CN101760664A - 粉末冶金用青铜粉末及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种作为粉末冶金的原料粉使用的、分离偏析少成形性良好，烧结时尺寸变化率稳定的青铜粉末。本发明的粉末冶金用青铜粉末通过混合铜粉和通过雾化法制造的锡含量为10～50质量％的青铜合金粉，使全体的锡含量为5～20质量％，对所得到的混合物在非氧化性气氛中在400～800℃进行热处理，使其部分地扩散结合后，进行粉碎，如此制造而成，在该青铜粉末中，铜粉和青铜粉末结合，以荷重10g测定的铜部的维氏硬度Hv为50～100。

Description

粉末冶金用青铜粉末及其制造方法

技术领域

本发明涉及作为粉末冶金的原料粉使用的、分离偏析少成形性良好，烧结时尺寸变化率稳定的青铜粉末及其制造方法。

背景技术

历来，作为制造青铜系烧结构件时的原料粉，使用以规定比率混合铜粉和锡粉的混合粉，或者通过雾化法制造的合金粉。

但是，使用混合粉时，由于铜粉和锡粉的比重、粒度、粒形等的差别而难以均匀混合，另外，即使均匀混合，在输送、装入料斗以及流出、填充模具时，发生成分的分离偏析，所得到的烧结构件的尺寸精度、强度、金属组织的均匀性降低。另外还有，由于烧结中Sn液相出现急速地进行烧结，因此，存在尺寸变化率不稳定，制品的尺寸精度容易偏差的缺点。

为了抑制成分粉末的分离偏析，考虑有使用有机粘合剂粘结主成分粉末和副成分粉末，但是青铜系的情况碳对主成分的铜的扩散基本上不会发生，粘合剂的成分的残留碳阻碍烧结。为了防止其发生，需要采用极力抑制粘结剂的添加量，在挤压中轻压等，辅助粘结，工序复杂，花费成本的问题(专利文献1)。另外，使用该方法时，虽然能够抑制分离偏析，但是与单纯混合的情况一样，在烧结中Sn液相出现急速地进行烧结，因此，尺寸变化率不稳定，制品的尺寸精度容易偏差。

另一方面，在使用合金粉时，虽然没有成分的分离偏析的问题，烧结也是固相烧结因此烧结尺寸变化稳定，但是，由于固溶硬化粉末粒子的硬度变高成形性变差，特别是，在制造如含油轴承等的多孔质的烧结构件时极其不利。为了降低粒子的硬度对粉末进行热处理退火，但是这时虽然基质硬度下降，但是粉末粒子表面的微细的凹凸消失，不能提高成形性。

另外，作为分离偏析少且成形性良好的青铜系粉末，公开了混合铜粉和焊料粉，或者混合铜粉和焊料粉和锡粉后进行热处理的部分合金化粉的制造方法(专利文献2)。但是，由于焊料和锡熔点低另外和铜粉湿润性非常好，在183～232℃的熔点熔解时，在铜粉的表面快速地涂敷扩散，从其后的粒子的表面全体扩散到铜粉中。因此，存在合金化快速进行，由于固溶硬化粉末容易变硬的缺点。

专利文献1特开平8-134502号公报

专利文献2特公平4-4361号公报

发明内容

本发明为了解决上述问题，其课题为提供成形性良好且没有成分的分离偏，烧结尺寸变化稳定的青铜粉末。

为了解决课题，通过混合铜粉和青铜合金粉，加热该混合物，由此，使铜粉和青铜合金粉扩散结合后粉碎，得到铜粉和青铜合金粉在一粒子中存在的造粒粒子。

本发明中的铜粉的制造方法没有限定，例如可以使用通过雾化法、电解法等制造的粉末。另外，青铜合金粉可以使用通过雾化法制造的Cu-Sn合金粉，其中Sn的含量为10～50质量％。

将这些铜粉和青铜合金粉以全体的锡含量为5～20质量％的方式混合，在非氧化性气氛中在400～800℃进行热处理，使其部分地扩散结合后粉碎得到上述青铜粉末。

本发明的青铜粉的粒度没有特别限定，但是一般粉碎为能够通过网眼为75～350μm的筛子的粒径。

此时的原料的青铜合金粉的Sn成分为40～50质量％时，在400℃左右进行热处理，随着所使用的青铜合金粉的Sn成分变少提高热处理温度。在使用含有10质量％的青铜合金粉时，热处理温度优选为750～800℃。如此，在热处理中不会使液相出现在固相区域使Sn在铜粒子中扩散，使铜粉和青铜合金粉扩散结合，同时，能够防止过剩的Sn向铜粉中扩散，能够将Cu部的硬度抑制得很低。

