JP7733893B2 - Cu-based powder and method for producing the Cu-based powder - Google Patents
Cu-based powder and method for producing the Cu-based powderInfo
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Description
本発明はCu系粉末に関する。詳しくは、該Cu系粉末は、Pを含有する溶湯から製造するので、Pが酸素と反応して気相のリン酸化物となって酸素量を減少させることができるため、酸素による溶湯の流動性の悪化を抑制できるからアトマイズ法によって優れた生産性と安全性を確保して製造することができ、また、該Cu系粉末は、リン化物を形成し易い元素Mを含有するため、該Cu系粉末に含まれるPは熱処理によって元素Mとリン化物を形成してCu母相中から析出させることができるから、熱伝導性や電気伝導性に与えるPの影響が少ないCu系合金を製造することができるCu系粉末に関する。 The present invention relates to Cu-based powder. Specifically, the Cu-based powder is produced from a molten metal containing P. Because P reacts with oxygen to form gaseous phosphates, reducing the amount of oxygen, the deterioration of the fluidity of the molten metal due to oxygen is suppressed, allowing for production using an atomization method with excellent productivity and safety. Furthermore, the Cu-based powder contains element M, which easily forms phosphides. Therefore, the P contained in the Cu-based powder can form phosphides with element M through heat treatment, which precipitate from the Cu matrix. This Cu-based powder allows for the production of Cu-based alloys with minimal impact of P on thermal and electrical conductivity.
アトマイズ法によるCu系粉末の製造には、生産性や作業の安全のため、常に溶湯の噴霧時の流動性が求められる。 When producing Cu-based powders using the atomization method, fluidity of the molten metal is always required when spraying, for the sake of productivity and work safety.
溶湯の流動性には酸素が影響し、酸素量が多いと流動性は悪化する。
また、溶湯が酸素を多く含有すれば、製造した粉末の酸素量が増え、表面酸化や内部酸化が生じるため、このような粉末から製造する製品の欠陥や特性悪化を引き起こす虞がある。
Oxygen affects the fluidity of molten metal, and if the amount of oxygen is high, the fluidity deteriorates.
Furthermore, if the molten metal contains a large amount of oxygen, the amount of oxygen in the produced powder will increase, causing surface oxidation and internal oxidation, which may cause defects or deterioration in the properties of products produced from such powder.
酸素を減少させる方法としては木炭やフラックスを溶湯に添加する方法が確立されている。 An established method for reducing oxygen is to add charcoal or flux to the molten metal.
添加した木炭やフラックスは溶湯中の酸素と反応し、酸化物を形成して酸素量が減るため、溶湯の流動性を向上させることができる。 The added charcoal and flux react with the oxygen in the molten metal, forming oxides that reduce the amount of oxygen, thereby improving the fluidity of the molten metal.
しかし、添加した木炭やフラックスは溶湯上面に浮上することから、出湯する瞬間の酸化は抑えきれず、突如として流動性が悪くなるという問題があり、また、木炭やフラックスは除去し難いため、製造したCu系粉末に木炭やフラックスやフラックスの酸化物が混入するという問題がある。 However, because the added charcoal and flux float to the top of the molten metal, oxidation cannot be suppressed at the moment the metal is poured, resulting in a sudden deterioration in fluidity. Furthermore, because the charcoal and flux are difficult to remove, there is the problem that the charcoal, flux, or flux oxides may be mixed into the produced Cu-based powder.
このような問題点の解決法として、溶湯に銅とリン化銅からなるリン銅を添加する方法がある。 One way to solve this problem is to add copper phosphorus, which is made of copper and copper phosphide, to the molten metal.
リン銅を溶湯に添加すると、リン(P)と溶湯中の酸素とが反応し、気相のリン酸化物となって酸素量が減少するから溶湯の流動性の悪化を抑制することができる。 When phosphorus copper is added to molten metal, phosphorus (P) reacts with oxygen in the molten metal, forming gaseous phosphorus oxide, which reduces the amount of oxygen and prevents the fluidity of the molten metal from deteriorating.
また、気相のリン酸化物であると、木炭やフラックスのように物理的に除去する必要もない。 Also, since it is a gas-phase phosphate, there is no need to physically remove it like with charcoal or flux.
しかし、PがCu系合金のCu母相中に存在すると、Cu系合金の優れた特長である熱伝導性や電気伝導性を著しく低下させることが知られている。 However, it is known that when P is present in the Cu matrix of a Cu-based alloy, it significantly reduces the thermal and electrical conductivity, which are excellent features of the Cu-based alloy.
溶湯における酸素量に対して過剰のリン銅を添加して製造したCu系粉末を熱処理して製造したCu系合金にはCu母相中にPが残留することになり、リン銅を添加しない場合と比べて熱伝導性や電気伝導性が低下するという問題がある。 When a Cu-based alloy is produced by heat treating a Cu-based powder that has been produced by adding excess copper phosphorus relative to the amount of oxygen in the molten metal, P remains in the Cu matrix, resulting in reduced thermal and electrical conductivity compared to alloys without the addition of copper phosphorus.
