DE4434393A1 - Verfahren zum Herstellen eines dispersoidhaltigen Kupferpulvers und derartiges Kupferpulver - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines dispersoidhaltigen Kupferpulvers und derartiges KupferpulverInfo
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- C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
- C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
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- C22C1/10—Alloys containing non-metals
- C22C1/1026—Alloys containing non-metals starting from a solution or a suspension of (a) compound(s) of at least one of the alloy constituents
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines
Kupferpulvers, welches als Dispersoid mindestens eine im
Kupfer nicht lösliche Substanz enthält sowie ein Kupfer
pulver dieser Art.
Aus DE-A-31 30 920 (hierzu korrespondiert GB-A-20 83 500)
ist ein Verfahren zur Herstellung von Kupferpulver be
kannt, wobei die Kupferkörner einen Überzug aus Al₂O₃
aufweisen. Es wird hierbei für einen möglichst geschlos
senen Aluminiumoxid-Überzug auf Kupfer-Metallteilchen
gesorgt, wobei aber das Innere der Kupfer-Metallteilchen
frei von Aluminiumoxid bleibt. Um homogene Eigenschaften
der aus dem Kupferpulver hergestellten Teile und Geräte
zu erreichen, arbeitet man bei der Herstellung mit sehr
geringer Partikelgröße der Kupfer-Metallteilchen unter
halb von 50 µm und sorgt dafür, daß der Aluminiumoxid-
Überzug auf den Partikeln geschlossen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein den
Dispersoiden enthaltendes Kupferpulver auf einfache Weise
herzustellen. Gleichzeitig sollen die Kupferpulverkörner
den Dispersoiden im Inneren möglichst homogen verteilt
enthalten. Dieses Ziel wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren erreicht, wobei man in einer Rührzone Kupfer
metallgranulat im Überschuß mit einem Ammoniumsalz
und/oder Ammoniumhydroxid zusammen mit einer zudosierten
Salzlösung in wäßriger Lösung unter Zugabe von sauer
stoffhaltigem Gas bei einem pH-Wert von mindestens 4
verrührt und einen kupferhaltigen Niederschlag erzeugt,
daß man den Niederschlag vom Kupfermetallgranulat ab
trennt und bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 500°C
in reduzierender Atmosphäre bis
zur vollständigen Umwandlung von Cu(OH)₂ und Cu-Oxid in
metallisches Kupferpulver behandelt und das den
Dispersoiden enthaltende Kupferpulver kühlt. Die zudo
sierte Salzlösung wird so gewählt, daß sie in der Rühr
zone einen Niederschlag bildet, der zusammen mit dem
kupferhaltigen Niederschlag ausfällt. Der durch die
Salzlösung erzeugte Niederschlag wird hier auch als
Dispersoid-Vorläuferverbindung bezeichnet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können die Bedingungen
zum Erzeugen des kupferhaltigen Niederschlags mehr oder
weniger so gewählt werden, wie es im EP-Patent 0 235 841
und in dem dazu korrespondierenden US-Patent 4 944 935
beschrieben ist. Die Temperatur in der Rührzone wird üb
licherweise im Bereich von 5 bis 70°C liegen.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte
Kupferpulver enthält im Inneren der Kupferpulverkörner
den Dispersoiden in weitgehend homogen verteilter Form,
was durch die gemeinsame Fällung von Kupferverbindungen,
z. B. Kupferhydroxid, mit der Dispersoid-
Vorläuferverbindung gewährleistet ist. Das Verbindungs
gemisch wird anschließend thermisch behandelt und redu
ziert. Zumeist beträgt der Dispersoidgehalt des Kupfer
pulvers etwa 0,1 bis 5 Gew.-%.
Als Dispersoid kommen verschiedene Substanzen, insbeson
dere Oxide, in Frage, von besonderer Bedeutung sind Al₂O₃,
B₂O₃, SiO₂ oder TiO₂. Hierbei erfolgt die Kupferlaugung
in der Rührzone unter Zudosieren z. B. einer Al-, B-, Si-
oder Ti-Salzlösung und zusammen mit dem kupferhaltigen
Niederschlag fällt die Dispersoid-Vorläuferverbindung
aus. Dadurch ist die spätere homogene Verteilung des
Dispersoiden im Inneren der Kupferpulverkörner gewähr
leistet. Die weiteren Erläuterungen zum erfindungsgemäßen
Verfahren gehen davon aus, daß als Dispersoid
Al₂O₃-Partikel im Kupferpulver eingelagert werden sollen,
doch gelten sie analog auch für die anderen Dispersoide.
