JP3428915B2 - 粉末冶金用混合粉、粉末冶金焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、刷子等の焼結部品
の製造に使用する銅粉を含有する粉末冶金用混合粉、同
混合粉を用いた粉末冶金焼結体及び粉末冶金焼結体の製
造方法に関し、特に防錆性に優れた粉末冶金用混合粉、
粉末冶金焼結体及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】銅粉又はこれに黒鉛等を添加した混合銅
粉は焼結含油軸受等の機械部品や刷子（ブラシ）等に広
く使用されている。例えば電気ブラシにおいては、粉末
冶金で作られた金属黒鉛ブラシがある。金属成分は銅が
主体で、これに低融点金属を焼結性や耐摩耗性を上げる
ために加えられている。また、銅めっきを施した黒鉛粉
末は銅が連続した組織となり、焼結性、導電性、強度に
優れたブラシが得られる。黒鉛を５〜１０％添加した銅
系材料は制動摩擦材料にも使用されている。一般に、こ
れらに使用されている銅粉又は銅を含有する混合銅粉は
このままでは錆びる（酸化する）ので、ベンゾトリアゾ
ールなどの有機防錆剤を施して保存したり出荷してい
る。しかし、これらの有機防錆剤は３００〜４００°Ｃ
以上の温度で分解又は気化するため、上記防錆処理を施
した銅粉又は混合粉を用いて焼結すると、焼結後に防錆
効果がなくなり、その後は上記製造したばかりの銅粉と
同様に、大気に触れて錆びる（酸化する）という問題が
ある。

【０００３】従来、このような銅粉又は銅を含有する混
合銅粉は上記のような焼結前の防錆剤による処理がなさ
れているだけで、それ以外の特別な処理がなされている
訳ではない。例えば、特開平５−１９０２４０号公報に
示すように、電解銅粉と平均粒径１５μｍ以下である極
微細銅粉及び黒鉛を原料とする電刷子の焼結による製造
方法があるが、同公報の中で、電刷子は「耐酸化性が殆
ど害なわれない」と記載され、消極的な防錆効果がある
と述べられているだけであり、その防錆効果の根拠もは
っきりしていない。この場合の焼結体（電刷子）は前記
原料からなる銅材がむき出しになっているので、当然な
がら錆（酸化）の問題は避けられない。電刷子は工場内
や場合によっては屋外に配置される電気機器や機械部品
の一部を構成するものであるから、腐食環境が厳しく錆
の問題は深刻である。