雰囲気溶解であればリン銅を添加せずに溶湯の流動性を保つことができるが、真空装置が必要であるから、大量生産には向かず、製造コストが増加するという問題がある。 Atmospheric melting allows the fluidity of the molten metal to be maintained without adding phosphorus copper, but since vacuum equipment is required, it is not suitable for mass production and increases manufacturing costs.
また、Pは原料由来の不可避不純物としてCu系粉末に含まれることもある。 P may also be present in Cu-based powders as an unavoidable impurity derived from the raw materials.
上記の問題点から、従来の溶解方法にて溶解し、リン銅等を添加した溶湯から製造したCu系粉末であっても、また、不可避不純物としてPを含むCu系粉末であっても、Cu系粉末を熱処理して製造したCu系合金の熱伝導性や電気伝導性に対するPの影響が少ないCu系粉末の開発が望まれている。 In light of the above issues, there is a need to develop Cu-based powder that has minimal impact of P on the thermal and electrical conductivity of Cu-based alloys produced by heat-treating Cu-based powder, even if the Cu-based powder is produced from a molten metal melted using conventional melting methods and to which phosphorus copper or other impurities have been added, or even if the Cu-based powder contains P as an unavoidable impurity.
特許文献1には、溶湯に酸化性ガスを吹き付けることで、溶湯中のPを除去し、その後、還元性ガスを吹き付けることで酸素量を低下させる方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a method in which an oxidizing gas is sprayed onto the molten metal to remove P from the molten metal, and then a reducing gas is sprayed onto the molten metal to reduce the amount of oxygen.
しかしながら、特許文献1に開示される方法をアトマイズ法による粉末製造に適用する場合、酸化性ガスによるPの除去は可能であるが、過酸化が生じた場合の還元工程の追加が容易でないという問題がある。 However, when the method disclosed in Patent Document 1 is applied to powder production using the atomization method, although it is possible to remove P using an oxidizing gas, there is a problem in that it is not easy to add a reduction step in the event of overoxidation.
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、元素MとPとCuを含有するCu系粉末であって、前記元素Mは、298K~1300Kの温度域における前記元素Mのリン1mol当たりのリン化物の標準生成自由エネルギーが同温度域におけるCu3Pのリン1mol当たりの標準生成自由エネルギー以下の元素であり、前記元素Mのリン化物の中で前記温度域における標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物がMxPy(但し、x>0,y>0)で表され、Aが「A=Pの質量%×(x/y)×(Mの原子量/Pの原子量)」で表されるとき、前記Cu系粉末における前記元素Mの含有量は前記A×0.3質量%以上、かつ、前記A×1.2質量%以下であり、前記Pの含有量は0.01質量%~1.0質量%であるCu系粉末であれば、溶湯の流動性が高いから、アトマイズ法でCu系粉末を製造する場合であっても優れた生産性と安全性を確保することができ、また、リン化物を形成し易い元素Mを含有するので、Cu系粉末を熱処理することでPと元素Mとがリン化物を形成して、PをCu母相中から析出させることができるので、熱伝導性や電気伝導性に対するPの影響が少ないCu系合金を製造できるCu系粉末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。 The present inventors have set solving the above-mentioned problems as a technical task, and as a result of numerous trial and error trials and experiments, have discovered a Cu-based powder containing element M, P, and Cu, wherein element M is an element whose standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus of element M in a temperature range of 298K to 1300K is equal to or less than the standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus of Cu 3 P in the same temperature range, and among the phosphides of element M, the phosphide having the lowest standard free energy of formation in the above temperature range is M x P y (where x>0, y>0) and A is expressed as "A=mass % of P×(x/y)×(atomic weight of M/atomic weight of P)," the content of the element M in the Cu-based powder is A×0.3 mass % or more and A×1.2 mass % or less, and the content of P is 0.01 mass % to 1.0 mass %, so that the fluidity of the molten metal is high, and therefore excellent productivity and safety can be ensured even when the Cu-based powder is produced by an atomization method. Furthermore, since the Cu-based powder contains the element M which easily forms phosphide, P and the element M can form phosphide by heat treating the Cu-based powder, and P can be precipitated from the Cu matrix. This is a remarkable finding that has led to the achievement of the above technical object.
