高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法
【专利摘要】本发明有关于一种高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法。该高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法是将0.5-30原子百分比的硫属元素(镓、铟、铊、锗、锡、铅、锑、铋、硒、碲或钋元素中的一种)以及剩余原子百分比的金属元素原料以预定的原子百分比制备，并置放在陶瓷容器中进行真空熔炼作业，将所得的合金熔汤以气体或液体强制冷却，使其冷却凝固成型为铸胚，再将铸胚粉碎制得合金粉末，经过筛网过筛得均匀合金粉末，最后经冷压成型及热压烧结的压合加工，制得块状合金；由此，制作出99%以上高纯度、成分差异控制±1%以内、且晶粒细致、致密度达90%以上的合金块材。
【专利说明】高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法【技术领域】
[0001]本发明有关于一种高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，尤其是指一种成分准确度不易控制的硫属元素合金块材的制造方法，在真空状态下针对内含硫属元素的合金进行熔融，再将其制备成粉末状并通过高温致密化烧结，制得具备正确成分、高均匀度、晶粒细致、高纯度、高致密度块材的制造方法。
【背景技术】
[0002]真空金属镀膜(vacuum metallization,VM)是指将金属合金块状祀材在真空条件下，运用化学、物理等特定的手段进行有机转换，使金属靶材转换成分子粒子，沉积或吸附在塑胶或金属材料的表面，形成金属薄膜，也就是我们俗称的镀膜；且由于合金镀膜具有优异的耐磨性、耐蚀性、镀层厚度均匀性、致密性高等特点，已广泛应用于各种电子产品的工艺，而随着电子工业的迅速发展以及光电产品工艺良率的提升下，对镀膜技术的要求也越来越高。
[0003]以镀膜技术中的溅镀法(sputtering)为例，溅镀法为广泛知悉的用于薄膜沉积的气相沉积技术之一；此方法多用于电子工业用薄膜沉积；其原理是在辉光放电的环境下，利用动量传递的方式，以离子轰击置于阴极的靶材，将靶原子溅射出来并沉积在基板上；溅镀靶材可用在电视、个人电脑、显示器、其他的显示器所使用的构成液晶面板、有机电激发光面板等的配线膜、光记录领域的反射膜、记录膜、半导体领域的配线膜等的形成。
[0004]一般而言，可作为靶材用的合金制造方法，其步骤如下:首先，将合金元素，例如铝、铜、镍、银、钛、镁、锰、锌、铟、锡、铬等原料，依着需求比例秤重后，放进熔炼坩埚内；之后，在大气中加热使铸锭完全熔合成均匀合金汤；接着，将熔汤倒进铸模中成锭，在冷却后取出；最后，再进行例如锻打、热冷轧，及高温退火等热处理加工工艺，以使合金内部组织均质化(homogenized),之后再以机械加工，制成所需的形状；但是,上述的合金制造方法在实际实施使用时，具有如下的缺失:(a)熔炼是在大气中进行，若合金中的元素的熔点较低(例如:锡的熔点为232°C、铟的熔点为157°C等)，且蒸气压偏高，导致易在熔炼工艺中挥发，因而改变合金成份的比例，甚至与空气发生氧化反应，以致无法正确控制合金的目标浓度，导致合金材料特性的改变；(b)熔炼浇铸工艺常发生成份分布不均，导致偏析(segregation)的问题发生,对合金的高温性质有严重的影响,进而降低合金在高温环境下的可靠度；以及(C) 一些元素(例如:铬、钛、娃等)在高温时的氧化活性极大，使得在大气熔炼过程中，极易与以氧化镁、氧化铝等为主要材质的坩埚产生化学反应，不仅侵蚀坩埚的材质，甚至进而影响所制成合金的纯度与品质；此外，上述的合金制造方法主要是针对过渡金属元素所发展的工艺。