如此得到的本发明的青铜粉末是如下的粉末，通过光学显微镜的组织观察，能够确认到铜粉末和青铜合金粉结合，并且，以荷重10g测定的Cu部的维氏硬度Hv为50～100。

该造粒粉末由于铜部和青铜部结合，因此不发生偏析，另外，由于挤压成形时软的铜部变形，和硬的青铜部紧贴，因此成形性非常良好。另外，由于在烧结中不出现液相，因此，烧结尺寸变化率稳定。

附图说明

图1是本发明的方法制造的本发明的青铜粉末的粒子截面照片。

符号说明

1铜部

2青铜部

具体实施方式

以下，详细说明本发明。

在本发明中，将青铜粉末全部的锡含量定为5～20质量％，是因为比5质量％少时，由于Sn的固溶量少，因此烧结体的基质软轻度变低，而在超过20质量％时，Sn成分过多，脆的中间相出现很多，导致强度降低。

将原料的青铜合金粉的Sn含量定为10～50质量％是出于下述理由。Sn含量比10质量％少时，将其与铜粉混合全体的Sn含量为5质量％以上时，软的铜粉的混合量显著减少硬的青铜粒子的比率变多，因此，成形时的粒子的变形不充分，不能得到高的成形体强度。另外，在比50质量％多时，即使将热处理温度设低，热处理时相当量的Cu-Sn液相出现，其在混合的Cu粒子表面迅速湿润Sn在Cu粒子中急速地扩散，由此，Cu粒子固溶硬化，成形性下降。

热处理温度为400～800℃，在原料的青铜合金粉的Sn成分为40～50质量％时，优选在400℃左右的低温进行热处理，随着所使用的青铜合金粉的Sn成分便少，提高热处理温度，在使用含有10质量％的Sn的铜合金粉时，优选热处理温度为750～800℃。如此，热处理中不会使液相出现，能够在固相烧结领域使铜粉和青铜合金粉扩散结合，能够防止过剩的Sn向铜粉中扩散，将Cu部的硬度抑制得很低。由此，抑制铜粉和青铜合金粉的分离偏析，同时能够得到能得到高的成形体强度的成形性良好的青铜粉末。热处理温度超过800℃时，Sn向Cu中的扩散速度变快，Cu粒子的固溶硬化进行，成形性降低，并且，块状体(cake)变硬难以粉碎，生产性显著降低。

还有，本发明中需要在非氧化性气氛中进行上述热处理，一般在氮或氩等惰性气体、氢或氢和氮的混合气体等的还原气氛中进行热处理。

如此得到的本发明的青铜粉末是如下的粉末，如图1所示通过光学显微镜进行组织观察能够确认到铜粉和青铜合金粉末结合，并且，以荷重10g测定的Cu部的维氏硬度Hv为50～100。

另外，在使用本发明的青铜粉时，可以混合添加一般在粉末冶金中在青铜中添加的添加物，即，铅、锌、铋、Cu-P等的单体金属或合金粉末、石墨、二硫化钼、硫化锰等的固体润滑剂、碳化物、氮化物等的硬质粒子、金属肥皂、蜡等的成形润滑剂。

实施例

接着基于实施例详细说明本发明。

以下所示的实施例1～5以及比较例6～12是如下的粉末：混合平均粒径50μm的水雾化铜粉和Sn含量为5～60质量％平均粒径为40～50μm的水雾化青铜合金粉，在规定的温度在氢75体积％氮25体积％的混合气体中进行20分钟热处理后，进行烧结通过小型粉碎机粉碎成为块状体的粉末块，通过100mesh的筛子(网眼150μm)进行制作的粉末。实施例6铜粉使用平均粒径45μm的电解铜粉同样制作而成。

