JP6860435B2

JP6860435B2 - 粉末冶金用銅系合金粉末及び該銅系合金粉末からなる焼結体

Info

Publication number: JP6860435B2
Application number: JP2017127072A
Authority: JP
Inventors: 悠太木越; 宮川　智; 智宮川
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JP2019011483A

Description

本発明は軸受や摺動部品等に使用される銅系焼結部品を製造する粉末冶金用銅系合金粉末に関し、詳しくは、該銅系合金粉末は圧粉成形性に優れるから、小型の部品や複雑な形状の部品を成形しても、角欠け等の損傷が生じ難くてハンドリング性に優れた圧粉成形体を成形でき、また、該銅系合金粉末からなる焼結体は、高いマトリックス強度と高い電気伝導性及び放熱性を兼ね備えた焼結体になる粉末冶金用銅系合金粉末に関する。

銅粉末または銅系合金粉末を焼結して製造される銅系焼結部品は含油軸受け、摺動部材やブラシ等に使用されている。

近年、エンジンの燃焼効率向上や、パワー半導体の性能改善等の開発が進み、銅系焼結部品には強度に加え、放熱性、即ち、電気伝導性の向上が求められている。

粉末冶金において、放熱性、即ち、電気伝導性を向上させるには純銅粉末を用いれば良いのだが、純銅粉末では、軸受等の部品としての強度を満たさない虞がある。

青銅粉末や真鍮粉末を用いると強度は向上するが、青銅粉末や真鍮粉末は放熱性、即ち、電気伝導性が純銅粉末と比較して著しく劣るといった問題がある。

また、粉末冶金用銅系合金粉末には強度や電気伝導性の他に、複雑な形状の接点を有する電極材料や小型の部品を製造しても、角欠け等の損傷が生じ難く、ハンドリング性に優れた圧粉成形体を成形できることも必要である。

そこで、小型の部品や複雑な形状の部品であっても、角欠け等の損傷が生じ難くて、ハンドリング性に優れた圧粉成形体を成形できる粉末冶金用銅系合金粉末であって、該銅系合金粉末の焼結部品は高い放熱性と導電性及び高い強度を兼ね備えた焼結部品になる粉末冶金用銅系合金粉末の開発が望まれている。

特開平７−３３１３５９号公報特開平６−２１２３７４号公報特開昭６２−２６７４５６号公報

通常、銅系の時効硬化型の合金系は、高温で合金元素をＣｕマトリックス中に固溶させる溶体化処理を行った後、時効処理（加熱処理）によってＣｕマトリックス中に固溶している元素を微細に析出させるという２つの処理が行われる。

これら二つの処理によって析出硬化が期待でき、さらに、固溶している元素が析出すると、マトリックスが純Ｃｕに近付くため、放熱性、即ち、電気伝導性が向上する。

このような、時効硬化型の合金系として、特許文献１に開示されるような、Ｃｕ−Ｃｒ系やＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金等があるが、Ｃｒを含む合金系は粉末粒子表面に存在するＣｒ酸化物が焼結を阻害するといった問題がある。

また、時効硬化型の合金系としては、特許文献２に開示されるようなＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系もあるが、Ｓｉ酸化物が焼結を阻害するといった問題があるため粉末冶金の分野では実用化に至っていない。

一方、特許文献３に開示されるような、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系は比較的焼結し易いと考えられるが、純銅粉末等と比較して圧粉成形性が著しく劣るため、粉末冶金用としては用いられていない。

また、前述のとおり、時効硬化型の銅系合金粉末を粉末冶金に用いるには、純銅粉末や青銅粉末等とは異なり、溶体化処理と時効処理の二つの処理が必要であるため工数が増加するといった問題もある。

本発明者らは、前記諸問題を解決することを技術的課題とし、試行錯誤的な数多くの試作・実験を重ねた結果、Feを0.05〜1.6重量％とPを0.01〜0.3重量％とを含有し残部がCuと不可避不純物とからなる銅系合金粉末であって、見掛け密度が4.0g／cm³以下であり、粒度分布が、70％以上が106μｍ以下である銅系合金粉末であれば、小型の部品や複雑な形状の部品を成形しても角欠け等の損傷が生じ難く、ハンドリング性に優れる圧粉成形体を成形でき、また、該銅系合金粉末からなる焼結体は電気伝導性に優れるから放熱性にも優れ、かつ、高い強度を備えた焼結体になるという刮目すべき知見を得て、前記技術的課題を達成したものである。