[0005]而在元素周期表中，位于周期表右方介于过渡金属与气体元素之间的元素，其性质介于金属与非金属之间，这些元素统称为硫属元素，其中包括:镓(Ga，熔点30°C )、铟(In，熔点 115°C )、铊(Tl，熔点 303°C )、锗(Ge，熔点 937°C )、锡(Sn，熔点 232°C )、铅(Pb，熔点 328°C )、锑(Sb，熔点 631 °C )、铋(Bi，熔点 271 °C )、硒(Se，熔点 217°C )、碲(Te，熔点450°C )、针(Po,熔点254°C )等元素；以上这些元素的特点为熔点低，因此常有特殊的相变态特性，大量使用在记录媒体、相变态记忆体、太阳能发电等领域，但也因其合金配置成分必须控制精准，而同时这些金属因蒸气压高，因此非常容易在熔炼过程中大量散失，造成浓度与目标成分产生大幅差异的问题。
【发明内容】
[0006]为解决上述技术问题，本发明主要目的是提供一种成分准确度不易控制的硫属元素合金块材的制造方法，在真空状态下针对内含硫属元素的合金进行熔融，再将其制备成粉末状并通过高温致密化烧结以制得具备正确成分、高均匀度、晶粒细致、高纯度、高致密度块材的制造方法。
[0007]为了达到上述实施目的，本发明提出一种高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，至少包括下列步骤:首先，准备包括有0.5-30原子百分比的硫属元素，硫属元素为镓、铟、铊、锗、锡、铅、锑、铋、硒、碲或钋元素中的一种，以及剩余原子百分比的金属元素原料；接续，将上述所有原料全部置放在陶瓷容器中进行真空熔炼作业；然后，将真空熔炼作业所得的合金熔汤以气体或液体强制冷却，使合金熔汤冷却凝固成型为铸胚；之后，用粉碎装置将铸胚粉碎或用喷粉设备，制得合金粉末；接着，将合金粉末用筛网过筛，得到粉末粒径均匀的均匀合金粉末；最后，将均匀合金粉末依序经过冷压成型及热压或热均压烧结的压合加工，制得高蒸气压硫属元素合金块材；之后，块状的合金块材即可依实际使用的需要进一步置入机具内做二次机械加工处理，以符合所需的镀膜靶材形状、尺寸等需求。
[0008]此外，在准备原料时，包括清洁步骤，也就是将所准备的硫属元素以及金属原料表面的氧化物与油污清除，并将经过该清洁步骤的原料依预定的原子百分比制备，使制得的合金成份符合预定的原子百分比。
[0009]如上所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，优选的，所准备的硫属元素原料的纯度为99.9%以上。
[0010]如上所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，优选的，在陶瓷容器中进行真空熔炼作业是通过真空装置(例如:现有技术的真空感应炉)将陶瓷容器抽成0.1torr以下的真空状态，接着通入氩气使陶瓷容器的真空压力维持在200-600torr ;之后，将陶瓷容器置入加热器中，将温度加热至800°C -1100°C，且将陶瓷容器放置其内持续I~5分钟。
[0011]如上所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，优选的，粉碎装置为颚碎机，通过颚碎机将铸胚破碎制粒。
[0012]如上所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，优选的，筛网选自100以上网目(mesh)，使得过滤后的均匀合金粉末的粉末粒径不大于150 μ m。
[0013]如上所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，优选的，均匀合金粉末的压合加工作业是在真空炉内将均匀合金粉末充填在石墨模具进行压合加工，且石墨模具两侧设有提供热源的热管排，压合装置则以50-100MPa的压力施压在石墨模具中的均匀合金粉末，此时，热管排将石墨模具加热至300°C -70(TC，压合装置在持续施压I~3小时后，即可制得一高纯度、高蒸气压合金块材。
[0014]因此，本发明与现有技术相较之下，本发明提供的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法是在真空状态下的陶瓷容器内进行熔炼作业，不仅可有效防止其中的原料在高温熔炼过程中与空气发生氧化反应，除了增加工艺稳定性之外，也可改善低熔点金属挥发散逸的问题，使得合金成份可控制在±1%之间；此外，通过真空熔炼作业所得的铸胚，是用颚碎机破碎成合金粉末，再经过筛网过筛以使粉末粒径均匀，并以热压烧结成合金块材，使其成份均匀性高，可避免传统工艺中单以熔炼浇铸所产生的成份偏析问题。