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。 The above technical problems can be solved by the present invention as follows:
本発明は、元素MとPとCuを含有するCu系粉末であって、前記元素Mは、298K~1300Kの温度域における前記元素Mのリン1mol当たりのリン化物の標準生成自由エネルギーが同温度域におけるCu3Pのリン1mol当たりの標準生成自由エネルギー以下の元素であり、前記元素Mのリン化物の中で前記温度域における標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物がMxPy(但し、x>0,y>0)で表され、Aが下記(式)で表されるとき、前記Cu系粉末における前記元素Mの含有量は前記A×0.3質量%以上、かつ、前記A×1.2質量%以下であり、前記Pの含有量は0.01質量%~1.0質量%であるCu系粉末である。
(式)A=Pの質量%×(x/y)×(Mの原子量/Pの原子量)
The present invention provides a Cu-based powder containing element M, P, and Cu, wherein the element M is an element such that the standard free energy of formation of a phosphide of the element M per 1 mol of phosphorus in a temperature range of 298K to 1300K is equal to or less than the standard free energy of formation of Cu 3 P per mol of phosphorus in the same temperature range, and when the phosphide of the element M having the lowest standard free energy of formation in the temperature range is represented by M x P y (where x > 0, y > 0), and A is represented by the following formula (formula), the content of the element M in the Cu-based powder is equal to or greater than A × 0.3% by mass and equal to or less than A × 1.2% by mass, and the content of P is 0.01% by mass to 1.0% by mass.
(Formula) A = mass % of P × (x/y) × (atomic weight of M/atomic weight of P)
また、本発明は、Snを0.1質量%~3.0質量%含有する前記Cu系粉末である。 The present invention also relates to the Cu-based powder, which contains 0.1% to 3.0% by mass of Sn.
また、本発明は、Oの含有量が0.1質量%以下である前記Cu系粉末である。 The present invention also relates to the Cu-based powder, in which the O content is 0.1% by mass or less.
また、本発明は、粉末冶金用又は積層造形用である前記Cu系粉末である。 The present invention also relates to the above-mentioned Cu-based powder for use in powder metallurgy or additive manufacturing.
また、本発明は、アトマイズ法にて製造してなる前記Cu系粉末である。 The present invention also relates to the Cu-based powder produced by the atomization method.
また、本発明は、前記Cu系粉末に潤滑剤を0.1質量%~1.0質量%添加してなるCu系粉末である。 The present invention also relates to a Cu-based powder obtained by adding 0.1% to 1.0% by mass of a lubricant to the Cu-based powder.
本発明におけるCu系粉末は、脱酸効果のあるリン銅等を溶湯に添加してPを含有させることができるので、Pと酸素が気相のリン酸化物を形成して溶湯中の酸素量が減少し、流動性が高い溶湯になるから、アトマイズ法によって優れた生産性と安全性を確保して製造することができる。 The Cu-based powder used in this invention can contain P by adding copper phosphorus or other substances with a deoxidizing effect to the molten metal. This allows the P and oxygen to form gaseous phosphate oxides, reducing the amount of oxygen in the molten metal and resulting in a highly fluid molten metal, which can be produced using the atomization method with excellent productivity and safety.
また、形成されるリン酸化物は気相であるため、木炭やフラックスのように物理的に除去する必要はない。 Also, because the phosphorus oxides formed are in the gas phase, they do not need to be physically removed like charcoal or flux.
また、本発明におけるCu系粉末は、不可避不純物を除き、元素Mを(式)で表されるAの0.3倍~1.2倍質量%含有することから、Cu系粉末の熱処理の際に、酸素と反応せずに残留したPは元素Mと反応してリン化物となり、Cu母相中から析出させることができるから、熱伝導性や電気伝導性に与えるPの影響が少ないCu系合金を製造することができる。 In addition, the Cu-based powder of the present invention contains element M in an amount excluding unavoidable impurities, at 0.3 to 1.2 times by mass the amount of A represented by the formula (1). Therefore, when the Cu-based powder is heat-treated, any remaining P that does not react with oxygen reacts with element M to form phosphide, which can be precipitated from the Cu matrix. This makes it possible to produce a Cu-based alloy in which P has little effect on thermal conductivity and electrical conductivity.
また、スズ(Sn)を0.1質量%~3.0質量%含有するCu系粉末であれば融点が下がるため、製造時の溶湯の流動性をさらに向上させることができると共に、Cu系合金の母相強度を向上させることもできる。 In addition, Cu-based powder containing 0.1% to 3.0% by mass of tin (Sn) has a lower melting point, which further improves the fluidity of the molten metal during production and also improves the strength of the parent phase of the Cu-based alloy.
また、酸素(O)が0.1質量%以下であれば、粉末の内部酸化を抑制することができるので、Cu系合金の欠陥や特性悪化を引き起こし難いCu系粉末になる。 Furthermore, if the oxygen (O) content is 0.1% by mass or less, internal oxidation of the powder can be suppressed, resulting in a Cu-based powder that is less likely to cause defects or deterioration in the properties of the Cu-based alloy.
また、Cu系粉末に潤滑剤を0.1質量%~1.0質量%添加すれば、潤滑性が向上して粉末冶金における成形体を成形し易いCu系粉末になる。 Furthermore, adding 0.1% to 1.0% by mass of lubricant to Cu-based powder improves lubricity, making the Cu-based powder easier to mold into compacts in powder metallurgy.