比较例1是用混合机混合平均粒径50μm的水雾化铜粉90质量％和平均粒径25μm的水雾化锡粉10质量％而成的单纯混合粉末。

比较例2是如下的粉末：在平均粒径50μm的水雾化铜粉90质量％中，混合添加金属粉的整体的1质量％的聚乙烯吡咯烷酮5质量％水溶液，另外，添加平均粒径25μm的水雾化锡粉10质量％混合后，将其装入模具施加6MPa的压力，在100℃开放干燥一小时，用小型粉碎机粉碎，通过100mesh的筛子得到的偏析防止处理青铜粉。

比较例3是如下的粉末：混合平均粒径50μm的水雾化铜粉90质量％和平均粒径25μm的水雾化锡粉10质量％，在氢75体积％氮25体积％的混合气体中在400℃热处理20分钟后，进行烧结，通过小型粉碎机粉碎成为块状体的粉末块，通过100mesh的筛子制作的部分合金化青铜粉。

比较例4是混合平均粒径50μm的水雾化铜粉和Sn含量为30质量％平均粒径为45μm的水雾化青铜合金粉的混合粉末。

比较例5是水雾化制作的、全体的Sn含量为10质量％的平均粒径为48μm的Cu-10质量％Sn合金粉。

对这些粉末测定粒子截面的Cu部硬度、压粉体抗折力、烧结尺寸变化率及其偏差、烧结体强度，观察烧结体外观的状态。

Cu部的硬度是将粉末埋入树脂中进行研磨，为了除去研磨导致的应变轻度刻蚀后，在如图1-1所示的Cu部的大致中心部对20粒子以荷重10g进行维氏硬度试验取得的平均值。以荷重10g测定的维氏硬度Hv在很好地退火的杂质少的Cu约为50左右，但在晶粒微细，或杂质和合金成分多时，成为高的值。Cu部的Hv值低时，在挤压成形时很好地变形，为了与硬的青铜部紧贴而成为成形性优异的粉末，所显示的压粉体抗折力提高。相反，Hv值变高时，成形性变差，特别是在100以上时，成形性下降，在实用上有问题。

还有，对CU的硬度以荷重10g测定维氏硬度时，最低的值为50左右，不会为比其更低的值。

压粉体抗折力为评价粉末的成形性的数值，在粉末中作为成形润滑剂混合蜡类润滑剂，形成30×12×6mm的立方体，使其压粉体密度为6.3g/cm³，基于ISO3995规格测定破坏强度。该值根据实际制造的部件的尺寸和形状，求出的水准多少有些差异，但是优选具有大致8.0MPa以上的强度。

即使在烧结时，在粉末中作为成形润滑剂混合蜡类润滑剂，成形为φ14×φ7×7mm的圆筒形，使压粉体密度为6.3g/cm³，在氢75体积％氮25体积％的混合气体中在780℃进行20分钟。烧结对于各个试料粉末进行10个，测定烧结前后的尺寸变化率，作为烧结体的强度基于JISZ2507规格测定压环强度。在以下的表中显示的测定结果中记载有他们的平均值和作为表示尺寸变化率的偏差的数值的标准偏差。进行烧结时，一般尺寸收缩尺寸变化率为负，该值自身的大小在成形模具制作时考虑尺寸变化量而决定模具的尺寸，没有特别的问题。但是，该值根据试料有偏差时，制品的尺寸净度降低，从而产生问题。尺寸变化率的标准偏差值优选越小越好，但认为在大致超过0.1时，在实用上会发生问题。烧结体的压环强度优选更高，在200MPa以上时则在实用上没有问题。

偏析状态是目视观察烧结体侧面，以能够看到富sn部的筋状样子为基准。观察到筋状样子的表示为“偏析”，没有观察到的为“无”。

在以下所示的实施例和比较例中，对这些项目进行综合的评价，Cu部的维氏硬度Hv为50～100，压粉体抗折力为8.0MPa以上，烧结尺寸变化率的标准偏差为0.1以下，烧结体压环强度为200MPa以上，烧结体外观没有观察到筋状偏析的粉末为○，任一项目在该范围外的为×。

