CN110891712A - 层压成形用铜粉末以及层压成形产品 - Google Patents

层压成形用铜粉末以及层压成形产品 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于增材制造的铜粉末，其中加入锡(Sn)以使得通过适当降低铜的电导率，借助其中使用光纤激光器作为热源的增材制造方法而得到高密度增材制造产品。根据本发明，可以得到具有高密度和高电导率的增材制造产品。通过将元素锡加入至纯铜中得到该用于增材制造的铜粉末。铜粉末优选含有至少0.5重量％的元素锡，并且更优选至少5.0重量％的元素锡。当对于铜产品来说具有足够的电导率时，铜粉末含有至多6.0重量％的元素锡。优选的是，不将除元素锡外的元素加入至铜粉末中。

Description

层压成形用铜粉末以及层压成形产品
技术领域
本发明涉及用于层压成形的铜粉末以及层压成形产品。
背景技术
激光束层压成形使用光纤激光器作为热源，并且通过将在其上铺展金属粉末的粉末床熔融并且凝固来形成任意形状。存在其中可以通过使用铁合金(称为Fe合金)和镍合金(称为Ni合金)得到高密度制造产品的实例。然而，纯铜是具有高电导率和高热导率的元素，并且期望通过使用激光束层压成形而形成具有复杂形状的导电产品和导热部件。然而，纯铜尚未投入实际使用，因为不可能形成具有98.5％以上的高密度(在该密度冷却剂如气体或水不泄漏)的层压成形产品。
在以上技术领域中，作为用于形成具有96％以上的相对密度的层压成形产品的铜合金粉末，专利文献1公开了一种含有总计1.00质量％以下的Cr(铬)和Si(硅)中的至少一种以及作为余量的铜的铜合金粉末。作为用于形成层压成形产品的铜合金粉末的实例，引用的文献2公开了一种含有作为主要金属元素的Cu(铜)以及作为添加元素的Zn(锌)、Mn(锰)、Al(铝)和Fe(铁)的铜合金粉末。
引用清单
专利文献
专利文献1：日本专利公开号2016-211062
专利文献2：日本专利公开号2016-053198
发明概述
技术问题
然而，上述专利文献没有提及铜的电导率对层压成形产品的密度产生影响，这影响了含有铜作为主要组分的层压成形产品的机械强度。
本发明的发明人已经发现，纯铜的高电导率使得不可能通过使用光纤激光器作为热源进行层压成形而得到高密度层压成形产品。原因是因为激光束在激光照射期间被反射，所以不能得到使纯铜粉末熔融所需的热能。
本发明提供了解决上述问题的技术。
问题的解决方案
本发明的一个示例方面提供了一种其中将锡元素加入至纯铜中的铜粉末。
本发明的另一个示例方面提供了一种含有铜作为主要组分的产品，其是通过层压成形装置、使用上述用于层压成形的铜粉末层压成形的。
发明的有益效果
根据本发明，为了通过适当降低铜的电导率、通过使用光纤激光器作为热源的层压成形法得到高密度层压成形产品，提供了其中加入了锡(Sn)的层压成形用铜粉末，并且可以得到具有高密度和高电导率的层压成形产品。
附图简述
图1是示出根据本发明的一个示例实施方案的层压成形装置的构造实例的图；
图2A是示出根据本发明的实施例1的铜粉末的扫描电子显微镜(SEM)图像的图；
图2B是示出根据本发明的实施例2的铜粉末的SEM图像的图；
图2C是示出根据本发明的实施例3的铜粉末的SEM图像的图；
图2D是示出根据本发明的实施例4的铜粉末的SEM图像的图；
图2E是示出根据本发明的实施例5的铜粉末的SEM图像的图；
图3是示出根据比较例1的铜粉末的SEM图像的图；
图4A是示出使用根据本发明的实施例1的铜粉末的层压成形产品的SEM图像的图；
图4B是示出使用根据本发明的实施例2的铜粉末的层压成形产品的SEM图像的图；
图4C是示出使用根据本发明的实施例3的铜粉末的层压成形产品的SEM图像的图；
图4D是示出使用根据本发明的实施例4的铜粉末的层压成形产品的SEM图像的图；