したがって、本発明は、焼結を伴う粉末冶金用途等の他、積層造形用途においてもP及び/又は元素Mが拡散してPと元素Mとがリン化物を形成するような熱処理を行うことで熱伝導性や電気伝導性に与えるPの影響が少ないCu系合金が得られるCu系粉末である。 Therefore, the present invention provides a Cu-based powder that can be used in powder metallurgy applications involving sintering, as well as in additive manufacturing applications, by performing heat treatment that diffuses P and/or element M to form a phosphide between P and element M, thereby obtaining a Cu-based alloy in which the influence of P on thermal conductivity and electrical conductivity is minimal.
本発明は、熱処理を行ってCu系合金を製造するCu系粉末である。 The present invention is a Cu-based powder that is subjected to heat treatment to produce a Cu-based alloy.
熱処理は、Cu系粉末が含有するP及び/又は元素Mが拡散してPと元素Mとがリン化物を形成する熱処理であればどのような熱処理であってもよく、焼結、焼結後の時効、レーザー及び電子ビームによる溶融とその後の時効を例示することができる。 The heat treatment may be any heat treatment that diffuses the P and/or element M contained in the Cu-based powder and causes the P and element M to form a phosphide. Examples of heat treatment include sintering, aging after sintering, and melting with a laser or electron beam followed by aging.
熱処理は1回であってもよいし、複数回であってもよい。 The heat treatment may be performed once or multiple times.
本発明におけるCu系粉末は、Pを含有する溶湯から製造することができる。Pを含有する溶湯は流動性に優れるから、アトマイズ法にて優れた生産性と安全性を確保して製造することできる。 The Cu-based powder of the present invention can be produced from a molten metal containing P. Because molten metal containing P has excellent fluidity, it can be produced using the atomization method, ensuring excellent productivity and safety.
製造されたCu系粉末は、酸素と気相のリン酸化物を形成せずに溶湯中に残留するPや、原料の不可避不純物として混入したPを含有する。 The produced Cu-based powder contains P that remains in the molten metal without forming gaseous phosphate oxide with oxygen, as well as P that is mixed in as an unavoidable impurity in the raw materials.
Pの含有量は0.01質量%~1.0質量%が好ましく、さらに好ましくは0.05質量%~0.5質量%である。 The P content is preferably 0.01% to 1.0% by mass, and more preferably 0.05% to 0.5% by mass.
Pの含有量が0.01質量%未満では溶湯における脱酸効果が低く、流動性の高い溶湯にならない虞があり、また、1.0質量%を超えると、(式)で表されるAの0.3倍~1.2倍質量%の元素Mを含有したとしても、元素Mとリン化物を形成しなかった余剰のPがCu系合金のCu母相中に残留し、熱伝導性や電気伝導性へ影響を及ぼす虞があるからである。 If the P content is less than 0.01% by mass, the deoxidizing effect in the molten metal will be low, and there is a risk that the molten metal will not have high fluidity. Furthermore, if the P content exceeds 1.0% by mass, even if the alloy contains 0.3 to 1.2 times the mass percent of element M represented by formula A, the excess P that does not form a phosphide with element M will remain in the Cu matrix of the Cu-based alloy, which may affect the thermal conductivity and electrical conductivity.
Pは溶湯に添加するのが好ましい。 P is preferably added to the molten metal.
添加するPは、リン銅やニッケルリン等の脱酸効果があるものであれば形態を問わないが、融点が低い方が好ましく、リン銅とニッケルリンであれば、リン銅の方が好ましい。 The added P can be in any form, such as copper phosphorus or nickel phosphorus, as long as it has a deoxidizing effect, but those with a low melting point are preferable, and between copper phosphorus and nickel phosphorus, copper phosphorus is preferred.
本発明におけるCu系粉末は、298K~1300Kの温度域(該温度域を「同温度域」又は「前記温度域」と言うことがある)におけるリン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが同温度域におけるCu3Pのリン1mol当たりの標準生成自由エネルギー以下のリン化物を形成する元素Mを含有する。 The Cu-based powder in the present invention contains element M, which forms a phosphide having a standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus in a temperature range of 298 K to 1300 K (this temperature range may be referred to as "the same temperature range" or "the temperature range") that is equal to or less than the standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus of Cu 3 P in the same temperature range.
リン1mol当たりのリン化物の標準生成自由エネルギーとはリン化物1mol当たりの標準生成自由エネルギーの文献値をリンのモル数で除することで算出することができる。 The standard free energy of formation of phosphide per mole of phosphorus can be calculated by dividing the literature value for the standard free energy of formation per mole of phosphide by the number of moles of phosphorus.
リン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが前記温度域におけるCu3Pのリン1mol当たりの標準生成自由エネルギー以下である元素Mはリン化物を形成し易い元素である。
したがって、P及び/又は元素Mが拡散するような熱処理によってリン化物を形成できるのでPが固定化され、Cu母相中から析出させることができるから、熱伝導性や電気伝導性に対するPが与える影響が少ないCu系合金を製造することができる。
An element M whose standard free energy of formation per mol of phosphorus is equal to or less than the standard free energy of formation per mol of phosphorus of Cu 3 P in the above temperature range is an element that easily forms a phosphide.
