann, wenn der Gehalt unter 40 % beträgt, eine geringfügige Tendenz einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit beobachtet wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit dadurch hervorgerufen wird, dass die Teilchengrößenverteilung des Legierungspulvers auf Eisenbasis zur Seite feiner Teilchen verschoben ist, was die Diffusion in der Matrix erleichtert. So wurde geklärt, dass der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr im Legierungspulver auf Eisenbasis vorzugsweise 40 oder mehr beträgt.


Anspruch[de]
  1. Material auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Matrix, die aus der aus einer Matrix einer reinen Kupferphase, einer Matrix einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungsphase und einer Matrix eines Gemischs dieser Phasen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und die eine Dispersion von 5 bis 60 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, enthält.
  2. Material auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit, mit einer Matrix eines Gemischs von 75 Massen% oder weniger einer reinen Kupferphase und einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungsphase als Rest.
  3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reine Kupferphase in einer Netzwerkstruktur dispergiert ist.
  4. Verfahren zum Herstellen eines Materials auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit, mit den folgenden Schritten:

    – Zusetzen von 5 bis 60 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, zu einem Matrixpulver, das aus der aus reinem Kupferpulver, einem durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver und einem Vor-Pulvergemisch derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird;

    – Vermischen des Legierungspulvers auf Eisenbasis und des Matrixpulvers, um ein Pulvergemisch derselben herzustellen;

    – Verdichten des Pulvergemischs unter Druck zu einem ungebrannten Verdichtungskörper mit einer relativen Dichte von 93 % oder mehr; und

    – Sintern des ungebrannten Verdichtungskörpers bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 600°C.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Materials auf Kupferbasis mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit, mit den folgenden Schritten:

    – Herstellen eines Matrixpulvers durch Hinzufügen von 75 Massen% oder weniger reinen Kupferpulvers zu einem durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver;

    – weiteres Zusetzen von 5 bis 60 Massen% eines Legierungspulvers auf Eisenbasis mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten von 6 × 10-6/K oder weniger, gemessen unter 100°C, zum genannten Matrixpulver;

    – Vermischen der Pulver zum Erzeugen eines Pulvergemischs derselben;

    – Vermischen des Legierungspulvers auf Eisenbasis und des Matrixpulvers, um ein Pulvergemisch derselben herzustellen;

    – Verdichten des Pulvergemischs unter Druck zu einem ungebrannten Verdichtungskörper mit einer relativen Dichte von 93 % oder mehr; und

    – Sintern des ungebrannten Verdichtungskörpers bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 600°C.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass

    – ein Kupferpulver mit Teilchen mit einer Teilchengröße von 100 mesh verwendet wird, wobei der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr 60 % oder weniger beträgt;

    – ein durch Ausfällungshärtung erzieltes Kupferlegierungspulver mit Teilchen unter 100 mesh verwendet wird, wobei der Anteil des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr 70 % oder weniger beträgt; und

    – ein Legierungspulver auf Eisenbasis mit Teilchen unter 100 mesh verwendet wird, wobei der Gehalt des Pulvers mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder weniger 60 % oder weniger beträgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixpulver ein Gemisch aus einem Kupferpulver und einem durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierungspulver verwendet wird, wobei die Teilchengröße des Kupferlegierungspulvers unter 100 mesh liegt und der Gehalt des Pulvers in ihm mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;m oder mehr 40 % oder weniger beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Ausfällungshärtung erzielte Kupferlegierungspulver durch schnelles Verfestigen einer durch Ausfällungshärtung erzielten Kupferlegierung hergestellt wird.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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