图4E是示出使用根据本发明的实施例5的铜粉末的层压成形产品的SEM图像的图；
图5是示出使用根据比较例1的铜粉末的层压成形产品的SEM图像的图；和
图6是示出使用根据本发明的实施例1至5和比较例1的铜粉末的层压成形产品中的每一种的电导率的图。
示例实施方案描述
现在将参照附图详细描述本发明的示例实施方案。应该指出的是，除非另外具体说明，在这些示例实施方案中给出的组件的相对排列、数值表达方式和数值不限制本发明的范围。
<<通过使用本示例实施方案的铜粉末进行层压成形而得到的层压成形产品的应用>>
使用在本示例实施方案中使用的铜粉末作为层压成形的材料。当可以形成使用铜粉末的层压成形产品时，可以在电路连接器、散热装置、热交换器等的领域中进行精细成形。
在这些应用中，使用铜粉末的层压成形产品理想地具有足够的密度(通过阿基米德法(method of Archimedes)测量的密度为98.5％以上)。此外，当利用铜的电导率或热导率时，层压成形产品理想地具有与铜产品一样足够的电导率(20％IACS以上)。如果前述测量密度小于98.5％，则发生如水泄漏的问题。此外，当使用层压成形产品作为例如用于端子的弹簧材料时，20％IACS以上的电导率是必需的。注意，使用铜粉末的层压成形产品不限于以上实例，并且也可以用作另一种电路组件或电磁波屏蔽组件。
<<本示例实施方案的用于层压成形的铜粉末>>
当使用纯铜粉末时，激光束在激光照射期间由于高电导率而被反射，因此不能得到将纯铜粉末熔融所需的热能。这使得不可能通过使用光纤激光器作为热源的层压成形法得到高密度层压成形产品。
因此，本示例实施方案提供了一种铜粉末，所述铜粉末可以被层压成形，并且所述铜粉末为通过使用该铜粉末形成的层压成形产品提供上述足够的密度和与铜产品一样的上述足够的电导率。也就是说，可以通过在铜中共混锡(Sn)元素来调节电导率。之后，铜被调节为具有适用于层压成形法的粒子形状和粒度，并且可以作为用于层压成形的铜合金粉末提供。
(用于层压成形的铜粉末的条件)
对于可以被层压成形的铜粉末来说，以下条件是必需的。
(1)当通过激光衍射法测量时，铜粉末粒子的50％粒度为3至200μm。如果铜粉末粒子的50％粒度小于3μm，则粒子没有流动性，因此不能在使用SLM法的层压成形装置中形成粉末床。另一方面，如果铜粉末粒子的50％粒度大于200μm，则在使用EBM法的层压成形装置中粉末床的表面粗糙，因此不能形成适用于成形的粉末床。
(2)铜粉末的表观密度(AD)为3.0g/cm3以上。如果铜粉末的AD小于3.0，则在层压成形装置中粉末床的粉末填充比降低，因此不能形成合适的粉末床。
(3)铜粉末的流动性(FR)为60秒/50g以下。如果铜粉末的FR为60秒/50g以上，则不能从层压成形装置中的送料斗供给粉末，因此不能形成合适的粉末床。
(用于层压成形的铜粉末的制造方法)
可以通过例如“旋转圆盘法”、“气体雾化法”、“水雾化法”、“等离子体雾化法”或“等离子体旋转电极法”制造本示例实施方案的铜粉末。在本示例实施方案中，在这些方法中，使用“气体雾化法”。在该气体雾化中，使用气体如氦气、氩气或氮气，并且通过依靠调节气体的压力和流量控制粉末化来制造铜粉末。然而，也可以通过使用另一种制造方法制造类似的铜粉末。通过预定的分级尺寸对所制造的铜粉末进行分级。
(用于层压成形的铜粉末的特性的测量)
测量所制造的铜粉末的以下特性。
(1)通过IPC(电感耦合等离子体)原子发射光谱法来测量通过将锡元素加入至铜中得到的铜粉末中的锡元素的含量。
(2)根据JIS Z 2504测量其中加入了锡元素的铜粉末的表观密度(g/cm3)。
(3)根据JIS Z 2502测量其中加入了锡元素的铜粉末的流动性(秒/50g)。
(4)通过激光衍射法测量50％粒度(μm)。