[0015]而且，通过陶瓷容器在真空状态下进行合金的熔炼作业，与传统工艺中通过坩埚熔炼的技术相较之下，可避免熔炼过程中，合金成份与坩埚产生化学反应，使得本发明可制得较高纯度的合金块材。
[0016]本发明提供的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，通过现有的真空感应炉即可在陶瓷容器内进行抽取真空与熔炼作业，无须设计新的工艺装置或添购高昂的生产设备，可大幅降低生产制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明较佳实施例的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法步骤流程图；
[0018]图2为本发明较佳实施例在陶瓷容器中进行真空熔炼的状态示意图；
[0019]图3为本发明较佳实施例用粉碎装置将铸胚粉碎成合金粉末的状态示意图；
[0020]图4为本发明较佳实施例在真空炉下将均匀合金粉末压合制作成合金块材的状态示意图。
[0021]主要元件符号说明:
[0022]I 陶瓷容器 2 加热器
[0023]3 粉碎装置 4 压合装置`
[0024]5 石墨模具 51 热管排
[0025]6 真空炉 SI 步骤一
[0026]S2 步骤二 S3 步骤三
[0027]S4 步骤四 S5 步骤五
[0028]S6 步骤六
【具体实施方式】
[0029]本发明的目的及其结构功能上的优点，将依据附图所示的结构，配合具体实施例予以说明，为使人们能对本发明有更深入且具体的了解。
[0030]首先，请参照图1所示，为本发明的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法的较佳实施例的步骤流程图，主要包括有如下步骤:
[0031]步骤一 S1:以100%的总原料组成成份原子百分比计算，准备包括有0.5-30原子百分比的硫属元素，硫属元素为镓、铟、铊、锗、锡、铅、锑、铋、硒、碲或钋元素中的一种，以及剩余原子百分比的金属元素原料；其中，所准备的硫属元素原料的纯度为99.9%以上；此外，在步骤一 SI准备原料时，包括清洁步骤，也就是将所准备的硫属元素以及金属原料表面的氧化物与油污清除，并将经过该清洁步骤的原料依预定的原子百分比制备，使制得的合金成份符合预定的原子百分比；
[0032]步骤二 S2:将上述所有原料全部置放在陶瓷容器I中进行真空熔炼作业；在本实施例中，陶瓷容器I为陶瓷管，并通过真空装置(例如:现有技术的真空感应炉)将陶瓷容器I抽成0.1torr以下的真空状态，接着通入氩气使陶瓷容器I的真空压力维持在200-600torr ;之后，将陶瓷容器I置入加热器2中，请参阅图2所示，是本实施例在陶瓷容器I中进行真空熔炼的状态示意图，加热器2是利用感应加热线圈在短时间内将温度升至8000C -1100°C，且利用感应磁场使熔融的金属液完全混合均匀，并将陶瓷容器I容置其内持续1-5分钟；据此，不仅可有效防止其中的原料在高温熔炼过程中与空气发生氧化反应，除了增加工艺稳定性之外，也可改善低熔点金属挥发散逸的问题，使得合金成份可控制在±1%之间；
[0033]步骤三S3:将真空熔炼作业所得的合金熔汤以气体或液体强制冷却，使合金熔汤冷却凝固成型为铸胚；
[0034]步骤四S4:用粉碎装置3将铸胚粉碎，制得合金粉末；在本实施例的粉碎装置3较佳为颚碎机，通过颚碎机将铸胚破碎制粒，请一并参阅图3所示；
[0035]步骤五S5:将合金粉末用筛网过筛，得到粉末粒径一致的均匀合金粉末；其中，筛网选自100以上网目(mesh)，使得过滤后的均匀合金粉末的粉末粒径不大于150 μ m;以及