表1显示各种制造方法制造的青铜粉末的结果。比较例1和4的混合粉由于Cu成分和Sn成分未结合，从而发生偏析，在烧结体侧面观察到筋状的富Sn部。比较例2虽未发生偏析，但是由于和比较例1一样为液相烧结，因此，尺寸变化率的偏差大。比较例1、2、4中所用的水雾化铜粉以急冷凝固，晶粒微细，因此，粒子硬成形性差。比较例3虽然具有热处理产生的退火效果，但是也有Sn扩散带来的固溶硬化的影响，粒子硬成形性差。比较例5的雾化生产的合金粉粒子的硬度非常高，成形性显著地差。相对于此，实施例1所示的本发明的青铜粉，成形性、尺寸变化的偏差，烧结体强度、偏析均良好。

表1

	比较例1	比较例2	比较例3	比较例4	比较例5	实施例1
							制造方法	雾化铜粉和雾化Sn粉的混合粉	雾化铜粉和雾化Sn粉的偏析防止处理粉	雾化铜粉和雾化Sn粉的部分合金化粉	雾化铜粉和雾化Cu-30Sn粉的混合粉	雾化Cu-10Sn粉	本发明的青铜粉
全体的Sn质量(mass％)	10	10	10	10	10	10
							Cu部硬度(Hv)	103	108	110	102	(168)	62
压粉体的抗折力(MPa)	5.3	6.1	5.1	4.5	2.3	12.1
							尺寸变化率(％)	-0.11	-0.07	-0.21	-0.33	-1.05	-0.52
尺寸变化率标准偏差	0.25	0.20	0.10	0.19	0.04	0.07
							烧结体压环强度(MPa)	274	262	258	265	231	253
偏析状态	偏析	无	无	偏析	无	无
							综合评价	×	×	×	×	×	○

()：比较例5由于没有铜部仅有青铜，因此测定了青铜部。

表2中显示全体的组成对于粉末特性的影响。

如比较例6所示，全体的Sn量比5质量％少时，由于Sn的固溶量少，因此烧结后的烧结体的基质软，烧结体压环强度变低。林外改，如比较例7所示，超过20质量％时，Sn成分过多，脆的中间相大量出现，引起烧结体压环强度下降。

表2

	比较例6	实施例2	实施例1	实施例3	比较例7
						青铜合金粉组成	Cu-10％Sn	Cu-10％Sn	Cu-30％Sn	Cu-50％Sn	Cu-50％Sn
青铜合金粉配合量(mass％)	30	50	33.3	40	50
						铜粉配合量(mass％)	70	50	66.7	60	50
全体的Sn量(mass％)	3	5	10	20	25
						热处理温度(℃)	800	750	600	400	400
Cu部硬度(Hv)	81	73	62	93	105
						压粉体抗折力(MPa)	10.2	9.7	12.1	10.3	7.8
尺寸变化率(％)	-0.36	-0.43	-0.52	-0.87	-1.25
						尺寸变化率标准偏差	0.06	0.06	0.07	0.09	0.12
烧结体压环强度(MPa)	195	231	253	223	187
						偏析状态	无	无	无	无	无
综合评价	×	○	○	○	×

表3显示热处理温度的影响。

如比较例8，在热处理温度超过800℃时，Sn向Cu粒子中的扩散过度进行，Cu部硬度变高，压粉体抗折力变低。另外，如比较例10，热处理温度低于400℃时，即使将在比较的低温烧结也容易进行的Cu-50质量％Sn组成的青铜合金粉使用于原料粉烧结也几乎不进行，铜粉和青铜合金粉的结合不充分，其结果发生分离偏析。

如实施例1～3所示，原料的青铜合金粉的Sn成分为10质量％时，在750℃进行热处理，Sn成分为30质量％时，在600℃进行热处理，Sn成分为50质量％时，在400℃进行热处理，从而能够得到Cu部的硬度低成形性良好，没有分离偏析的青铜粉末。

表3

	比较例8	实施例2	实施例1	实施例3	比较例10
						青铜合金粉组成	Cu-10％Sn	Cu-10％Sn	Cu-30％Sn	Cu-50％Sn	Cu-50％Sn