Therefore, since a phosphide can be formed by heat treatment that diffuses P and/or element M, P is fixed and can be precipitated from the Cu matrix, and therefore a Cu-based alloy can be produced in which P has little effect on thermal conductivity and electrical conductivity.
元素Mとして、ニッケル(Ni/原子量58.69)、コバルト(Co/原子量58.93)、マンガン(Mn/原子量54.94)、アルミニウム(Al/原子量26.98)を例示する。 Examples of element M include nickel (Ni/atomic weight 58.69), cobalt (Co/atomic weight 58.93), manganese (Mn/atomic weight 54.94), and aluminum (Al/atomic weight 26.98).
Cu系粉末における元素Mの含有量は、元素Mのリン化物の中で前記温度域におけるリン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物がMxPy(式)で表され、Aが(式)で表されるときのAの0.3倍~1.2倍質量%である。 The content of element M in the Cu-based powder is 0.3 to 1.2 times by mass of A when the phosphide having the lowest standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus in the above temperature range among phosphides of element M is represented by M x P y (formula), and A is represented by (formula).
(式) A=Pの質量%×(x/y)×(Mの原子量/Pの原子量) (Formula) A = mass % of P × (x/y) × (atomic weight of M / atomic weight of P)
(式)中の「Mの原子量」及び「Pの原子量」の値は小数点以下の桁数が同じであれば何桁でもよい。 The values for "atomic weight of M" and "atomic weight of P" in the formula can have any number of decimal places as long as the number of decimal places is the same.
(式)で表されるAはMxPyに含まれるPに対して過不足ない元素Mの量を表わす値である。 A represented by the formula is a value that represents the amount of element M that is neither excessive nor deficient with respect to P contained in M x P y .
元素Mの含有量がAの0.3倍質量%未満では、Cu母相中に残留するリン化物を形成しなかった余剰のPの量が多くなり、Cu系合金の熱伝導性や電気伝導性へのPが及ぼす影響が大きくなる虞があるからである。 If the content of element M is less than 0.3 times the mass percent of A, the amount of excess P that does not form phosphides remaining in the Cu matrix will be large, which may significantly affect the thermal and electrical conductivity of the Cu-based alloy.
元素Mの含有量がAの1.2倍質量%を超えると、Cu母相中に残留するリン化物を形成しなかった余剰の元素Mの影響が顕著になり、元素Mを添加しない場合よりもCu系合金の熱伝導性や電気伝導性が低下する虞があるからである。 If the content of element M exceeds 1.2 times the mass percent of A, the influence of the excess element M that does not form phosphide and remains in the Cu matrix becomes significant, and there is a risk that the thermal conductivity and electrical conductivity of the Cu-based alloy will be lower than when element M is not added.
例として、後述する実施例1にて元素Mの含有量の範囲を計算すると、Cu系粉末が含有するPの質量%は0.01、元素MはCo、前記温度域におけるCoの標準生成自由エネルギーの文献値が最も低いリン化物はCo2Pであるからx=2、y=1、Pの原子量は30.97、Coの原子量は58.93であるから、(式)に当てはめて、Aの値は0.038となる。
したがって、Coの含有量は0.011質量%~0.046質量%の範囲が好ましいことになる。
For example, when calculating the range of the content of element M in Example 1 described later, the mass % of P contained in the Cu-based powder is 0.01, the element M is Co, and the phosphide with the lowest literature value for the standard free energy of formation of Co in the above temperature range is Co 2 P, so x = 2, y = 1, the atomic weight of P is 30.97, and the atomic weight of Co is 58.93. Therefore, when applied to the formula, the value of A is 0.038.
Therefore, the Co content is preferably in the range of 0.011 mass % to 0.046 mass %.
MxPyは標準生成自由エネルギーの文献値から決定すればよい。 M x P y may be determined from the literature value of the standard free energy of formation.
なお、本発明においては、前記温度域内においてリン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物が変化をするという特殊な元素の場合、即ち、298K~αKにおいてはMxPyがリン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物であるが、αK~1300KではMaPbがリン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物になるような元素においては、低温側において、リン1mol当たりの標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物(前記の場合であればMxPyである)を採用してAの値を求めることとする。 In the present invention, in the case of a special element in which the phosphide with the lowest standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus changes within the above temperature range, that is, in the case of an element in which M x P y is the phosphide with the lowest standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus at 298 K to α K, but M a P b is the phosphide with the lowest standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus at α K to 1300 K, the value of A is determined by adopting the phosphide with the lowest standard free energy of formation per 1 mol of phosphorus on the low temperature side (M x P y in the above case).
本発明におけるCu系粉末は元素Mを含有していればよく、どのような形態であってもよい。 The Cu-based powder in the present invention may be in any form as long as it contains element M.
元素MはCu系合金のCu母相中に残留したPを全てリン化物にできる量を添加することが好ましいことから、溶湯中のPの残留見込み量に合わせて元素Mの単体粉末や地金を添加した後、粉末化したCu系合金粉末としてもよい。 It is preferable to add element M in an amount that will convert all of the P remaining in the Cu matrix of the Cu-based alloy into phosphide. Therefore, element M powder or metal may be added in accordance with the expected amount of P remaining in the molten metal, and then pulverized to form a Cu-based alloy powder.