[0036]步骤六S6:将均匀合金粉末依序经过冷压成型及热压烧结的压合加工，制得块状合金；在本实施例中，【具体实施方式】是将均匀合金粉末充填在石墨模具5进行压合加工，请参阅图4所示，为本实施例将均匀合金粉末压合制作成合金块材的状态示意图；其中，压合加工是在真空炉6内进行，且石墨模具5是通过设在两侧的热管排51提供热源，而压合装置4则以50-100MPa的压力施压在石墨模具5中的均匀合金粉末，此时，热管排51将石墨模具5加热至300°C _700°C，在压合装置4持续施压1_3小时后，即可制得高密度的合金块材；而由于合金粉末是通过颚碎机破碎铸胚而成，并经过筛网过筛以使粉末粒径均匀，再经高温致密化烧结成合金块材,其成份均匀性高，即可避免传统工艺中单以熔炼浇铸所产生的成份偏析问题；随后，即可依实际使用的需要将合金块材进一步置入机具内做二次机械加工处理，以符合所需的镀膜靶材形状、尺寸等需求；因此，本发明可制作出99%以上高纯度、成分差异控制± 1%以内、且晶粒细致、致密度达90%以上的高蒸气压硫属元素的合金块材。
[0037]值得注意的，应了解本发明高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法并不仅在制成供镀膜靶材的合金产品中应用，其他用途也涵盖在内；本发明的原则是用在制成各类含有硫属元素合金产品中，因此，并不限定上述实施例所制得合金块材的用途。
【权利要求】
1.一种高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其包括下列步骤: 步骤一:以100%的总原料组成成份原子百分比计算，准备包括有0.5-30原子百分比的硫属元素，该硫属元素为镓、铟、铭、锗、锡、铅、铺、秘、硒、締或针元素中的一种，以及剩余原子百分比的金属元素原料； 步骤二:将所述总原料全部置放在陶瓷容器中进行真空熔炼作业； 步骤三:将真空熔炼作业所得的合金熔汤以气体或液体强制冷却，使所述合金熔汤冷却凝固成型为铸胚； 步骤四:用粉碎装置将所述铸胚粉碎，制得合金粉末； 步骤五:将所述合金粉末用筛网过筛，得粉末粒径一致的均匀合金粉末；以及 步骤六:将所述均匀合金粉末依序经过冷压成型及热压烧结的压合加工，制得高蒸气压硫属兀素合金块材。
2.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述硫属元素原料的纯度为99.9%以上。
3.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述步骤二是通过真空装置将陶瓷容器抽成0.1torr以下的真空状态，接着通入氩气使陶瓷容器的真空压力维持在200-600torr。
4.如权利要求3所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述真空装置为真空感应炉。·
5.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述步骤二的熔炼工艺是在800°C -1100°C的温度下持续1-5分钟。
6.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述步骤四的粉碎装置为颚碎机，通过颚碎机将所述铸胚破碎制粒。
7.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述步骤五是用100以上网目的筛网过滤合金粉末，使得过滤后的均匀合金粉末的粉末粒径不大于150 μ m0
8.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，所述步骤六是将均匀合金粉末充填在石墨模具进行压合加工，热压烧结的温度为300°C -700°C、压力为50-100MPa，且持续1-3小时。
9.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，在所述步骤一准备原料时，包括清洁步骤，该清洁步骤是将所准备的硫属元素以及金属原料表面的氧化物与油污清除，并将经过该清洁步骤的原料依预定的原子百分比制备。
10.如权利要求1所述的高蒸气压硫属元素合金块材的制造方法，其中，在所述步骤六完成后，进一步将块状合金置入机具内做二次机械加工处理，以符合实际使用的需要。
【文档编号】C23C14/34GK103572228SQ201310302226
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】陈贞光, 张俊杰, 简吉鸿 申请人:鑫科材料科技股份有限公司