銅系金屬粉末的製作方法

2023-05-14 12:27:36 3

專利名稱：：銅系金屬粉末的製作方法
技術領域：
：本發明涉及作為粉末冶金的原料粉使用的、流動性優異的銅和銅合金以及銅系混合粉末。
背景技術：
：歷來，在粉末冶金中使用的銅系粉末中，有由於其形狀、粒度等而導致流動性差的粉末。例如電解銅粉，因為是非常複雜的樹枝狀形狀，所以粉末彼此纏結，其結果是流動性變差。另外，即使是以霧化法製作的近乎球狀的形狀的粉末，若粒徑成為50pm以下的微粉末，則粒子間的附著力變強而流動性變差。在粉末冶金法中，雖然是將粉末填充到成形金屬模具中而進行擠壓成形，但特別是近年來，為了製造薄壁形狀和複雜形狀的部件，金屬模具的間隙細小而成為複雜的形狀。因此，使用流動性差的粉末時，存在發生交聯，粉末無法被填充到金屬模具中的情況。另外，即使能夠填充，在未被均一填充的情況下，在金屬模具內填充密度產生偏差，從而引起成形體強度的降低和燒結後的尺寸精度的降低。另外，因為不能在金屬模具中平滑地填充粉末，所以需要將擠壓成形速度設定得低，生產性降低。為了將其解決，在鐵系粉末中，如下述的專利文獻13所示，提出通過使用有機粉末結合主成分粉末和副成分粉而將粉末造粒，從而改善流動性。另外，在銅系粉末中，如專利文獻4所示，公開有通過將塗敷粘合劑的副成分粉和能夠用水洩漏的主成分粉混合、乾燥，從而不會使剩餘部分的粘合劑殘留到主成分的銅系粉末上而使主成分粉和副成分粉粘結的方法，和僅僅極少量使用粘合劑，將主成分粉和副成分粉和粘合劑溶液混合後，輕輕地壓縮混合物以幫助粘結的方法。在專利文獻5中公開有一種方法，是在鐵系造粒粉末中，添加原子粒3子的平均粒徑為40nrn以下的Si02等的金屬氧化物作為流動性改善材。專利文獻1特公平6-89362號公報專利文獻2特開平5-86403號公報專利文獻3特開2002-289418號公報專利文獻4特開平8-134502號公報專利文獻5特表2003-508635號公報然而，若是將使用專利文獻13所示的這種能夠適用於現有鐵系粉末的粘合劑來造粒的方法應用於銅系粉末，則碳向銅中固溶度幾乎沒有，因此存在的缺點是，即使在燒結時僅僅有殘留在粉末粒子表面的粘合劑殘渣的碳也會顯著阻礙燒結。另外，在利用專利文獻4所示的、即使是銅系也難以阻礙燒結的粘合劑進行造粒粉的製造中，因為會增加以粘合劑製造被塗敷的副成分粉的工序、或壓縮主成分、副成分、粘合劑的混合物的工序等的製造工序，所以成本變高。另一方面，即使將上述專利文獻5所述的適用於鐵系粉末的流動性改善的、添加Si02等的金屬氧化物的方法直接應用於銅系粉末，出於如下的理由仍不能得到充分的流動性。對粉末的流動性產生影響的粉末之間的附著力，一般巳知由液橋力、分子間力、靜電力組成，但是如在下述非專利文獻1中所述，在通常的溼度氣氛下分子間力發揮最大作用。分子間力與範德華常數(八7力一)成比例，該係數在鐵時為21.2，銅時為30.0，銅作用鐵的1.5倍德分子間力。這樣，例如即使具有同樣的粒子形狀、粒徑的粉末，銅粉與鐵粉相比仍會顯示出較差的流動性。非專利文獻1"粉體和粉末冶金"第45巻，第9號，1998年，849-853頁
發明內容如上，在銅系粉末中使其流動性提高極其困難。然而，因為近年粉末冶金部件的小型化、複雜形狀化、低成本化，所以在銅系中也期望有流動性良好的粉末。本發明的目的在於，提供一種可以順應這一要求的銅系粉末。本發明以解決這一現有問題點為目的，提供一種流動性優異的銅系粉末，其是在銅粉末或銅合金粉末中，以相對於銅系粉末為1.0質量％以下的量添加、混合平均粒徑40nm以下的經疏水化處理的Si02或A1203或Ti02或MgO或它們的混合物作為流動性改善材。本發明的所謂"銅合金"，是指在銅中固溶有錫、鉛、鋅、鋁、鎳、鉍、鐵、磷、錳、鈷、矽、鈦、釩、鉻、銀之中的1種或2種以上元素的金屬。另外，在本發明中，也可以在銅粉末或銅合金粉末中混合副成分粉和成形潤滑劑。