DE1801829B2

DE1801829B2 - Verfahren zum herstellen von hochleitfaehigen und gutfliess faehigen metallteilchen in kugelform

Info

Publication number: DE1801829B2
Application number: DE19681801829
Authority: DE
Inventors: Walter V. Wyckoff N.J. Knopp (V.StA.)
Original assignee: OHn Mathieson Chemical Corp., New Haven, Conn. (V.St.A.)
Priority date: 1968-05-14
Filing date: 1968-10-08
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1176275A; FR96445E; DE1801829A1; US3652259A

Description

1 801 329

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen licht, mit geringen Kosten und im industriellen Maß-

von hoch leitfähigen und gut fließfähigen Metallteil- stab eine hohe Ausbeute an wirklich kugelförmigen chen in Kugelform aus Kupfer, Aluminium oder Teilchen zu erzielen, die überdies eine vorbestimmte

deren Legierungen mit einer Teilchengröße von min- Größe haben,

destens 0,15 mm. 5 Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich dabei auf eine bekannte vorgesehen, daß im ersten Verfahrensschritt mit

Verfahrensweise zum Herstellen von gut fließfähigen einem an sich bekannten Verfahren ein reines oder

Metallgranulaten, bei der bereits in einem ersten mindestens oxydarmes Metallgrai iat mit den unge-

Verfahrensschritt ein Granulat hergestellt und in fähren Abmessungen des Endproduktes hergestellt

einem zweiten Verfahrensschritt zum Endprodukt io wird, daß mit einem Netzmittel, dessen Verdamp-

weiterverarbeitet wird. fungspunkt wesentlich niedriger als der Schmelz-

Diese bekannte Verfahrensweise (»Planseeberichte punkt des Metalls liegt, an das Granulat ein Schutzfür Pulvermetallurgie«, 13 [1965], S. 81 bis 89, ins- pulverüberzug aus Talkum, Kalk und/oder nicht redubesondere S. 88) betrifft jedoch nicht die Herstellung zierbaren Oxiden, wie Aluminiumoxiu, Titandioxid von Metallteilchen in Kugelform, sondern stellt für 15 oder Zirkoniumoxid, haftend gebunden wird und unregelmäßig geformte oder auch zylindrische Teil- daß in einem inerten oder reduzierenden Schutzgas chen die gute Fließfähigkeit in den Vordergrund. im zweiten Verfahrensschritt das überzogene Granu-Betrachtet sind bei der bekannten Verfahrensweise Iat bis zur Verdampfung des Netzmittels und darüber verschiedene Verfahrensschritte, wie Granulation hinaus in an sich bekannter Weise so weit erhitzt durch Granulierzusätze, mechanische Granulation, 20 wird, daß das unter dem Schutzpulverüberzug befindthermische Granulation sowie Kombinationen solcher liehe Granulat unter seiner Oberflächenspannung in Verfahrensschritte. massive Kugelgestalt schmilzt, das erkalten gelassen

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zum Erzeugen und vom Schutzpulverüberzug getrennt wird,

rundlicher oder kugelförmiger Metallteilchen bzw. Es ist bereits bekannt (USA.-Patentschrift

von Metallpulver bekannt. Bei diesen bekannten Ver- 25 3 163 609), schlecht fließfähige Kügelchen von Bor-,

fahren ergeben sich jedoch zahlreiche Nachteile. Thorium- oder Urankarbid dadurcrTherzustellen, daß

So ist es schwierig, Teilchen bzw. Körner einer man diskrete Teilchen aus Bor, Thorium oder Uran

genau vorbestimmten Größe herzustellen. Bei den oder bereits diskrete Karbide dieser Elemente mit

bekannten Verfahren ergibt sich eine breite Streuung amorphem Kohlenstaub, Graphit oder Bornitrid

der Werte der Teilchengröße. 30 (letzteres in dem Fall, daß die Teilchen bereits als

Ferner erweisen sich diese bekannten Verfahren Karbid vorliegen) umhüllt und das überzogene Grahäufig als kostspielig, und in vielen Fällen erhält man nulat so weit erhitzt, daß das unter dem Schutznicht die gewünschten rundlichen oder kugelförmigen pulverüberzug befindliche Granulat unter seiner Ober-Teilchen. Wenn z. B. das Metall nach einem be- flüchenspannung in massive Kugelgestalt schmilzt, kannten Verfahren zerstäubt wird, erhält man häufig 35 das erkalten gelassen und vom Schutzpulverüberzug Teilchen, die hohl sind oder Risse aufweisen oder die getrennt wird. Dieses bekannte Verfahren betrifft jeeine längliche oder tropfenförmige Gestalt haben. doch nicht die Herstellung von hoch leitfähigen