	比较例8	实施例2	实施例1	实施例3	比较例10
						青铜合金粉配合量(mass％)	50	50	33.3	40	40
铜粉配合量(mass％)	50	50	66.7	60	60
						全体的Sn量(mass％)	5	5	10	20	20
热处理温度(℃)	900	750	600	400	300
						Cu部硬度(Hv)	122	73	62	93	91
压粉体抗折力(MPa)	5.4	9.7	12.1	8.6	6.7
						尺寸变化率(％)	-0.5	-0.43	-0.52	-0.87	-0.91
尺寸变化率标准偏差	0.05	0.06	0.07	0.09	0.15
						烧结体压环强度(MPa)	214	231	253	223	210
偏析状态	无	无	无	无	偏析
						综合评价	×	○	○	○	×

表4显示作为原料粉使用的青铜合金粉的组成的影响。

如比较例11，青铜合金粉的组成为5质量％时，全体组成为5质量％以上，因此，没有添加铜粉的余地，全部成为青铜合金粉。该结果为没有Cu部，占粉末全体的青铜部的硬度成为134这样高的值。因此，成形时的粉末粒子的变形少，成形性下降。

如比较例12，青铜合金粉的组成超过50质量％时，即使在400℃进行热处理，大量的液相出现Sn急速地在Cu粒子中扩散，由此，Cu粒子硬度成为111，变高，成形性下降。

如实施例1～5所示，青铜合金粉的Sn含量为10～50质量％时，通过选定适当的热处理温度，能够得到良好的粉末。

表4

	比较例11	实施例2	实施例1	实施例4	实施例5	实施例3	比较例12
								青铜合金粉组成	Cu-5％Sn	Cu-10％Sn	Cu-30％Sn	Cu-50％Sn	Cu-50％Sn	Cu-50％Sn	Cu-60％Sn
青铜合金粉配合量(mass％)	100	50	33.3	10	20	40	16.7
								铜粉配合量(mass％)	0	50	66.7	90	80	60	83.3
全体的Sn量(mass％)	5	5	10	5	10	20	10
								热处理温度(℃)	800	750	600	500	500	400	400
Cu部硬度(Hv)	(134)	73	62	55	67	93	111
								压粉体抗折力(MPa)	4.8	9.7	12.1	9.8	11.3	10.3	5.3
尺寸变化率(％)	-0.92	-0.43	-0.52	-0.50	-0.59	-0.87	-0.52
								尺寸变化率标准偏差	0.03	0.06	0.07	0.08	0.07	0.09	0.11
烧结体压环强度(MPa)	215	231	253	222	240	223	226
								偏析状态	无	无	无	无	无	无	无
综合评价	×	○	○	○	○	○	×

()：比较例11由于没有铜部仅有青铜，因此测定了青铜部。

表5的实施例6是替代实施例1的原料铜粉的雾化铜粉使用电解铜粉以相同的组成、制造条件制造的粉末，均能得到Cu部硬度低成形性良好，没有分离偏析，烧结体强度高的结果。

表5

	实施例1	实施例6
			青铜合金粉组成	Cu-30％Sn	Cu-30％Sn
青铜合金粉配合量(mass％)	33.3	33.3
			铜粉种类及配配合量(mass％)	雾化粉66.7	电解粉66.7
全体的Sn粉(mass％)	10	10
			热处理温度(℃)	600	600
铜部硬度(Hv)	62	64
			压粉体抗折力(MPa)	12.1	13.7
尺寸变化率(％)	-0.52	-0.82
			尺寸变化率标准偏差	0.07	0.08
烧结体压环强度(MPa)	253	227
			偏析状态	无	无
综合评价	○	○

本发明的青铜粉末能够作为铜系粉末冶金全般额原料粉利用。特别是由于不发生分离偏析成形性、烧结性优异，因此，作为用于制造精密且小型、形状复杂的部件的原料粉能够得到良好的特性，能够广泛应用。

Claims (2)

1.一种粉末冶金用青铜粉末，其特征在于，在该青铜粉末中，铜粉和锡含量为10～50质量％的青铜合金粉扩散结合，青铜粉末全体的锡含量为5～20质量％，并且，以荷重10g测定的铜部的维氏硬度Hv为50～100。

2.一种粉末冶金用青铜粉末的制造方法，是用于制造粉末冶金用的青铜粉末的方法，其特征在于，混合铜粉和通过雾化法制造的锡含量为10～50质量％的青铜合金粉，使全体的锡含量为5～20质量％，对所得到的混合物在非氧化性气氛中在400～800℃进行热处理，使其部分地扩散结合后，进行粉碎。

Images