前記技術的課題は次のとおりの本発明によって解決できる。

本発明は、粉末冶金用銅系合金粉末であって、前記合金粉末はFeを0.05〜1.6重量％とPを0.01〜0.3重量％とを含有し残部がCuと不可避不純物とからなり、前記合金粉末のFe/Pの原子量比が3.3以下であり、見掛け密度は4.0g／cm³以下であり粒度分布は70％以上が106μｍ以下である粉末冶金用銅系合金粉末である。

また、本発明は、水アトマイズ法で製造された前記粉末冶金用銅系合金粉末である。

また、本発明は、前記粉末冶金用銅系合金粉末の圧粉成形体を焼結してなる焼結体である。

また、本発明は、前記焼結体をさらに加熱処理してなる焼結体である。

本発明に係る銅系合金粉末は、Fe及びPが900℃以上の高温でCuマトリックス中に固溶し、溶融状態から急冷することで過飽和固溶体となる。

この過飽和固溶体は時効処理（加熱処理）をすることで、Fe₃Pを主とする金属間化合物が析出して時効硬化し、当該時効処理により、Cuマトリックス中に固溶するFe及びPは大幅に減少する。

Fe及びPを大幅に減少させて、高い放熱性、即ち、電気伝導性を備える焼結体を得るためには、原子量比でPの3倍量のFeが含まれることが好ましい。

FeとPのどちらか一方を過剰に含有すれば、過剰に存在する元素がCuマトリックス中に固溶したまま析出できなくなるため、強度は高くなるが、電気伝導性や放熱性が十分に得られなくなるからである。

しかしながら、FeとPの原子量比が3：1であったとしても、Cuに対するFeやPの含有量が低過ぎれば十分な時効硬化性が得られない。

また、多過ぎれば固溶強化により合金粉末が硬くなって圧粉成形性が低下して溶体化が困難になり、析出物が粗大化し易くなることで強度が低下するため好ましくない。

そこで、本発明に係る合金粉末は、Feを0.05〜1.6重量％とPを0.01〜0.3重量％とを含有し、残部がCuと不可避不純物とからなる銅系合金粉末とした。

Cuに対するFe及びPの含有量が当該範囲内であれば、該銅系合金粉末からなる焼結体は電気伝導性が高くて放熱性に優れ、かつ、軸受等の部品に要求される強度を備えた焼結体になる。

また、焼結後にさらに時効処理（加熱処理）を行うことで所望の強度と電気伝導性を備えた焼結体に調整することもできる。

本発明における銅系合金粉末であれば、電気伝導率が50％IACS以上、ビッカース硬さが70以上という電気伝導性や放熱性と強度とをバランスよく兼ね備えた焼結体を製造することができる。

また、本発明における銅系合金粉末は見掛け密度が4.0g／cm³以下と低く、70％以上が106μｍ以下の微細粒子からなる銅系合金粉末であって、該銅系合金粉末からなる成形体の抗折力を8MPa以上にすることができるから、角欠け等の損傷が生じ難くてハンドリング性に優れ、複雑な形状の接点を有する電極材料や小型の部品の圧粉成形体を成形することができる。

本発明における銅系合金粉末は、水アトマイズ法で製造すれば、溶質元素であるFe及びPを過飽和の状態で粉末化することができ、過飽和固溶体となった銅系合金粉末を焼結することで、溶体化処理を省略することができるため、作業効率に優れた銅系合金粉末になる。

本発明における銅系合金粉末は、Feを0.05〜1.6重量％とPを0.01〜0.3重量％とを含有し、残部がCuと不可避不純物とからなる。

Feが0.05重量％未満、Pが0.01重量％未満の場合は、十分な時効硬化性が得られないため好ましくない。

Feが1.6重量％、Pが0.3重量％を超える場合には、固溶強化により合金粉末が硬くなって圧粉成形性が低下すると共に、溶体化が困難になり、析出物が粗大化し易くなることで強度が低下するため好ましくない。

また、Feの含有量が0.１〜1.0重量％、Pの含有量が0.01〜0.3重量％であれば、電気伝導性や放熱性と強度のバランスが非常に優れ、より好ましい。

本発明における不可避不純物とは、意図的に添加していないが、製造工程等で不可避的に混入する不純物のことであり、これらの総和は0.1重量％以下である。

本発明における銅系合金粉末は、噴霧法（以下「アトマイズ法」と言う）によって製造することが好ましく、特に、水アトマイズ法で製造した銅系合金粉末が好ましい。

水アトマイズ法であれば、高圧で噴射された水を溶融金属に衝突させて溶融金属を液滴にし、該液滴は水と接することで急冷されるため、ガスを噴霧媒体とするガスアトマイズ法に比べ、液滴の冷却速度が速く、溶質元素であるFeやPを過飽和の状態で粉末化することができるからである。