Bei einem typischen bekannten Verfahren zum Metallkügelchen. Außerdem ist bei dem vorzugsweise Herstellen von kornförmigen Teilchen strömt das in Betracht gezogenen Überziehen der Teilchen mit geschmolzene Metall z. B. in einem dünnen Strom 40 einem kohlenstoffhaltigen Pulver entweder ein durch eine Düse, und dieser Strom wird dann mit Gleichgewicht zwischen dem Kohlenstoffanteil des Hilfe von Strahlen hoher Geschwindigkeit aus Luft, Übe'zugs und dem KohlenstofFanteil des Karbid-Dampf, Wasser oder erhitzten Gasen zerstreut. kerns oder aber gar eine Umwandlung des Bors.

Alternativ kann man solche Teilchen bzw. ein Urans oder Thoriums in dessen Karbid ersl durch

Granulat herstellen, indem man geschmolzenes Metall 45 Reaktion mit dem Kohlenstoff des Überzugs in der

auf eine sich drehende Fläche gießt und es dann mit Schmelze vorgesehen,

heißem Wasser abkühlt. Es ist auch bereits bekannt (G ο e t ζ e 1, »Treatise

Bei den vorstehend genannten Verfahren ist es on Powder Metallurgy«. Bd. I. 1949, S. 248 bis 250,

nicht möglich, die gewünschte Größe der kugelför- 254 und 255), Netzmittel zwecks Anlagerung oder

migen Teilchen innerhalb enger Grenzen genau ein- 50 andersartiger Teilchen an Pulver zu verwenden,

zuhalten. In vielen Fällen ergibt sich nur eine geringe Es ist jedoch nicht vnrbekannt. zur Erzeugung

Ausbeute an runden Teilchen, und der Anteil von hoch leitfähiger und gut fließfähiger kugelförmiger

Teilchen der gewünschten Größe ist unterschiedlich. Metallteilchen das zur Herstellung von bestimmten

Außerdem sind die erhaltenen Granulate schlecht Karbiden bekannte Verfahren so abzuwandeln, daß

fließfähig, weil unrund und gratig. SS ein Netzmittel zwischen einem Metallgranulat und

Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren wird einem Schutzpulvertiberzug durch den .Schutzpulver-Draht mit einem bestimmten Durchmesser in kleine Überzug beim Erhitzen des überzogenen Granulats Stücke zerschnitten. Diese Stücke oder Teilchen wer- wieder ausgetrieben wird. Die vorzugsweise bei dem den dann in einer Scheibenmühle teilweise abge- bekannten Verfahren verwandten kohlenstoffhaltigen rundet. Zwar besteht bei diesem Verfahren Gewähr 60 Überzüge scheiden außerdem bei dem erflndungs· dafür, daß die gewünschte Teilchengröße genau ein- gemäßen Verfahren wegen der Gefahr einer Aufgehalten wird, doch sind die Teilchen nicht genau kohlung der Metallteilchen aus. kugelförmig, und die Herstellung des gewünschten Welches bekannte Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses ist kostspielig, reinen oder mindestens oxydarmen Metallgranulats

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe 65 mit den ungefähren Abmessungen des Endprodukts

zugrunde, ein Verfahren ium Herstellen von hoch als erster Verfahrensschritt bei dem Verfahren nach

leitfähigen und gut fließfähigen Metallteilchen der der Erfindung gewählt wird, ist an sich freigestellt,

eingangs genannten Art zu schaffen, das es eftnög- Vorgezogen wird jedoch die Anwendung des erfin-