作為副成分粉，可列舉像錫、鉛、鋅、鋁、鎳、鉍、鐵、磷、錳、鈷、矽、鈦、釩、鉻、銀的粉末，或者這些元素2種以上的合金粉，或者這些元素和銅的合金粉這樣的金屬成分；石墨、二硫化鉬、硫化錳、氟化鈣等固體潤滑劑；碳化物、氮化物等硬質粒子。副成分粉添加量含有能夠至銅或銅合金粉和副成分粉和成形潤滑劑的合計質量的30%的量。作為成形潤滑劑，可列舉金屬皂、蠟等。其添加量能夠含有至銅或銅合金粉和副成分粉和成形潤滑劑的合計質量的5%的量。在本發明中，上述副成分粉及/或潤滑劑被添加時，相對於銅粉末或銅合金粉末和副成分粉和成形潤滑劑的合計質量，以1.0質量％以下的量添加流動性改善材。Si02或A1203或Ti02或MgO本來表面存在親水基，因此有親水性，但是能夠使之與有機矽化合物反應而使之疏水化。如此疏水化了的Si02或Ah(^或Ti02或MgO，水分子對表面的吸附量顯著減少。親水性的粉末通過外部的水分相互附著，無法得到充分的流動性，但若疏水化，則不再具有容易附著的水分層，流動性得到改善。利用有機矽化合物進行的疏水化處理用公知的方法即可，例如，市場銷售有通過如下方法製造的有機矽化合物，該方法是將平均粒徑40nrn以下的Si02和二甲基氯矽烷(dimethylchlorosilane)與惰性的載氣一起供給到被加熱至約40(TC的反應器中而使之反應的方法。如前述，銅系粉末比鐵系粉末流動性差，親水性的流動性改善材雖然流動性改善效果不充分，但是通過實施疏水化處理，將能夠以少量的添加獲得充分的流動性改善效果。5作為本發明的效果，通過銅系粉末的流動性提高，即使在製造薄壁形狀和複雜形狀的件部這樣的情況下，也不會在向金屬模具供給粉末時發生交聯而使粉末無法被填充到金屬模具中，不但能夠填充，而且能夠避免無法均一填充而在金屬模具內填充密度產生偏差，引起成形體強度的降低和燒結後的尺寸精度的降低。另外，因為能夠在金屬模具中平滑地填充粉末，所以能夠將擠壓的成形速度設定得快，還能夠取得生產性得到提高的效果。具體實施例方式以下，詳細地說明本發明。本發明的銅粉末能夠適用基於霧化法、溶液還原法、氧化還原法等各種製法製成的粉末。作為合金粉能夠適用基於霧化法、溶液還原法、氧化還原法等各種製法製成的粉末。另外，為了滿足使用本發明的粉末製造的部件的要求品質，也可以在這些銅粉、銅合金粉中添加錫、鉛、鋅、鋁、鎳、鉍、鐵、磷、錳、鈷、矽、鈦、釩、鉻、銀的粉末，或者這些元素2種以上的合金粉，或者像這些元素和銅的合金粉這樣的金屬成分，石墨、二硫化鉬、硫化錳、氟化鈣等固體潤滑劑，碳化物、氮化物等硬質粒子等副成分粉，硬脂酸鋅、蠟等成形潤滑劑。雖然在這些基材粉末中添加、混合有平均粒徑40nm以下的SiCb或A1203或Ti02或MgO為0.0011.0質量％作為流動改善材，但本發明中使用的流動性改善材必須利用有機矽化合物等使其表面的親水基疏水化。另外，若該流動性改善材達到超過40nm的粒徑，則如果添加量不是很多，則得不到流動性改善效果，還會阻礙燒結，在燒結後殘留而對燒結部件的性能產生不利影響，因此優選為40nm以下。更優選為平均粒徑為535nm，特別優選為平均粒徑為1025nm。流動性改善材的最佳的添加量根據基材粉末的粒度和形狀而有所不同。即在呈現樹枝狀的形狀電解銅粉這種非常不規則的形狀的粉末的情況下，在粉末的凹部有一部分的流動性改善材進入不利於流動性改善，因此比起球狀或接近球狀的不規則形狀的情況，需要增多添加量。另外，基材粉末的粒徑越小，粉末之間的附著力就越大，流動性降低，但為了改善該流動性而需要進一步增加添加量。本發明的流動性改善材的添加量，銅粉末粒子的形狀為樹枝狀，平均粒徑約30150|im左右時，相對於銅粉末0.011.0質量％的範圍最佳，但粒子的形狀為樹枝狀，平均粒徑約1030lim左右時，0.31.0質量％的範圍最佳。