また、製造したCu系粉末に残留するPの含有量(質量%)を測定し、Pの含有量に合わせて元素Mの単体粉末と混合してCu系混合粉末としてもよいし、元素Mを含有する合金粉末と混合してCu系混合粉末としてもよい。 The content (mass%) of P remaining in the produced Cu-based powder can be measured, and the powder can be mixed with a powder of element M according to the P content to produce a Cu-based mixed powder, or it can be mixed with an alloy powder containing element M to produce a Cu-based mixed powder.
本発明におけるCu系粉末はスズ(Sn)を含有することができる。 The Cu-based powder in the present invention may contain tin (Sn).
Snは溶湯に添加すれば合金の融点を下げることができるので溶湯の流動性をさらに向上させることができ、また、Cu系合金のCu母相強度を向上させることもできる。 Adding Sn to molten metal can lower the melting point of the alloy, further improving the fluidity of the molten metal, and can also improve the strength of the Cu matrix in Cu-based alloys.
Cu系粉末におけるSnの含有量は0.1質量%~3.0質量%が好ましく、さらに好ましくは、0.5質量%~2.0質量%である。 The Sn content in the Cu-based powder is preferably 0.1% to 3.0% by mass, and more preferably 0.5% to 2.0% by mass.
Snが0.1質量%未満であれば、合金の融点の低下やCu母相強度の向上が見られなくなり、また、3.0質量%を超えて含有すると、PよりもSnの方が熱伝導性や電気伝導性に与える影響が大きいため、Snを含有させないときと比べてCu系合金の熱伝導性や電気伝導性が低下するためである。 If the Sn content is less than 0.1% by mass, the melting point of the alloy will not decrease and the strength of the Cu matrix will not improve. Furthermore, if the Sn content exceeds 3.0% by mass, Sn has a greater effect on thermal and electrical conductivity than P, resulting in a decrease in the thermal and electrical conductivity of the Cu-based alloy compared to when no Sn is added.
Snは溶湯に添加することが好ましい。 It is preferable to add Sn to the molten metal.
Cu系粉末に残留する元素M、P及びSnの含有量は吸光光度法またはICP発光分光分析法にて測定することができる。 The content of the elements M, P, and Sn remaining in the Cu-based powder can be measured by absorptiometry or ICP atomic emission spectrometry.
本発明におけるCu系粉末は不可避的に酸素(O)が混入するが、Oの含有量は0.1質量%以下に抑えることが好ましい。 The Cu-based powder used in this invention inevitably contains oxygen (O), but it is preferable to keep the O content to 0.1% by mass or less.
0.1質量%以下であると、粉末の内部酸化が抑制されるため、Cu系合金の欠陥や特性悪化が起こり難くなるためである。 When the content is 0.1% by mass or less, internal oxidation of the powder is suppressed, making the Cu-based alloy less likely to develop defects or deteriorate in its properties.
Cu系粉末の酸素量は不活性ガス融解赤外線吸収法で測定することができる。 The oxygen content of Cu-based powder can be measured using the inert gas fusion infrared absorption method.
本発明におけるCu系粉末の製造方法は特に限定されないが、公知のアトマイズ法で製造することが好ましい。 The method for producing the Cu-based powder in the present invention is not particularly limited, but it is preferable to produce it using the well-known atomization method.
流動性の高い溶湯になるため、生産性と安全性を確保して製造することができるからである。 This results in a highly fluid molten metal, allowing for production that ensures productivity and safety.
公知のアトマイズ法としては、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法及び遠心アトマイズ法を挙げることができる。 Known atomization methods include water atomization, gas atomization, and centrifugal atomization.
本発明におけるCu系粉末は潤滑剤を添加することができる。
潤滑剤を添加すれば潤滑性が向上し、粉末冶金において圧粉成形体を成形し易くなる。
A lubricant may be added to the Cu-based powder of the present invention.
Addition of a lubricant improves lubricity, making it easier to form a green compact in powder metallurgy.
潤滑剤の添加量は0.1質量%~1.0質量%が好ましく、さらに好ましくは、0.2質量%~0.8質量%である。 The amount of lubricant added is preferably 0.1% to 1.0% by mass, and more preferably 0.2% to 0.8% by mass.
0.1質量%未満であると潤滑性があまり向上せず、また、1.0質量%を超えて添加した場合は焼結性が低下するからである。
また、潤滑剤の蒸発量が多いと焼結炉を汚損する虞も生じるからである。
If the amount is less than 0.1% by mass, the lubricity is not significantly improved, and if the amount is more than 1.0% by mass, the sinterability decreases.
Furthermore, if the amount of evaporation of the lubricant is large, there is a risk that the sintering furnace may be soiled.