^ 3 4

llungsgemäßen Verfahrens entweder auf ein Granulat, Nachdem die Metallteilcheri mit dem Trennmittel «Jas durch Zerkleinern eines Sinterkuchens hergestellt überzogen worden sind, werden sie in einer Schulzjst, oder auf ein Granulat, das durch Zerstäuben atmosphäre erhitzt, so daß dichte und kugelförmige finer Schmelze hergestellt ist. Beide Granulatarten, Metallteilchen entstehen. Es wird vorgezogen, die «lie somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im 5 beschichteten Teilchen in zwei Stufen zu erhitzen; Zweiten Verfahrensschritt weiterverarbeitet werden, bei der eisten Stufe werden sie auf eine Temperatur haben, wie bereits eingangs erläutert, sonst nicht die oberhalb der Verflüchtigungstemperatur des Netzgute Kugelgestalt und auch nicht die angestrebte mittels erhitzt, bei der zweiten Stufe auf eine Tem-Fließfähigkeit, wie die nach der Erfindung herge- peratur oberhalb ihres Schmelzpunktes, so daß die stellten kugelförmigen Metallteilchen. io völlig dichten kugelförmigen Teilchen entstehen.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Die Schutzatmosphäre kann neutral oder redu-Verfahren es ohne weiteres ermöglicht, eine hohe zierend sein. Man kann ein mageres Gar, oder ein Ausbeute an abgerundeten oder kugelförmigen Teil- stark reduzierendes Gas verwenden. Als Beispiele cheu einer vorbestimmten Größe zu erzielen. Das für brauchbare Gase seien Wasserstoff genannt, fer-Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich ferner 15 ner Kohlenmonoxid, dissoziiertes Ammoniak, Stickdadurch aus, daß es relativ einfach ist und sich mit stoff, Argon, Helium usw. Alternativ kann ein Vakugeringen Kosten durchführen läßt. Ferner sind die um oder ein Teilvakuum als Schutzatmosphäre vergemäß der Erfindung hergestellten Teilchen massiv wendet werden.

und rundlich, es wird ein hoher Anteil an Teilchen Nach der Erhitzung stehen zahlreiche vonein-

der gewünschten Größe erzielt, und die Teilchen sind 20 ander getrennte, kugelförmige, dichte Metallteilchen

gewöhnlich nicht hohl und weisen im allgemeinen zur Verfügung; ihre Größe liegt vorherrschend in dem

auch keine Risse auf. Bereich, der dem Größenbereich des Ausgangs-

Soweit die angestrebte hohe Leitfähigkeit der kuge- materials entspricht, oder ist etwas kleiner. Wegen ligen Teilchen nicht wesentlich betroffen ist, können der gemäß der Erfindung erzielbaren hohen Ausbeute die kugeligen Teilchen gegebenenfalls auch metal- 7.5 ist es gewöhnlich nicht erforderlich, Teilchen, die lische Zusatzstoffe enthalten, d'e keine Legierung nicht die gewünschte Größe haben, einer erneuten eingeher sowie nichtmetallische Zusatzstoffe. Weiter- Behandlung zu unterziehen; gegebenenfalls kann man hin haben die gemäß der Erfindung hergestellten jedoch Teilchen ohne die gewünschte Größe einer Teilchen einen sehr niedrigen Sauerstoffgehalt, da erneuten Behandlung nach der Erfindung unterste in einer Schutzaunosphäre geschmolzen werden. 30 ziehen; in diesem Fall wird jeweils eine der im fol-Aus diesem Grunde kann man z. B. ein auf diese genden beschriebenen Abwandlungen des Verfall-Weise erzeugtes Kupfergranulat als Kupfer von hoher rens nach der Erfindung angewendet.
Leitfähigkeit betrachten. Nach dem Erhitzen werden die Teilchen abge-

Man kann jeweils reines Kupfer oder Aluminium kühlt, und das Trennmittel wird beseitigt. Häufig ist

oder deren Legierungen verwenden. Ferner ist die 35 es nur erforderlich, dit Teilchen durchzusieben, um

Verwendung von Gemischen dieser Metalle oder aus das Trennmittel zu entfernen. Gegebenenfalls kann

deren reduktionsfähigen Metalloxiden möglich. man das Erzeugnis waschen und es einer Ätzbehand-

Zwecks Erzielung hoch leitfähiger Kügeichen ver- lung unterziehen.

wendet man Kupfer oder Legierungen auf Kupfer- Wie schon erwähnt, sieht die Erfindung verschic-

basis oder Aluminium und Aluminiumlegierungen. 40 dene Möglichkeiten zum Bereitstellen des Ausgangs-

Die zuvor mit einem bekannten Verfahren gewon- materials vor.