Wo sich unterschiedliche Verfahrensweisen empfehlen, wird
dies im Folgenden ausdrücklich erläutert.
Der Rührzone gibt man Kupfermetallgranulat z. B. in Form
von Kupferspänen oder Kabelschrott auf, wobei die Rühr
zone oder der Rührbehälter eine wäßrige Lösung, z. B. aus
NH₄OH und NH₄Cl oder einem anderen Ammoniumsalz, enthält.
Man gibt ferner eine Aluminium-Salzlösung, z. B. Al-
Formiat oder AlCl₃ zu, rührt intensiv und leitet zusätz
lich Luft oder technisch reinen Sauerstoff in die Lösung
ein. Man hält den pH-Wert in der Rührzone weitgehend
konstant auf mindestens 4 und vorzugsweise mindestens 9.
Vorzugsweise wird der pH-Wert, der laufend kontrolliert
wird, durch Zudosieren von NH₄OH weitgehend konstant ge
halten. Wenn sich der pH-Wert während der Umsetzung zu
sehr verändert, führt dies schließlich zu Veränderungen
in der Dispersoid-Konzentration im Kupferpulver.
In der Rührzone geht ein Teil des metallischen Kupfers in
Lösung und fällt nach Überschreiten der Löslichkeits
grenze aus, wobei sich Oxisalz, Hydroxid und Oxide bil
den, gleichzeitig fällt Al(OH)₃ aus. Nach einer gewissen
Zeit nach Verfahrensbeginn wird ein stationärer Zustand
erreicht, bei dem sich die Konzentration von Kupfer und
Aluminium im Niederschlag nicht mehr verändert. Die Lös
lichkeitsgrenze für das Kupfer ist vom pH-Wert abhängig.
Es hat sich gezeigt, daß die Aluminiumhydroxid-Fällung
bevorzugt an den bereits im Überschuß in der Lösung be
findlichen Kupferoxid- oder Kupferhydroxid-Partikeln
stattfindet, so daß sich die Niederschläge innig vermen
gen.
Die Aluminium-Salzlösung (z. B. Al-Formiat HCO₂Al) gibt
man vorzugsweise kontinuierlich der Suspension der Rühr
zone zu, wobei der pH-Wert in der Rührzone konstant ge
halten wird. Die Geschwindigkeit der Zugabe der Al-Lösung
wird in Abhängigkeit von der angestrebten Endkonzentra
tion des Dispersoiden im Kupferpulver festgelegt. Beson
ders vorteilhaft ist es, den pH-Wert während der Umset
zung konstant im Bereich zwischen 9 und 12 und vorzugs
weise bei mindestens 10 zu halten. Höhere pH-Werte sind
möglich, aber wenig günstig, da hierfür sehr große
Ammoniumhydroxid-Mengen erforderlich sind.
Nach einer Umsetzungszeit von üblicherweise mehreren
Stunden in der Rührzone wird die Umsetzung beendet, wäh
renddem in der Rührzone noch Kupfermetallgranulat vor
handen ist. Mit Hilfe eines Siebes trennt man aus der aus
der Rührzone ablaufenden Suspension zunächst das Kupfer
metallgranulat ab, der verbleibende Kupfer- und
Aluminiumhydroxid enthaltende Niederschlag wird abfil
triert, gewaschen und getrocknet. Zum Waschen des Nie
derschlags verwendet man Wasser. Die Trocknung wird
schonend bei Temperaturen zunächst von 30 bis 80°C und
anschließend bei höheren Temperaturen bis 250°C vorge
nommen, wobei bereits eine teilweise oder vollständige
Umsetzung des Cu(OH)₂ zu CuO erfolgt. Um aus dem ge
trockneten Niederschlag das Kupferpulver zu erzeugen,
wird der Niederschlag bei Temperaturen im Bereich von 150
bis 500°C im Reduktionsofen mittels eines reduzierend
wirkenden Gases (z. B. H₂) reduziert.
Das pulverförmige Reduktionsprodukt besteht aus metal
lischem Kupfer mit eingelagerten Al₂O₃-Partikeln, es ist
sehr feinkörnig und oxidiert bei Kontakt mit Luftsauer
stoff leicht. Deshalb empfiehlt sich die
Abkühlung des Produkts nach der Reduktion unter einem
reduzierend wirkenden oder inerten Schutzgas, z. B.
Stickstoff.