本発明における潤滑剤は特に限定されるものではないが、ステアリン酸亜鉛等の金属セッケンやEBS系ワックスを好適に使用することができる。 The lubricant used in the present invention is not particularly limited, but metal soaps such as zinc stearate and EBS waxes are suitable.
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。 The following examples of the present invention are provided, but the present invention is not limited to these.
(溶湯の作製)
実施例及び比較例のCu系粉末は、原料の銅を1100℃以上で加熱して溶融状態にしたのち、元素M、リン銅、Snの単体粉末又は地金を添加し、溶湯を製造した。
(Preparation of molten metal)
The Cu-based powders of the examples and comparative examples were prepared by heating raw copper to 1100°C or higher to make it molten, and then adding element M, phosphorus copper, and Sn powder or base metal to produce a molten metal.
(粉末の製造)
溶融状態の実施例及び比較例の各Cu系合金成分(溶湯)を落下させながら約15MPaの高圧水と接触させることで急冷凝固させる水アトマイズ法で作製した。
(Powder production)
The alloys were produced by a water atomization method in which the molten Cu-based alloy components (molten metal) of the examples and comparative examples were dropped into contact with high-pressure water of about 15 MPa to rapidly cool and solidify them.
実施例15は水アトマイズ法により製造されたCu系粉末(Cu/P=Bal./0.3質量%)98.86質量%に、Co粉末を1.14質量%添加して作製した。 Example 15 was prepared by adding 1.14 mass% Co powder to 98.86 mass% Cu-based powder (Cu/P = Bal./0.3 mass%) produced by water atomization.
(溶湯の流動性)
溶湯の流動性は、目視により、溶湯の落下が悪化しなかったサンプルを〇、悪化しかけたが粉末の製造が継続できたサンプルを△、悪化により粉末の製造を中断せざるを得なかったサンプルを×として評価した。
(Fluidity of molten metal)
The fluidity of the molten metal was evaluated by visual inspection, with samples where the drop of the molten metal did not deteriorate being rated as ◯, samples where the drop of the molten metal began to deteriorate but powder production could be continued being rated as △, and samples where the drop of the molten metal deteriorated so much that powder production had to be interrupted being rated x.
(粉末の各元素の測定)
表1に記載した元素M、Sn、P、Oの含有量は作製した粉末をそれぞれ測定して得た値である。
(Measurement of each element in powder)
The contents of the elements M, Sn, P, and O shown in Table 1 were obtained by measuring the respective powders produced.
元素M、Snは、ICP発光分光分析装置iCAP7600(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製)を使用し、Pは分光光度計UV-1850(株式会社島津製作所製)を使用し、OはEMGA-920(株式会社堀場製作所製)を使用し不活性ガス融解赤外線吸収法を用いて測定した。 Elemental values of M and Sn were measured using an ICP optical emission spectrometer iCAP7600 (manufactured by Thermo Fisher Scientific Inc.), P was measured using a spectrophotometer UV-1850 (manufactured by Shimadzu Corporation), and O was measured using an EMGA-920 (manufactured by Horiba Ltd.) using the inert gas fusion infrared absorption method.
(熱処理)
実施例及び比較例の各Cu系粉末は、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を0.3質量%添加した後、圧粉体密度が8.0g/cm3となるように成形し、熱処理として水素雰囲気中で1000℃で120分保持して焼結させた後、水冷し、再び水素雰囲気中で550℃で120分保持して時効させた。その後、水冷して各焼結体を得た。
(Heat treatment)
Each Cu-based powder in the examples and comparative examples was added with 0.3% by mass of zinc stearate as a lubricant, and then molded to a green density of 8.0 g/cm3. The powder was sintered by heat treatment at 1000°C for 120 minutes in a hydrogen atmosphere, then water-cooled, and then aged by again holding at 550°C for 120 minutes in a hydrogen atmosphere. After that, each sintered body was obtained by water-cooling.
(電気伝導性の評価)
電気伝導性(熱伝導性)の評価は真密度換算の導電率(%IACS)を測定することで行った。
(Evaluation of electrical conductivity)
The electrical conductivity (thermal conductivity) was evaluated by measuring the electrical conductivity (% IACS) converted into true density.
各焼結体を5mm×30mm×1mm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)で測定して真密度換算の導電率(%IACS)を求めた。 Each sintered body was cut into a size of 5 mm x 30 mm x 1 mm, and the volume resistance value at a terminal distance of 20 mm was measured using a resistance meter 3541 (manufactured by Hioki E.E. Corporation) to determine the conductivity converted to true density (% IACS).
元素Mを含有する実施例と元素Mを含有しない比較例の各Cu系合金の導電率(%IACS)を測定し、Pの含有量が同じで、元素Mを含有しないCu系合金の導電率よりも元素Mを含有するCu系合金の導電率が上がっているものを「改善あり」、同等又は下がっているものを「改善なし」として評価した。 The electrical conductivity (% IACS) of each Cu-based alloy was measured for examples containing element M and comparative examples not containing element M. Cu-based alloys with the same P content and containing element M whose electrical conductivity was higher than that of Cu-based alloys not containing element M were evaluated as "improved," while those whose electrical conductivity was the same or lower were evaluated as "not improved."
