TWI726557B - 具有Si被膜之純銅粉及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：Si附著量為5wtppm以上且200wtppm以下，C附著量為15wtppm以上，重量比率C/Si為3以下。本發明之課題在於提供一種形成有Si被膜之純銅粉及其製造方法以及使用該純銅粉之積層造型物，該形成有Si被膜之純銅粉能夠於利用電子束(EB)方式進行之積層造型中，抑制純銅粉因預加熱所導致之部分燒結，並且當造型時，抑制因碳(C)所導致之造型時之真空度之下降。
Description
本發明係關於一種具有Si被膜之純銅粉及其製造方法以及使用該純銅粉之積層造型物。
近年來，嘗試使用3D印刷技術來製作因複雜形狀而難以造型之立體構造之金屬零件。3D印刷亦被稱為積層造型(AM)法，且係藉由如下操作來製作複雜形狀之金屬造型物之方法，即，於基板上較薄地鋪滿純銅粉而形成金屬粉末層，對該金屬粉末層掃描電子束或雷射光使其熔融、凝固，進而於其上較薄地鋪滿新的粉末，同樣地使其熔融、凝固，反覆進行該作業。
於利用電子束(EB)方式進行之積層造型中，當對金屬粉照射電子束時，由於金屬粉之電阻較高，故而存在發生充電之情況。因此，對金屬粉進行預加熱，使相鄰之金屬粉頸縮而製作導電路徑。但是，此時因預加熱而導致金屬粉部分燒結，若發生燒結，則存在粉難以自造型物之孔內部脫落等問題。
根據如上情況，為了抑制燒結，儘量成為較弱之頸縮，而於專利文獻1中揭示有實施了表面處理之金屬粉。具體而言，記載有如下技術，即，使用矽烷偶合劑等在金屬粉之表面形成有機被膜，藉此即便利用預加熱亦不會發生部分燒結，能以堆積之狀態對金屬粉直接照射電子束。
專利文獻1：日本特開2017-25392公報
本發明之課題在於提供一種形成有Si被膜之純銅粉及其製造方法以及使用該純銅粉之積層造型物，其能夠於利用電子束(EB)方式進行之積層造型中，抑制純銅粉因預加熱所導致之部分燒結，並且當造型時，抑制因碳(C)所導致之造型時之真空度之下降。
作為解決上述課題之手段，本發明提供以下實施形態。
1)一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：Si附著量為5wtppm以上且200wtppm以下，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
2)一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：利用WDX分析來分析Si時，最大信號強度之1/10以上之部分為粒子整體之40%以上，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
3)一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：Si被膜之膜厚為5nm以上300nm以下，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
4)如上述1)至3)中任一項記載之純銅粉，其特徵在於：上述純銅粉中之氧濃度為1000wtppm以下。
5)如上述1)至4)中任一項記載之純銅粉，其特徵在於：上述純銅粉之平均粒徑D50(中位數粒徑)為10μm以上且150μm以下。
又，本發明提供以下實施形態。
6)一種純銅粉之製造方法，其係上述1)至5)中任一項記載之純銅粉之製造方法，該製造方法係將純銅粉浸漬於含有矽烷系偶合劑之溶液中，於該純銅粉形成Si被膜之後，以1000℃以下進行加熱。
又，本發明之實施形態係，
7)一種純銅積層造型物，其特徵在於：相對密度為95%以上。
8)如上述7)中記載之純銅積層造型物，其特徵在於：積層造型物中之Si濃度為5wtppm以上且200wtppm以下。
9)一種純銅積層造型物，其係利用積層造型法以上述1)至5)中任一項記載之純銅粉為原料而製作。
根據本發明，於利用電子束(EB)方式進行之積層造型中，能夠抑制因預加熱等所導致之部分燒結，並且當造型時，能夠抑制因碳(C)所導致之造型時之真空度之下降。
[圖1]係實施例1-2之形成有Si被膜之純銅粉之SEM圖像。
[圖2]係實施例1-2之利用WDX(波長分散型X射線)所得之Si之映射圖像。
[圖3]係表示實施例1-2之Si映射中相當於被覆率之部分之圖像。
關於利用電子束(EB)方式進行之積層造型中所使用之金屬粉，通常為了抑制充電等目的而進行預加熱。預加熱於相對低溫下進行，但存在如下問題：「金屬粉會部分燒結而頸縮變大，難以將造型物中殘存之金屬粉取出」、或者「即便取出亦無法對其再利用」。
根據此種情況，藉由對金屬粉實施表面處理，即便進行預加熱亦不會發生部分燒結。例如於專利文獻1中，關於金屬粉之表面處理手段，揭示有利用二胺基矽烷或胺基鈦酸酯等有機物進行表面處理而於金屬粉之表面形成Si或Ti被膜之技術，此種被膜之形成有效抑制因預加熱所導致之部分燒結。
於藉由使用該等有機物之表面處理形成Si被膜之情形時，同時有機物(C)亦會附著，於使用此種附著了有機物之純銅粉之情形時，當積層造型時，真空度會下降而導致造型條件變得不穩定。進而存在造型時有機物之一部分因熱而分解成為氣體，由此產生異味之情況。