【０００４】粉末冶金技術と全く異なる分野であるが、
銅にＰｂを添加して溶解鋳造し、導電性、耐軟化性（耐
熱性）、耐蝕性を高めたという技術がある（特開昭５９
−６４７３１号公報）。しかし、この技術は上記の通り
溶解法によるもので、Ｐｂを全体に均一合金化して上記
の性質を高めたものであり、粉末冶金焼結体すなわち銅
粉又は銅を含有する混合銅粉の処理や取扱いあるいは焼
結後の焼結体にＰｂがどのような作用や影響を与えるか
については全く不明であった。以上のように、銅粉又は
銅を含有する混合銅粉の錆（酸化）の問題から、これを
用いた焼結体の錆の問題まで一貫して考慮された解決策
というものがなかった。そして従来は、銅粉に有機防錆
剤を塗るなどの手法によりそれぞれ個別に防錆処理が行
なわれていたので、効率が悪くまた防錆効果も十分でな
いという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題に
鑑み、銅粉又は銅を含有する混合銅粉の処理や操作の工
程及び焼結による電気機器や機械部品等の焼結体の製造
工程を基本的に見直し、一貫して有効な防錆効果を保有
させ、上記の焼結によってもなお防錆効果を維持できる
粉末冶金用混合粉、粉末冶金焼結体及びその製造方法を
得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明者らは鋭意研究を行った結果、従来の有機
防錆剤に替えて、銅粉又は銅を含有する混合銅粉である
原料粉と比較的合金を形成し難い低揮発性の金属を混合
若しくは含有又は被覆することにより、安定した防錆効
果と製造条件を維持し、再現性よく銅粉又は銅を含有す
る混合銅粉又は焼結体を得ることができるとの知見を得
た。本発明はこの知見に基づき、 １ 銅粉を含有する粉末冶金用混合粉であって、該混合
粉にＰｂ粉でＰｂが５０ｐｐｍ（ｗｔ）以上、２０００
ｐｐｍ（ｗｔ）以下含有されていることを特徴とする粉
末冶金用混合粉 ２ 銅粉又は銅を含む混合粉の粉末冶金焼結体であっ
て、該焼結体にＰｂが５０ｐｐｍ（ｗｔ）以上、２００
０ｐｐｍ（ｗｔ）以下含有されていることを特徴とする
粉末冶金焼結体 ３ 粉末冶金用焼結体におけるＰｂ含有量が中心部に比
べ表面側が２倍以上高いことを特徴とする粉末冶金焼結
体 ４ 銅粉を含有する粉末冶金用焼結体にＰｂ粉でＰｂを
５０ｐｐｍ（ｗｔ）以上、２０００ｐｐｍ（ｗｔ）以下
混合した原料粉を用いて焼結することを特徴とする粉末
冶金焼結体の製造方法 ５ 粉末冶金焼結体の製造方法において、銅粉を含有す
る粉末冶金用原料粉をＰｂ蒸気圧下で焼結することを特
徴とする粉末冶金焼結体の製造方法、を提供する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の粉末冶金用混合粉は銅粉
を主成分をするものであり、この混合粉には黒鉛などの
原料を添加してもよい。これらの粉末にＰｂ粉でＰｂを
５０ｐｐｍ (ｗｔ) 以上含有させて混合し、粉末冶金用
原料とする。本発明での銅粉とは、Ｃｕを５０ｗｔ％以
上含有する粉末をいう。また、鉛粉はＰｂを１ｗｔ％以
上含有する粉末をいう。Ｐｂが５０ｐｐｍ (ｗｔ) 未満
では防錆効果が少なくなるので下限を５０ｐｐｍ (ｗ
ｔ) とした。Ｐｂが多くなると防錆効果はより向上する
が、多すぎると銅の特性、すなわち導電性や熱伝導性等
の機能や特性が低下し、さらに焼結体が脆化するので好
ましくない。したがって、２０００ｐｐｍ (ｗｔ) 以下
とするのが望ましい。

【０００８】銅粉にＰｂ粉をいれて混合攪拌するとメカ
ニカルアロイングにより、銅粉の表面合金膜が形成さ
れ、この状態でも混合粉の耐蝕性（耐酸化性）は大きく
向上する。このように混合した粉末は上記のように耐蝕
性があるので、ベンゾトリアゾールのような防錆剤で処
理しなくてもよく、取扱い上で錆の問題が生ずることは
ない。但し、上記のような有機防錆剤の使用は妨げるも
のではない、すなわち併用しても問題はない。上記メカ
ニカルアロイング（表面合金化）の程度は混合攪拌の時
間に依存するが、錆防止目的のためにはさほど長時間は
必要としない。

【０００９】次に、以上で得られた銅粉又は銅粉を含有
する粉末冶金用原料粉とＰｂとの混合原料を用いて所定
形状の圧粉体とし、さらに７００〜８００°Ｃ近傍の温
度で焼結する。この焼結体の表面をＸＰＳ分析したとこ
ろ、ＣｕとＰｂの比率で１０％以上存在し、この表面を
数１０Ａ（オングストローム）ほどエッチングすると、
上記ＣｕとＰｂの比率が０．５％以下まで低下した。こ
のことから焼結体の表面が薄いＰｂ層で覆われているこ
とが分かった。これは多孔質である粉末冶金の焼結体の
内部からガス化したＰｂが表面に凝縮したと考えられ
る。防錆効果は内部拡散が特に必要ということではない
ので、このように表面に濃縮することにより、微量のＰ
ｂの存在でより効果的な防錆効果が得られる。Ｐｂ蒸気
圧下で焼結することにより焼結体の表面にＰｂの金属被
膜又はＰｂとの合金化膜を形成することもできる。この
ようにして防錆効果は一段と向上する。この場合はＰｂ
との混合銅粉を使用しなくても、焼結体に防錆効果を付
与できる。以上の通り、本発明の防錆効果は粉末の状態
すなわち混合原料粉の段階から防錆効果があるので、粉
末の保存、移送、処理の工程で特別な防錆処理は必要と
せず、またその混合原料粉をそのまま焼結することによ
り、より防錆効果が向上した焼結体が得られる。このよ
うに、本発明は混合原料粉さらには焼結体の防錆効果の
著しく高めるだけでなく、処理操作を容易とし製造コス
トを下げることができるという大きな特徴を有してい
る。