nencn Metallteilchen werden mit einem geeigneten Gegebenenfalls kann man entweder ein feinkör-Mittel überzogen, durch das die Teilchen getrennt niges Metallpulver oder ein grobkörniges Metallbleiben. Hierzu eignen sich Talkum, Kalk. Alumi- pulver sintern, so daß man einen »Kuchen« erhält, niumoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid, nicht redu- 45 Das Sintern kann ferner zweckmäßig dazu dienen, zierbare Oxide sowie Gemische aus den genannten den Sauerstoffgehalt des Metallpulvers zu verringern. Stoffen. Beispielsweise kann man entweder Kupferoxid oder

Es wird vorgezogen, die Metallteilchen mit einem ein feinkörniges Kupferpulver in einem Ofen erhitzen, Netzmittel zu überziehen, bevor das Trennmittel auf- um den Sauerstoffgehalt herabzusetzen, und die Teilgebracht wird, um zu gewährleisten, daß das Trenn- 5° chen so zu sintern, daß man gröbere Teilchen oder mittel an den Außenflächen der Mctalltcilchen haftet. einen Kuchen erhält, und daß sich die Dichte c'es Als Netzmittel kann man jedes Material verwenden, Materials erhöht.

das leicht an den Außenflächen der Metalltcilchen Der gesinterte Kuchen kann dann auf mechanihaftet und an dem das Trennmittel leicht haften- schem Wege zerkleinert werden, so daß man eine bleibt. Ferner soll sich das Netzmittel oberhalb einer 55 Teilchengröße von über 0,15 mm erhält.
Temperatur von etwa 65° C verflüchtigen, und es Alternativ wird ein Strom eines geschmolzenen soll sich bei einer Temperatur verflüchtigen, die um Metalls zerstäubt. Beispielsweise kann man einen mindestens 110 grd niedriger ist als der Schmelz- Strom aus geschmolzenem Kupfer mit einem Wasserpunkt des Metalls. Dem jeweils verwendeten Netz- oder Luftstrahl zerstäuben. Danach enthalten dij entmittel kommt keine besonders kritische Bedeutung 60 stehenden Teilchen etwas Sauerstoff. Wenn das Matezu. Man kann 2. B. ohne weiteres mit dem Aus- rial in einer Wasserstoff-Atmosphäre erhitzt wird, gangsmaterial verträgliche Hartlotflußmittel verwen- entstehen in den Metallteilchen Risse, die auf den den, z. B, Wachse, Polyhthylenglykol, Metallstearate, Druck des entstehenden Wasserdampfes zurückzu-Stearinsäure, organische Bindemittel, Harze usw. führen sind; mit anderen Worten, es tritt eine Ver-Oewöhnlich richtet sich die Wahl des Netzmitteh 65 sprödung durch den Wasserstoff ein. Wollte man vernach der Art der Metallteilcheri. Das Netzmittel so!l suchen, diese Teilchen hart zu löten, so würde sich sich innerhalb des vorstehend angegebenen Tempera- dieser Versuch als erfolglos erweisen, da das Hartlötturbefeichs verflüchtigen. material in die Risse hineinfließt. Gemäß der Erfin-