実施例5~8の焼結体のビッカース硬さを微小硬度計HMV-G(株式会社島津製作所製)を用い、荷重25gfで求めた。 The Vickers hardness of the sintered bodies of Examples 5 to 8 was measured using a microhardness tester HMV-G (manufactured by Shimadzu Corporation) under a load of 25 gf.
結果を表1及び表2に示す。
なお、表1及び表2においては、Pの質量%と「MxPy」に記載したリン化物からそれぞれAを計算し、A×0.3質量%を元素Mの最小値、A×1.2質量%を最大値とし、各Cu系粉末の元素Mの含有量が前記最小値と最大値の範囲にある場合には適合の欄に〇、前記範囲を外れている場合には×と示した。
The results are shown in Tables 1 and 2.
In Tables 1 and 2, A was calculated from the mass % of P and the phosphide listed in "M x P y ", and the minimum value of element M was A × 0.3 mass % and the maximum value was A × 1.2 mass %. If the content of element M in each Cu-based powder was within the range between the minimum and maximum values, a circle was indicated in the compatibility column, and if it was outside the range, an × was indicated.
実施例1~15に示すように、本発明のCu系粉末から製造したCu系合金はいずれも、比較例2~4に示す元素Mを添加せず、Pの含有量が同じであるCu系粉末から製造したCu系合金と比較して導電率が高いことが確認できた。 As shown in Examples 1 to 15, it was confirmed that all of the Cu-based alloys produced from the Cu-based powder of the present invention had higher electrical conductivity than the Cu-based alloys produced from Cu-based powders with the same P content but without the addition of element M, as shown in Comparative Examples 2 to 4.
また、Snを添加することで母相強度が向上することが確認できた。
なお、Snを添加した実施例の溶湯は、Snを添加しない実施例の溶湯と比べて流動性がさらに向上することが観察された。
It was also confirmed that the addition of Sn improves the strength of the matrix.
It was observed that the molten metals of the examples to which Sn was added had improved fluidity compared to the molten metals of the examples to which Sn was not added.
本発明は、Pを含有する溶湯から製造するので、Pが酸素と反応して気相のリン酸化物となり、酸素量を減少させることができるため、酸素による溶湯の流動性の悪化を抑制できるから、アトマイズ法によって優れた生産性及び安全性を確保して製造することができる。
また、リン化物を形成し易い元素Mを含有するので、熱処理を行うことで、Cu系粉末に含まれるPと元素Mとがリン化物を形成してCu母相中から析出させることができるため、熱伝導性や電気伝導性に与えるPの影響が少ないCu系合金を製造することができる。
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。
In the present invention, since the alloy is produced from a molten metal containing P, the P reacts with oxygen to form a gaseous phosphate, thereby reducing the amount of oxygen, and thus preventing the deterioration of the fluidity of the molten metal due to oxygen. Therefore, the alloy can be produced by the atomization method while ensuring excellent productivity and safety.
Furthermore, since the Cu-based powder contains element M, which easily forms phosphides, heat treatment can be performed to cause the P contained in the Cu-based powder and element M to form phosphides that precipitate from the Cu matrix, thereby enabling the production of a Cu-based alloy in which P has little effect on thermal conductivity and electrical conductivity.
Therefore, the present invention has high industrial applicability.
Claims (5)
前記元素Mは、298K~1300Kの温度域における前記元素Mのリン1mol当たりのリン化物の標準生成自由エネルギーが同温度域におけるCu3Pのリン1mol当たりの標準生成自由エネルギー以下の元素であり、
前記元素Mのリン化物の中で前記温度域における標準生成自由エネルギーが最も低いリン化物がMxPy(但し、x>0,y>0)で表され、Aが下記(式)で表されるとき、前記Cu系粉末における前記元素M一種当たりの含有量は、前記A×0.3質量%以上、かつ、前記A×1.2質量%以下であり、前記Pの含有量は0.01質量%~1.0質量%であり、Snを3.0質量%以下(0を含む)含有するCu系粉末。
(式)A=Pの質量%×(x/y)×(Mの原子量/Pの原子量) A Cu-based powder containing elements M, P, and Cu,
the element M is an element whose standard free energy of formation of a phosphide of the element M per 1 mol of phosphorus in a temperature range of 298 K to 1300 K is equal to or less than the standard free energy of formation of Cu 3 P per 1 mol of phosphorus in the same temperature range;
Among the phosphides of the element M, the phosphide having the lowest standard free energy of formation in the temperature range is represented by M x P y (where x>0, y>0), and A is represented by the following formula (formula), the content of each element M in the Cu-based powder is A x 0.3% by mass or more and A x 1.2% by mass or less, the content of P is 0.01% by mass to 1.0% by mass, and the Cu-based powder contains 3.0% by mass or less (including 0) of Sn .
(Formula) A = mass % of P × (x/y) × (atomic weight of M/atomic weight of P)
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