【００１０】

【実施例および比較例】以下、実施例および比較例に基
づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であ
り、この例によって何ら制限されるものではない。すな
わち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限される
ものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形
を包含するものである。

【００１１】（実施例１）Ｐｂを含まない（１０ｐｐｍ
以下である）銅粉（Ｃｕ９９．５ｗｔ％以上、日鉱グー
ルドフォイル製 ５２−Ｈ）にＰｂ粉（Ｐｂ９９．５ｗ
ｔ％以上、日本アトマイズ製−２００メッシュ品）を５
００ｐｐｍ添加し、これを混合した。次に、この混合原
料粉を潤滑剤を使用しないで成形し１０×６０×８ｍｍ
の圧粉体とした。そして、これを焼結温度７００°Ｃ、
焼結時間１２０ｍｉｎ、アンモニア分解ガス雰囲気中
（Ｎ₂：Ｈ₂＝１：３）で焼結した。このようにして得た
焼結品を恒温恒湿槽内にセットし、温度８０°Ｃ、湿度
８０％雰囲気で２４時間放置し、耐湿酸化試験を実施し
た。この耐湿酸化試験によっても焼結品の表面に変化は
なく、酸化は全く見られなかった。

【００１２】（実施例２）Ｐｂ添加量を３００ｐｐｍ、
１００ｐｐｍ、５０ｐｐｍと変化させたＰｂ添加銅粉を
実施例１と同様にして成形圧粉体とし、さらにこれを焼
結後、該焼結品の耐湿酸化試験を実施した（耐湿酸化試
験条件は実施例１と同じである）。この結果、Ｐｂ添加
量が３００ｐｐｍでは酸化は認められないが、１００ｐ
ｐｍではほんの僅か変色があり、５０ｐｐｍでは少し変
色する。この結果から、５０ｐｐｍまでは添加効果があ
ると考えられる。

【００１３】（比較例１）Ｐｂを全く添加しない銅粉を
実施例１と同様にして成形圧粉体とし、さらにこれらを
焼結した焼結品の耐湿酸化試験を実施した（耐湿酸化試
験条件は実施例１と同じである）。この結果、焼結品の
表面が青緑色に変色した。明らかに耐酸化性に劣る。

【００１４】（比較例２）Ｐｂを全く添加しない銅粉を
超音波洗浄機を用いて純水で１０分間洗浄し、その後水
素中で還元処理（２８０°Ｃ×６０分）して表面の不純
物を出来るだけ除去した銅粉を、実施例１と同様にして
成形圧粉体とし、さらにこれらを焼結した焼結品の耐湿
酸化試験を実施した（耐湿酸化試験条件は実施例１と同
じである）。この結果、焼結品の表面が青緑色に変色し
た。明らかに耐酸化性に劣り、表面の清浄化は殆ど意味
がないことが分かった。

【００１５】（比較例３）Ｐｂ粉を添加する代わりにＳ
ｎ粉、Ｚｎ粉、Ｉｎ粉をそれぞれ単独で５００ｐｐｍに
なるように添加し、実施例１と同様にして成形圧粉体と
し、さらにこれらを焼結した焼結品の耐湿酸化試験を実
施した（耐湿酸化試験条件は実施例１と同じである）。
この結果、焼結品の表面が茶色等に変色した。明らかに
耐酸化性に劣り、Ｓｎ粉、Ｚｎ粉及びＩｎ粉の添加は効
果がないことが分かった。

【００１６】（実施例３）Ｐｂを含まない（１０ｐｐｍ
以下である）銅粉（日鉱グールドフォイル製 ５２−
Ｈ）にＰｂ粉（日本アトマイズ製−２００メッシュ品）
を５００ｐｐｍ添加し、これを混合した。この混合銅粉
を約１５０×１００×２５ｍｍの金属トレーに充填し、
表面をエメリー紙で研磨した長さ約５０ｍｍの純銅線
（２．５ｍｍφ）を３〜４本突き刺す。そして、このま
ま焼結温度７００°Ｃ、焼結時間１２０ｍｉｎ、アンモ
ニア分解ガス雰囲気中（Ｎ₂：Ｈ₂＝１：３）で焼結し
た。このようにして得た焼結品を恒温恒湿槽内にセット
し、温度８０°Ｃ，湿度８０％の雰囲気で２４時間放置
し、耐湿酸化試験を実施した。この結果、焼結体の表面
に酸化膜が見られなかった。このことは実施例１の結果
から当然予測できたが、Ｐｂを含まない純銅線の表面の
酸化も全く認められなかった。この原因を探るため、純
銅線の表面のＸＰＳ表面分析を行なった。その結果、こ
の純銅線の表面から微量のＰｂが検出された。これは前
記金属トレーに充填した混合銅粉中のＰｂ粉からのＰｂ
蒸気が純銅線に転じて、表面に被覆又は合金化されたも
のと考えられる。このように微量のＰｂ存在は耐酸化性
を著しく向上させることが確認できた。