再有，銅粉末粒子的形狀為不規則狀，平均粒徑約20100nm左右時，相對於銅粉末0.0011.0質量％的範圍最佳，但粒子的形狀為不規則狀，平均粒徑約520pm左右時，相對於銅粉末0.11.0質量％的範圍最佳。基材粉末和流動材的混合能夠採用通常用於金屬粉的混合操作V型混合機、雙錐型混合機、螺帶式混合機、動葉片式混合機、石磨等。以下基於實施例詳細地說明本發明。以下所述的基材粉末的平均粒徑是由雷射衍射散射法測定的中徑，流動性改善材的平均粒徑是由動態光散射法測定的中徑。流動度基於JisZ2502規格，測定使粉末50g從①2.63mm的孔流下時所花費的時間作為流動度。表1中顯示作為基材粉末使用電解銅粉時，利用Si02添加帶來的流動性改善效果。表1tableseeoriginaldocumentpage7電解銅粉由於其樹枝狀的形狀致使粉末彼此容易纏結，雖然認為流動性差，但是如實施例13和比較例12所示，平均粒徑約45pm左右的電解銅粉，通過添加0.01。/。的SiO2就能夠得到流動性。若將添加重量增加至0.05%，則流動性也提高，但若增加至0.3%，則反而顯示出降低的傾向。如比較例3，若在平均粒徑大，即使不添加Si02流動性也良好的粉末中添加Si02，則如實施例4流動性進一步提高。另外，粒徑小的電解銅粉比起實施例14而需要增多添加，但是，如實施例56、比較例45所示，以0.3%的添加就能夠獲得流動性。若使添加量增加至1%，則流動性稍稍降低，若增加至2%，則喪失流動性。表2中顯示作為增加粉末使用水霧化銅粉時，利用Si02添加還來的流動性改善效果。表2tableseeoriginaldocumentpage8如實施例78，比較例6所示，平均粒徑38jim的水霧化銅粉，雖然以0.0005%的添加不能取得流動性，但是以0.001%的添加就能夠獲得流動性，若添加至0.01%則流動性進一步提高。若成為平均粒徑l&m的微粉，則如實施例911、比較例7所示，在0.01%的添加時得不到流動性，增加添加量至0.1%則能夠得到流動性。其後若增加至0.3%，則流動性提高，但若使之增加至1.0%,則流動性反而降低。，如表1的實施例13，表2的實施例78所示，即使是同等水準的平均粒徑，水霧化粉不會像電解銅粉那樣成為粉末彼此纏結的那種形狀，因此通過少量的Si02添加就顯示出流動性改善效果。在表3中顯示Si02的疏水化處理的有無，和Si02粒子的粒徑對流動性造成的影響。還有，沒有進行疏水化處理的Si02和進行了疏水化處理的Si02都採用市場銷售的。表3tableseeoriginaldocumentpage9如實施例13，比較例810所示，使用未實施疏水化處理的Si02時，與採用實施了疏水化處理的Si02的情況相比，需要大大增加添加量。另外，如實施例56，比較例1213所示，在平均粒徑約19nm的微細的電解銅粉的情況下，即使添加未實施疏水化處理的Si02達1.0%，也不能獲得流動性。這與霧化銅粉的情況相同，如實施例9、11和比較例1516所示，即使添加未實施疏水化處理的Si02達1.0%，也不能獲得流動性。另外，如實施例2、比較例ll、實施例5、比較例14、實施例9、比較例17所示，即使是實施了疏水化處理的Si02，若粒徑大至50nm，則流動性改善效果很小。其次，在表4中顯示關於作為代表性的銅合金的青銅的流動性改善效果。表4tableseeoriginaldocumentpage9實施例12中顯示向平均粒徑35.6pm的水霧化青銅粉末中添加Si02帶來的流動性改善效果，實施例13中顯示向平均粒徑10.3pm的水霧化青銅粉末中添加Si02帶來的流動性改善效果，但確認到與具有同等水平的平均粒徑的水霧化銅粉末大體同等的改善效果。在表5中顯示作為增加粉末，關於在銅粉末中混合有副成分粉和潤滑劑的粉末的流動性改善效果。還有，以下的表5中的Si02添加量，是相對於銅粉末和副成分粉和潤滑劑的合計質量的out%。