(5)通过使用SEM(扫描电子显微镜)来获取所制造的铜粉末的图像。
(测量结果的评价)
根据本示例实施方案的其中加入了锡元素的铜粉末满足作为其中可以通过层压成形装置进行层压成形的上述条件的所有以下条件：(1)铜粉末粒子的50％粒度，(2)铜粉末的表观密度，和(3)铜粉末的流动性。
<<本示例实施方案的层压成形产品的制造>>
图1是示出本实施方案的层压成形装置100的示意性构造实例的图。层压成形装置100包括用于电子束或光纤激光器101a的发射机构101，作为粉末罐的料斗102，用于通过以预定厚度将粉末铺展而形成粉末床的挤压叶片103，和反复向下移动预定厚度从而进行层压的工作台104。挤压叶片103和工作台104彼此配合以产生具有均匀预定厚度的粉末层压部105。基于由3D-CAD数据得到的切片数据(slice data)用光纤激光器101a照射每个层，从而将金属粉末(在本示例实施方案中为铜粉末)熔融并且制造层压成形产品105a。
注意，通过E＝P/(v×s×t)来调节所使用的能量密度E(J/mm3)，其中t：粉末床的厚度，P：激光器的输出，v：激光器的运行速度，和s：激光扫描间距。
(层压成形产品的条件)
对于本示例实施方案的可用的层压成形产品来说，以下条件是必需的。在以下条件中，条件(1)是得到层压成形产品的强度所必需的条件。另一方面，条件(2)是当层压成形产品不需要具有铜的电导率和热导率时非必需的条件，并且是当利用铜的电导率和热导率时的条件。
(1)使用铜粉末的层压成形产品具有足够的密度。例如，通过阿基米德法得到的测量密度为98.5％以上。
(2)使用铜粉末的层压成形产品具有与铜产品一样足够的电导率。例如，电导率为20％IACS以上。
(层压成形产品的特性的测量)
对通过使用本示例实施方案的铜粉末制造的层压成形产品测量以下特性。
(1)通过使用涡流型电导率仪来测量层压成形产品的电导率(％IACS)。
(2)基于空隙面积除以横截面SEM图像的面积的比率来测量层压成形产品的密度(％)。
(3)通过使用SEM(扫描电子显微镜)来获取所制造的层压成形产品的表面的图像。
(测量结果的评价)
作为通过层压成形装置、通过使用根据本示例实施方案的其中加入了锡元素的铜粉末制造的层压成形产品，制造了满足上述条件(1)密度为98.5％以上的层压成形产品。此外，制造了满足(2)电导率为20％IACS以上的层压成形产品。
(优选的用于层压成形的铜粉末的组成)
通过将锡元素加入至纯铜中，本示例实施方案提供了满足用于层压成形的铜粉末的前述条件的铜粉末，并且使得通过用层压成形装置进行层压成形而制造的层压成形产品具有上述足够的密度和与铜产品一样足够的电导率。
本示例实施方案的铜粉末理想地为通过将0.5重量％以上的锡元素加入至纯铜中而形成的铜粉末，并且更理想地为通过将5.0重量％以上的锡元素加入至纯铜中而形成的铜粉末。
此外，当利用铜的电传导和热传导时，本示例实施方案的铜粉末理想地为通过将6.0重量％以下的锡元素加入至纯铜中而形成的铜粉末。
此外，本示例实施方案的铜粉末理想地为其中不加入除锡元素外的元素的铜粉末。
<<本示例实施方案的效果>>
根据本示例实施方案，可以提供其中加入了锡元素的铜粉末，并且得到高密度层压成形产品。此外，可以得到具有高电导率的层压成形产品。
也就是说，当通过激光衍射法测量时，铜粉末的粒子的50％粒度为3至200μm。因此，粉末床的表面不粗糙，并且足够的流动性有利于挤压。此外，因为铜粉末的表观密度为3.0以上，所以粉末床的粉末填充比足够，因此可以形成合适的粉末床。此外，铜粉末的流动性为60秒/50g以下。这使得能够顺利地从送料斗供给粉末，并且形成合适的粉末床。