Das pulverförmige Reduktionsprodukt ist bereits
gebrauchsfertiges Kupferpulver, auch wenn nicht auszu
schließen ist, daß an der Oberfläche der Kupferkörner
eine gewisse Menge an Aluminiumoxid haften kann. In einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das
pulverförmige Reduktionsprodukt nachbehandelt, um das
anhaftende Aluminiumoxid von der Oberfläche der Kupfer
körner zu entfernen. Zu diesem Zweck bringt man das Re
duktionsprodukt in eine verdünnte saure oder alkalische
Lösung aus Wasser und z. B. NaOH oder HCl ein. Dabei emp
fiehlt sich z. B. ein Säure- oder Alkali-Gehalt von
2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des pulverförmigen Re
duktionsprodukts. Zweckmäßig ist ein Feststoffgehalt der
gebildeten Suspension von 10 bis 50 Gew.-%, man hält die
Temperatur der Suspension im Bereich von 40 bis 80°C un
ter leichtem Rühren. Anschließend wird das Produkt mit
Wasser gewaschen, bis das Waschwasser farblos ist. Das
Kupferpulver sollte dann bei etwa 30 bis 60°C unter Va
kuum getrocknet werden.
Falls es sich zeigt, daß das Kupferpulver aufgrund der
vorausgegangenen Behandlung anoxidiert ist, empfiehlt
sich eine Nachreduktion. Diese Nachreduktion erfolgt in
reduzierender Atmosphäre bei Temperaturen im Bereich von
150 bis 650°C, wobei das gewünschte Kupferpulver-Produkt
entsteht. Ein kurzzeitiges Aufheizen des Kupferpulvers
auf Temperaturen von 500 bis 650°C unter Inertgas führt
zur Agglomeration und Kornvergrößerung des Pulvers. Da
durch wird das Pulver weniger oxidationsempfindlich und
ist einfacher zu verpressen. Nach Absieben größerer
Agglomerate aus dem Pulver steht es für die weitere Ver
wendung bereit, wobei es unter Inertgas gelagert werden
muß.
Im Labor werden einem Rührbehälter 5,5 1 Wasser, 55 g
NH₄NO₃ und 83 ml NH₄OH (Dichte 0,91 g/l) und 1000 g Kup
ferspäne aufgegeben. Unter Einleiten von Sauerstoff in
einer Menge von 150 l pro Stunde wird während 5,5 Stunden
intensiv gerührt, während dieser Zeit werden kontinuier
lich 500 ml einer Aluminiumformiatlösung zudosiert, diese
Lösung enthält 25 g Al pro Liter. Der pH-Wert wird lau
fend überwacht und durch Zugabe von NH₄OH konstant auf
10,5 gehalten.
Nach Abtrennung nicht gelöster Kupferspäne mittels eines
Siebes wird der hydroxidhaltige Niederschlag abfiltriert,
mit Wasser gewaschen und getrocknet (18 Stunden bei 50°C
und 2 Stunden bei 220°C). Zur Erzeugung des
pulverförmigen Reduktionsprodukts wird der Niederschlag
bei 250°C während 5 Stunden unter einem zu 40 Vol.-% aus
H₂ und 60 Vol.-% aus N₂ bestehenden Gasgemisch reduziert,
das so gebildete Reduktionsprodukt ist praktisch frei von
Kupferoxid.
Zum Entfernen von oberflächlich anhaftendem Aluminiumoxid
erfolgt eine Nachbehandlung des Reduktionsprodukts,
welches 2 Stunden lang bei 80°C in 3 l einer wäßrigen
Lösung gerührt wird, die pro Liter 20 g NaOH enthält.
Anschließend wird mit Wasser gewaschen. Das gewaschene,
Al₂O₃ als Dispersoid enthaltende Kupferpulver wird zum
Nachreduzieren bei einer Temperatur von 550°C für 30 min
unter einem Gasgemisch gehalten, das aus 40 Vol.-% H₂ und
60 Vol.-% N₂ besteht. Eine Kühlung unter N₂-Inertgas
schließt sich an. Das erzeugte Kupferpulver enthält
0,63 Gew.-% Al₂O₃. Ein aus diesem Pulver gepreßter und
anschließend bei 1000°C 2 Stunden lang gesinterter Pro
bestab von 100 mm Länge und mit einem Durchmesser von
6 mm weist eine Zugfestigkeit von 545 N/mm² auf. Ein
gleicher Stab aus reinem Kupferpulver hat eine Zugfe
stigkeit von nur 250 N/mm².