Fe及びPが過飽和固溶体となった銅系合金粉末からなる圧粉成形体の焼結であれば、溶体化処理が不要になり、時効処理のみで析出硬化させることができる。

本発明における銅系合金粉末は、見掛け密度が4.0 g/cm³以下と低く、70％以上が106μｍ以下の微細粒子からなるため、圧粉成形性に優れる。

見掛け密度が4.0 g/cm³を超える、又は、106μｍ以下の粒子が70％未満の粒度分布であると圧粉成形が困難になる。

本発明によれば、圧粉体密度が６〜８ｇ／ｃｍ³で抗折力が８MPa以上の圧粉成形体を成形することができる。

見掛け密度はISO 3923-1規格の測定法で求めることができる。

粒度分布は、ISO 4497規格に従い求めた粒度分布の値を元に、全体のうち106μm以下の粉末の割合を算出することで求めることができる。

本発明においては、焼結体の強度と電気伝導率や放熱性のバランスが不十分な場合には、さらに加熱処理（時効処理）を行い、性能を向上させて、所望の強度及び電気伝導率の焼結体に調整することもできる。

水アトマイズ法、焼結方法及び時効処理方法は公知の方法を採用することができる。

本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。

表１記載の通りの組成である溶融状態の合金成分を落下させながら15MPaの高圧水と接触させることで急冷凝固させて実施例及び比較例の銅系合金粉末を作製した。

実施例及び比較例の各銅系合金粉末の見掛け密度（AD）は、ISO 3923-1規格の測定法に従い求めた。

粒度分布はISO 4497規格に従い求めた粒度分布の値を元に、全体のうち106μm以下の粉末の割合を算出して求めた。

実施例1、3、5、7、9、11、12、及び、比較例1〜6、 8の銅系合金粉末は、圧粉体密度が8.0 g/cm³となるように成形し、水素雰囲気中で1000℃、120 min保持して焼結させ、水冷した後、再び水素雰囲気中で550℃、60 min保持して時効処理を行い、その後水冷して各焼結体を得た（時効処理有り）。

実施例2、4、6、8、10、及び、比較例9、10の銅系合金粉末は、圧粉体密度が8.0 g/cm³となるように成形し、水素雰囲気中で800℃、20min保持して焼結させ、その後空冷して各焼結体を得た（時効処理なし）。

焼結体の電気伝導率（％IACS）は、粉末を圧粉体密度が8.0 g/cm³になるように成形し、上記の各熱処理を行った後、各焼結体を5×30×1 mmに切断加工し、端子間距離20mmの体積抵抗値を抵抗計3541（日置電機株式会社製）で測定し、その値から真密度換算の電気伝導率（％IACS）を求めた。

焼結体のビッカース硬さは微小硬度計ＨＭＶ−Ｇ（株式会社島津製作所製）を用い、荷重25 gfで求めた。

成形性の指標である抗折力は、圧粉体密度が6.6g/cm³となるように30×12×6 mmの直方体にプレス成形し、圧粉体抗折力試験機（ミネルバ機器株式会社製）を用いて、ISO 3995規格の測定法に従い求めた。

結果を表１に示す。

表１のとおり、本発明における銅系合金粉末を成形した圧粉成形体は８ＭＰａ以上の抗折力を示して、ハンドリング性に優れる圧粉成形体であること及び、本発明における銅系合金粉末の焼結体、又は、焼結後に時効処理を施した焼結体は、50％IACS以上の高い電気伝導率が得られ、また一般的な青銅粉末である比較例９に匹敵する焼結体のマトリックス硬さ、即ち、ビッカース硬さ70以上の焼結体を得られることが証明された。

本発明における銅系合金粉末からなる焼結体は電気伝導性や放熱性に優れると共に強度も高いから軸受や摺動部品等の焼結部品に好適である。
また、ハンドリング性に優れる圧粉成形体を成形できるから、従来の銅粉末や青銅粉末と同様の幅広い使用環境に対応可能であり、粉末冶金法によって製造される多くの焼結部品を成形できる。
したがって、本発明は産業上の利用可能性の高い発明であると言える。

Claims

粉末冶金用銅系合金粉末であって、前記合金粉末はFeを0.05〜1.6重量％とPを0.01〜0.3重量％とを含有し残部がCuと不可避不純物とからなり、前記合金粉末のFe/Pの原子量比が3.3以下であり、見掛け密度は4.0g／cm³以下であり粒度分布は70％以上が106μｍ以下である粉末冶金用銅系合金粉末。
水アトマイズ法で製造された請求項１記載の粉末冶金用銅系合金粉末。
請求項１又は２記載の粉末冶金用銅系合金粉末の圧粉成形体を焼結してなる焼結体。
請求項３記載の焼結体をさらに加熱処理してなる焼結体。