此外，因为通过依靠加入锡元素降低电导率而减少了层压成形所需的热能，所以得到了高密度层压成形产品。也就是说，可以通过使用铜粉末制造层压成形产品，由此当基于空隙面积除以横截面SEM图像的面积的比率测量时，所制造的产品的密度为98.5％以上，所述层压成形产品在根据可以由激光功率、扫描速度、扫描间距和粉末床的层压厚度计算的能量密度设定的条件下层压成形。此外，通过使用具有满足20％IACS以上的电导率的铜粉末来制造层压成形产品。注意，根据维德曼-弗兰兹定律(Wiedemann-Frantz law)热导率与电导率相对应，因此这同样适用于通过使用满足所需热导率的铜粉末制造的层压成形产品。
实施例
以下将说明根据本示例实施方案的实施例1至5和比较例1。
<<用于层压成形的铜粉末的制造>>
通过使用气体如氦气、氩气和氮气作为气体雾化法的气体雾化，通过依靠调节每种气体的压力和流量控制粉末化来产生其中加入了锡元素的铜粉末。
通过将在加入后的纯铜中的锡元素的含量改变为9.9(实施例1)、5.1(实施例2)、3.0(实施例3)、1.0(实施例4)、0.5(实施例5)和0.2(比较例1)来制造铜粉末。
<<用于层压成形的铜粉末的特性的测量>>
通过使用SEM(扫描电子显微镜)(SEM×500)来获取所制造的铜粉末的图像。图2A至2E示出了实施例1至5的铜粉末的SEM图像。图3示出了比较例1的铜粉末的SEM图像。
通过使用IPC原子发射光谱法来测量其中加入了锡元素的铜粉末中的锡元素的含量。此外，根据JIS Z 2504测量其中加入了锡元素的铜粉末的表观密度(g/cm3)。此外，根据JIS Z 2502测量其中加入了锡元素的铜粉末的流动性(秒/50g)。此外，通过激光衍射法(MICROTRACK MT3300：由MicrotackBELL制造)来测量50％粒度(μm)。表1示出了实施例1至5和比较例1的所制造的铜粉末的特性。
[表1]所制造的铜粉末的特性
Figure BDA0002367861110000081
根据表1，根据本示例实施方案的其中加入了锡元素的铜粉末为满足作为其中可以通过层压成形装置进行层压成形的前述条件的所有以下条件的粉末：(1)铜粉末粒子的50％粒度，(2)铜粉末的表观密度，和(3)铜粉末的流动性。
<<层压成形产品的制造>>
通过3D层压成形机(粉末烧结层压成形/SLM法)、通过使用实施例1至5和比较例1的铜粉末来制造层压成形产品。
通过改变能量密度(J/mm3)、通过使用实施例1至5和比较例1的铜粉末来制造层压成形产品。表2示出了能量密度(J/mm3)。
[表2]层压成形产品的能量密度
能量密度(J/mm<sup>3</sup>) 400.0 200.0 166.7 83.3
激光输出(W) 800 600 500 500
激光扫描速度(mm/秒) 800 400 400 800
激光扫描间距(mm) 0.050 0.150 0.150 0.150
粉末床的厚度(mm) 0.050 0.050 0.050 0.050
作为特性测量用层压成形产品样品，制造各自具有10mm(宽度)×7mm(深度)×5mm(高度)的长方体(parallepiped)层压成形产品。
通过使用SEM(扫描电子显微镜)(SEM×100)获取所制造的层压成形产品的表面的图像。图4A至4E示出了实施例1至5的层压成形产品的SEM图像。图5示出了比较例1的层压成形产品的SEM图像。注意，实施例1至3以及比较例1是通过在200J/mm3下进行层压成形而得到的层压成形产品的SEM图像，并且实施例4(图4D)和实施例5(图4E)是通过在400J/mm3下进行层压成形而得到的层压成形产品的SEM图像，由此层压成形产品的密度等于或高于目标(98.5％)。
此外，通过使用涡流型电导率仪(高性能涡流型电导率仪Sigma Checker：由NIHONMATECH制造)来测量层压成形产品的电导率(％IACS)。此外，基于空隙面积除以横截面SEM图像的面积的值来测量层压成形产品的密度(％)。表3示出了实施例1至5和比较例1的所制造的层压成形产品的特性。使用具有98.5％以上的密度的层压成形产品测量层压成形产品的电导率(％IACS)。