Einem Rührbehälter, der 5 kg Kupferspäne enthält, werden
50 l Wasser, 150 g NH₄Cl und 750 ml NH₄OH (Dichte
0,91 g/l) zugesetzt. Unter Einleiten von technisch reinem
Sauerstoff in einer Menge von 500 l pro Stunde wird 7
Stunden lang intensiv gerührt, wobei sich die Kupferspäne
teilweise lösen. Dabei dosiert man kontinuierlich 1200 ml
Aluminiumformiatlösung (Aluminiumgehalt 25 g/l) zu und
hält den pH-Wert durch Zugabe von NH₄OH konstant auf 11.
Nach Abtrennung nicht gelöster Kupferspäne mittels eines
Siebes wird der hydroxidreiche Niederschlag abfiltriert,
mit Wasser gewaschen und zum Trocknen während 17 Stunden
bei 150°C gehalten.
Zum Reduzieren bringt man den Niederschlag während 8
Stunden bei 250°C in eine Gasatmosphäre, die aus
40 Vol.-% H₂ und 60 Vol.-% N₂ besteht. Überschüssiges
Aluminiumoxid wird anschließend durch zweistündiges Rüh
ren bei 80°C in 20 l einer wäßrigen Lösung entfernt, die
pro Liter 20 g NaOH enthält. Eine
Wasserwäsche schließt sich wiederum an. Zum Nachreduzie
ren wird das Al₂O₃ enthaltende Kupferpulver bei 550°C
während einer halben Stunde unter einem 40 Vol.-% H₂ und
60 Vol.-% N₂ enthaltenden Gasgemisch bewegt. Das erzeugte
Kupferpulver enthält 0,36 Gew.-% Al₂O₃. Ein aus diesem
Pulver gepreßter und anschließend gesinterter (950°C, 6
Stunden) Probestab (Durchmesser 6 mm, Länge 100 mm) hat
eine Zugfestigkeit von 503 N/mm².
Claims (9)
1. Verfahren zum Erzeugen eines Kupferpulvers, welches
als Dispersoid mindestens eine im Kupfer nicht lös
liche Substanz enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
man in einer Rührzone Kupfermetallgranulat im Über
schuß mit einem Ammoniumsalz und/oder Ammoniumhydroxid
zusammen mit einer zudosierten Salzlösung in wäßriger
Lösung unter Zugabe von sauerstoffhaltigem Gas bei
einem pH-Wert von mindestens 4 verrührt und einen
kupferhaltigen Niederschlag erzeugt, daß man den Nie
derschlag vom Kupfermetallgranulat abtrennt und bei
Temperaturen im Bereich von 150 bis 500°C in reduzie
render Atmosphäre bis zur vollständigen Umwandlung von
Cu(OH)₂ und Cu-Oxid in metallisches Kupferpulver be
handelt und das den Dispersoiden enthaltende Kupfer
pulver kühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man das Reduktionsprodukt zum Entfernen von ober
flächlich anhaftender überschüssiger Substanz nachbe
handelt, indem man das Reduktionsprodukt in saurer
oder alkalischer Lösung suspendiert, das Reduktions
produkt von der Lösung trennt, wäscht und trocknet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß man in der Rührzone eine Aluminium-,
Bor-, Silizium- oder Titan-Salzlösung zudosiert.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
man das Kupferpulver aus der Nachbehandlung zur Nach
reduktion in reduzierender Atmosphäre auf Temperaturen
im Bereich von 150 bis 650°C erhitzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß man in der Rührzone für
einen pH-Wert von mindestens 8 sorgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
man zur Erzeugung eines Al₂O₃ enthaltenden Kupferpul
vers in der Rührzone mit einem pH-Wert im Bereich von
9 bis 12 arbeitet.
7. Kupferpulver, welches im Inneren der Kupferpulverkör
ner einen weitgehend homogen verteilten Dispersoiden
in Form von im Kupfer nicht löslichen Partikeln ent
hält, wobei das Kupferpulver durch gemeinsame Fällung
von mindestens einer Kupferverbindung mit einer
Dispersoid-Vorläuferverbindung und thermische Behand
lung mit Reduktion des Verbindungsgemisches erzeugt
ist.
8. Kupferpulver nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dispersoid aus Al₂O₃, TiO₂, SiO₂ oder B₂O₃
besteht.
9. Kupferpulver nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Dispersoidgehalt des Kupferpulvers
etwa 0,1 bis 5 Gew.-% beträgt.
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8181 | Inventor (new situation) |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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