表5tableseeoriginaldocumentpage10實施例14中顯示，在電解銅粉和10%的水霧化錫粉，其中作為成形潤滑劑添加有硬脂酸鋅0.5out。/。的混合粉末中添加Si02為0.05%的結果，比較例18是顯示沒有添加Si02時的結果，但添加Si02為0.05%時可見流動性改善效果。實施例15中顯示，在電解銅粉和2%的石墨粉末，其中作為成形潤滑劑添加有作為蠟系潤滑劑的EBS樹脂0.5out。/。的混合粉中添加Si02的結果，比較例19中顯示沒有添加Si02時的結果，但添加Si02達0.05%時可見流動性改善效果。在表6中顯示，作為流動性改善材使用A1203，或者使用Ti02、MgO，以及使用以1:1:1:1的比率混合有Si02、A1203、Ti02、MgO的混合物時的流動性改善效果。還有，進行了疏水化處理的Si02、A1203、Ti02和MgO使用市場銷售的。表6基材粉未流動性改善粉末的種類粒子形狀平均粒徑"m)種類疏水化處理平均粒徑(nm)添加量(mass%)流動度(s/50g)實施例16電解銅粉樹枝狀44.3Al203有■13G.0170.8實施例17電解銅粉樹枝狀4UTO2有21O.OI63.2實施例18電解銅粉樹枝狀44.3MgO有250.0172.5實施例19電解銅粉樹枝狀44.34種混合(*)有19O.OI66.0*:以1:1:1:1的比率混合Si02,AI203,Ti02,MgO實施例1619所示，均能夠獲得流動性改善效果。如以上所述，本發明使用的流動性改善材如果不實施疏水化處理，則得不到充分的流動性改善效果，另外，其平均粒徑比40nm大時，也無法得到充分的流動性改善效果。流動性改善材的添加量根據增加粉末的形狀和粒徑而存在最佳的添加量，但在0.001%的添加量下，流動性改善效果開始顯現，添加量達到1%左右則具有流動性改善效果。為在此以上的添加量時流動性反而降低，因此流動性改善材的優選的添加量在0.0011%的範圍內。產業上的利用可能性本發明的銅系粉末作為流動性良好、模具填充性優異的粉末，能夠在粉末冶金的領域中得到利用，但由於在現有完全沒有流動性的微細的銅系粉末中也能夠獲得流動性，因此今後還具有適用於電子材料用的銅粉的可能性。ii權利要求1.一種銅系金屬粉末，其特徵在於，在由銅或銅合金構成的銅系粉末中添加、混合有流動性改善材，其中，所述流動性改善材是從平均粒徑為40nm以下的實施過疏水化處理的SiO2、Al2O3、TiO2、MgO及它們的混合物中選出的，並且，該流動性改善材相對於銅系粉末的添加比例為1.0質量％以下。2.根據權利要求1所述的銅系金屬粉末，其特徵在於，在所述銅粉末或銅合金粉末中，還含有錫、鉛、鋅、鋁、鎳、鉍、鐵、磷、錳、鈷、矽、鈦、釩、鉻、銀的粉末，或者這些元素2種以上的合金粉，或者從所述元素和銅的合金粉中選出的金屬成分，從石墨、二硫化鉬及硫化錳、氟化鈣中選出的固體潤滑劑，從碳化物及氮化物中選出的副成分粉和/或從金屬皂、蠟中選擇的成形潤滑劑中的至少l種，並且，所述流動性改善材相對於所述銅系粉末和副成分粉和/或成形潤滑劑的合計量的添加比例為1.0質量％以下。3.根據權利要求1或2所述的銅系金屬粉末，其特徵在於，所述Si02、A1203、Ti02、MgO通過有機矽化合物被進行了疏水化處理。全文摘要提供一種流動性優異、適合作為粉末冶金的原料粉的銅系粉末。是作為流動性改善材添加、混合有實施過疏水化處理的SiO2或Al2O3或TiO2或MgO或它們的混合物的銅系粉末，該流動性改善材的平均粒徑為40nm以下，流動性改善材的添加比例相對於銅系粉末為1.0質量％以下。這時，作為疏水化處理，適用利用有機矽化合物等進行的疏水化。文檔編號B22F1/00GK101518819SQ200910007508公開日2009年9月2日申請日期2009年2月11日優先權日2008年2月29日發明者寺居臣治,小山忠司,益岡佐千子申請人:福田金屬箔粉工業株式會社