[表3]使用铜粉末的层压成形产品的特性
Figure BDA0002367861110000091
图6是示出使用根据本发明的实施例1至5和比较例1的铜粉末的层压成形产品的电导率的图。注意，对于实施例1至5来说，示出了具有98.5％以上的密度的层压和成形产品的测量结果。
如在表3以及图4A至4E和6中所示，制造了满足作为上述条件的(1)密度为98.5％以上的层压成形产品，作为通过层压成形装置、通过使用根据本示例实施方案的其中加入了锡元素的铜粉末制造的层压成形产品。此外，制造了满足(2)电导率为20％IACS以上的层压成形产品。
也就是说，如果锡元素的含量为0.2重量％以下，则不能在400.0J/mm2以下的任何能量密度下制造具有98.5％以上的密度的层压成形产品。然而，当锡元素的含量为0.5重量％以上时，可以通过调节能量密度来制造层压成形产品。此外，如果锡元素的含量小于5.0重量％，则不能在400.0J/mm2以下的任何能量密度下制造具有99.0％以上的密度的层压成形产品。然而，当锡元素的含量为5.0重量％以上时，可以通过调节能量密度来制造层压成形产品。
此外，如果锡元素的含量超过6.0重量％，则不能制造具有20.0％IACS以上的电导率的层压成形产品。然而，当锡元素的含量为6.0重量％以下时，可以通过调节能量密度来制造层压成形产品。

Claims (14)

1.一种用于层压成形的铜粉末，其中将锡元素加入至纯铜中。
2.根据权利要求1所述的铜粉末，其中所述锡元素的量等于或大于0.5重量％。
3.根据权利要求2所述的铜粉末，其中所述锡元素的量等于或大于5.0重量％。
4.根据权利要求2或3所述的铜粉末，其中所述锡元素的量等于或小于6.0重量％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的铜粉末，其中不加入除所述锡元素外的元素。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的铜粉末，其中当通过激光衍射法测量时，在所述铜粉末中的粒子的50％粒度为3至200μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的铜粉末，其中当通过JIS Z2504的测量法测量时，在所述铜粉末中的粒子的表观密度等于或大于3.0g/cm3。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的铜粉末，其中当通过JIS Z2502的测量法测量时，在所述铜粉末中的粒子的流动性等于或大于60秒/50g。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的铜粉末，其中通过气体雾化法将所述锡元素加入至所述纯铜中。
10.一种含有铜作为主要组分的产品，所述产品是通过层压成形装置、使用根据权利要求1至9中任一项所述的用于层压成形的铜粉末层压成形的。
11.根据权利要求10所述的产品，其中所述产品的密度等于或大于98.5％。
12.根据权利要求11所述的产品，其中所述密度等于或大于99.0％。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的产品，其中所述产品的电导率等于或大于20.0％IACS。
14.根据权利要求13所述的产品，其中所述产品的热导率与等于或大于20.0％IACS的所述电导率相对应。
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