【００１７】（比較例４）銅粉（日鉱グールドフォイル
製 ５２−Ｈ）にＰｂ粉を添加せず、そのまま約１５０
×１００×２５ｍｍの金属トレーに充填し、表面をエメ
リー紙で研磨した長さ約５０ｍｍの純銅線（２．５ｍｍ
φ）を３〜４本突き刺す。そして、このまま焼結温度７
００°Ｃ、焼結時間１２０ｍｉｎ、アンモニア分解ガス
雰囲気中（Ｎ₂：Ｈ₂＝１：３）で焼結した。このように
して得た焼結品を恒温恒湿槽内にセットし、温度８０°
Ｃ，湿度８０％の雰囲気で２４時間放置し、耐湿酸化試
験を実施した。この結果、焼結体の表面及び純銅線の表
面は茶色に酸化変色した。実施例３とこの結果の比較か
ら、Ｐｂ存在が耐酸化性を著しく向上させるものであ
り、Ｐｂが存在しない場合には耐酸化性が劣ることが分
かる。

【００１８】

【発明の効果】粉末冶金用混合粉は銅粉を主成分をする
ものであり、この粉末にＰｂ粉でＰｂを５０ｐｐｍ (ｗ
ｔ) 以上を混合し粉末冶金用原料とすることにより、混
合粉末の耐蝕性は大きく向上する。したがって、処理、
運搬、保存などの工程での腐食環境においても、酸化す
ることなく粉末冶金用混合粉の良好な品質を維持するこ
とができる。さらに、このような銅粉又は銅粉を含有す
る粉末冶金用原料粉とＰｂとの混合原料を用いて所定形
状の圧粉体とし、さらに７００〜８００°Ｃ近傍の温度
で焼結することにより、特別な処理を必要とすることな
く、すなはち上記原料粉をそのまま用いて容易に焼結体
を製造することができ、またこのようにして得られた焼
結体の耐酸化性が著しく向上し、導電性等の特性を損な
うことなく、刷子等の電気部品や各種機械部品に好適な
焼結体材料を得ることができる。このように、本発明は
混合原料粉さらには焼結体の防錆効果を著しく高めるだ
けでなく、処理操作を容易とし製造コストを下げること
ができるという大きな特徴を有している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 1/00 B22F 3/10 C22C 1/04

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅粉を含有する粉末冶金用混合粉であっ
   て、該混合粉にＰｂ粉でＰｂが５０ｐｐｍ（ｗｔ）以
   上、２０００ｐｐｍ（ｗｔ）以下含有されていることを
   特徴とする粉末冶金用混合粉。
2. 【請求項２】 銅粉又は銅を含む混合粉の粉末冶金焼結
   体であって、該焼結体にＰｂが５０ｐｐｍ（ｗｔ）以
   上、２０００ｐｐｍ（ｗｔ）以下含有されていることを
   特徴とする粉末冶金焼結体。
3. 【請求項３】 粉末冶金用焼結体におけるＰｂ含有量が
   中心部に比べ表面側が２倍以上高いことを特徴とする粉
   末冶金焼結体。
4. 【請求項４】 銅粉を含有する粉末冶金用焼結体にＰｂ
   粉でＰｂを５０ｐｐｍ（ｗｔ）以上、２０００ｐｐｍ
   （ｗｔ）以下混合した原料粉を用いて焼結することを特
   徴とする粉末冶金焼結体の製造方法。
5. 【請求項５】 粉末冶金焼結体の製造方法において、銅
   粉を含有する粉末冶金用原料粉をＰｂ蒸気圧下で焼結す
   ることを特徴とする粉末冶金焼結体の製造方法。