Claims

dung ist es jedoch möglich, diesen Fehler der kugelförmigen Teilchen dadurch zu beseitigen, daß man die Teilchen gemäß dem Verfahren nach der Erfindung behandelt. Die so behandelten Teilchen zeigen keine Risse, und sie enthalten im wesentlichen keinen Sauerstoff. Daher verbleibt das Hartlötmaterial während des Hartlötens auf der Oberfläche der Teilchen. Die Erfindung wird im folgenden näher veranschaulicht. Beispiel 1 Es wurden 2000 g Kupferpulver mit einer Teilchengröße unter 0,15 mm Sie.bmaß bereitgestellt. Dieses Kupferpuiver wurde in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 760° C gebracht, um es zu »intern, einen Kuchen zu erzeugen und den Sauerstoffgehalt zu verringern. Der gesinterte Kuchen wurde zerkleinert, bis man ein grobkörniges, im wesentlichen sauerstofifreies Kupferpulver mit einer Teilchengröße über 0,15 mm SL-bmaß erhielt. Der Anteil, der einen Teilchendurchmesser im Bereich von 177 bis 300 um aufwies, wurde durch Sieben abgetrennt; die Menge entsprach annähernd 75 % der Gesamtmenge. Dieser Anteil wurde mit Polyäthylenglycol befeuchtet und mit Talkum überzogen. Die beschichteten Teilchen wurden etwa 15 Minuten lang in dissoziiertem Ammoniak auf etwa 425° C erhitzt, um das Polyäthylenglycol zu verflüchtigen. Hierauf wurden sie 15 Minuten lang auf etwa 1150° C erhitzt, so daß gleichmäßig dichte und kugelförmige Teilchen entstanden. Etwa 75 % der kugelförmigen Teilchen lagen in dem gewünschten Teilchengrößenbereich von 177 bis 300 μπι. Die Teilchengrößenverteilung ist aus der folgenden Tabelle 1 ersichtlich. Tabelle 1 Teilchengröße (Durchmesser in um)Ausbeute in Prozent> 420 420 bis 300 4,7 13,0300 bis 250 63,125Ubis 177 13,3177 bis 149 5,9< 149 Teilchengröße (Durchmesser in μηΊ) >420. 420 bis 300. 300 bis 250. 250 bis 177. 177 bis 149. < 149. Ausbeute lh Prozent 2,4 39,2 31,0 27,0 0,2 0,2 Beispiel 3 Das Ausgangsmaterial wurde dadurch erhalten, daß man einen Luftstrahl auf einen Strom aus geschmolzenem Kupfer auftreffen ließ. Das Ausgangsmaterial, das in dem Teilchengrößenbereich von 590 bis 177 μηι lag, wurde entsprechend dem Beispiel 1 mit PoIyäthylenglycol benetzt und mit Talkum überzogen und erhitzt. Hierbei erhielt man ein kugelförmiges, vollständig dichtes Granulat. Es ließ sich einwandfrei hartlöten. Im Gegensatz hierzu konnte ein nicht erfindungsgemäß behandeltes Granulat nicht hartgelötet werden, da an der Oberfläche der Teilchen Risse erschienen. Ein Anteil von über 90 0A des Endproduktes lag in dem gewünschten Teilchengrößenbereich. Die Teilchengrößenverteilung geht aus der folgenden Tabelle 3 hervor. Tabelle 3 Teilchengröße (Durchmesser in μπι)Patentansprüche:Ausbeute in Prozent590 bis 420 ...9,2 8,9 34,4420 bis 300...41.2300 bb 250...6,0250 bis 177...0,3177 bis 149 .<149... — 45 B α i s ρ i c 1 2 Die Maßnahmen gemäß dem Beispiel 1 wurden wiederholt, abgesehen davon, daß das gewünschte Endprodukt im Teilchengrößenbereich von 420 bis 250 um lag und daß auch das Ausgangsmaterial in diesem Bereich lag. Die endgültige Ausbeute im Teilchcngrößcnbereich von 420 bis 250 |im betrug etwa 70 ",n. Die Tcilchrngrößenverteilung des Erzeugnisses ist aus der folgenden Tabelle 2 ersichtlich. Das fertige Erzeugnis war kugelförmig, vollständig dicht und frei von Sauerstoff. Tabelle 2 60 «S

1. Verfahren zum Herstellen von hoch leitfähigen und gut fließfähigen Metallteilchen in Kugelform aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen mit einer Teilchengröße von mindestens 0,15 mm, bei dem bereits in einem ersten Verfahrensschritt ein Granulat hergestellt und in einem zweiten Verfahrensschritt zum Endprodukt weiterverarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt mit einem an sich bekannten Verfahren ein reines oder mindestens oxydarmes Metallgranulat mit den ungefähren Abmessungen des Endproduktes hergestellt wird, daß mit einem Wetzmittel, dessen Verdampfungspunkt wesentlich niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls liegt, an das Granulat ein Schutzpulverüberzug aus Talkum, Kalk und/ oder nicht reduzierbaren Cxidcn, wie Aluminiumoxid, Titandioxid oder Zirkoniumoxid, haftend gebunden wird und daß in einem inerten oder reduzierenden Schutzgas im zweiten Verfahrensschritt das überzogene Granulat bis zur Verdampfung des Netzmittels und darüber hinaus in an sich bekannter Weise so weit erhitzt wird, daß das unter dem Schutzpulveriiberzug befindliche Granulat unter seiner Oberflächenspannung in massige Kugelgestalt schmilzt, das erkalten gelassen und vom Schutzpulverüberzug getrennt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Granulat, das durch Zerkleinern eines Sinterkucherfe hergestellt ist.

3. Anwendung ^J . Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Granulat, das durch Zerstäuben einer Schmelze hereestettt ist.