本發明者等人對此種問題進行了專心研究，結果發現於C相對於Si之比率超過規定範圍之情形時，當造型時真空度會下降。進而獲得了如下見解，即，藉由在一定條件下對表面處理後之純銅粉進行加熱處理，能夠將附著於純銅粉之C之比率抑制至一定範圍，從而能夠抑制真空度之下降。鑒於此種情況，本發明者等人提供一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，且造型時能夠抑制真空度之下降。
本發明之實施形態之純銅粉係形成有Si被膜者，其特徵在於：Si附著量為5wtppm以上且200wtppm以下，C附著量為15wtppm以上，重量比C/Si為3以下。藉由在純銅粉之表面形成上述附著量之Si被膜，能夠抑制因預加熱等所導致之部分燒結，從而能夠製作高密度且具有中空構造之積層造型物。
於Si之附著量未達5wtppm之情形時，無法充分抑制部分燒結。於Si之附著量超過200wtppm之情形時，可能引起造型物之導電率或密度之下降，因此Si較佳為設為200wtppm以下。
再者，於本發明中，中空構造係指於立體形狀之造型物內部具有空間者，或者其內部貫通者。
於本發明之另一實施形態中，係形成有Si被膜之純銅粉，其特徵
在於：利用WDX分析針對形成有Si被膜之純銅粉來分析Si時，最大訊號強度之1/10以上之部分為粒子之40%以上，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
WDX(波長分散型X射線)分析由於能夠特定出純銅粉之何處以何種程度存在Si元素，故而作為被覆純銅粉之Si之被覆率之指標。此處，最大訊號強度之1/10以上之部分係指將利用WDX分析純銅粉時，檢測器檢測出之未達最大訊號強度之1/10之部分排除後的面積。例如，於掃描粒整體時之訊號強度為15~400之情形時，符合部分為具有40~400之訊號強度之部分。
於Si之被覆率未達40%之情形時，存在如下情況，即，預加熱時因部分燒結所產生之頸縮部分變大，EB熔射時，熱通過頸縮部分而向周圍之純銅粉逃逸，難以進行純銅粉之熔融。
於本發明之另一實施形態中，係形成有Si被膜之純銅粉，其特徵在於：Si被膜之膜厚為5nm以上且300nm以下，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
此處，被膜之膜厚係由時間與濺鍍速率算出之值，上述時間係一面以固定之濺鍍速率對粉體表面挖孔，一面利用歐傑電子能譜法(AES)檢測歐傑電子直至檢測不到Si為止所耗之時間。所檢測之位置係自1個粒子隨機選擇2點，實施例之值表示其平均值。
於被膜之膜厚為5nm以下之情形時，無法於預加熱時抑制部分燒結。於被膜之膜厚為300nm以上之情形時，難以形成頸縮部分，而導致發生充電，因此，被膜之膜厚較佳為5nm以上且300nm以下。
上述中，已對在純銅粉形成有Si皮膜之情況進行了說明，但想到形成有Ti皮膜之情況亦可獲得相同效果。
於本發明之實施形態中，較佳為將上述純銅粉中之氧濃度設為
1000wtppm以下。更佳為設為500wtppm以下。造型時純銅粉中之氧或氧化物氣體化，由此存在於造型物內部形成孔之情況，但藉由降低純銅粉中之氧濃度，能夠抑制此種孔之形成，能夠獲得高密度之造型物。
又，於本發明之實施形態中，較佳為將上述純銅粉之平均粒徑D50(中位數粒徑)設為10μm以上且150μm以下。藉由將平均粒徑D50設為10μm以上，造型時粉末不易飛散，從而容易操作粉末。另一方面，藉由將平均粒徑D50設為150μm以下，而容易製造高精細之積層造型物。再者，於本發明之實施形態中，平均粒徑D50係指於圖像分析測定所得之粒度分佈中按累計值50%計之平均粒徑。
於本發明之實施形態中，較佳為純銅粉使用純度99.9%以上。純銅具有較高之導熱性，因此藉由利用積層造型製作以往無法製作之具有中空構造之複雜形狀，能夠製作導熱性優異之造型物。又，於造型物之密度較低之情形時，造型物內進入導熱率較差之物質(空氣等)，因此導熱率亦較低，但於使用本發明之實施形態之純銅粉之情形時，能夠製作相對密度95%以上之積層造型物。
接下來，對本發明之實施形態之純銅粉之製造方法進行說明。
首先，準備所需量之純銅粉。純銅粉較佳為使用平均粒徑D50(中位數粒徑)為10~150μm者。平均粒徑可藉由篩選而獲得目標粒度者。純銅粉可使用霧化法製作，但本發明之實施形態之純銅粉亦可藉由其他方法製作，並不限定於此。
接下來，對純銅粉進行前處理。由於純銅粉上通常形成有自然氧化膜，故而難以形成目標結合。因此，較佳為事先對該氧化膜進行去除(酸洗)。作為去除方法，例如於銅粉末之情形時，可藉由將銅粉浸漬於稀硫酸水溶液中而將自然氧化膜去除。但是，該前處理係於純銅粉上形成有自然氧化膜之情形時進行之處理，無需對所有純銅粉實施該前處理。酸洗後亦可視需要利用純水進行洗
淨。
接下來，為了於純銅粉之表面形成Si被膜，而使上述純銅粉浸漬於含有矽烷偶合劑之溶液中。溶液溫度(表面處理溫度)較佳為設為5~80℃。若溶液溫度未達5℃，則Si之被覆率變低。又，由於浸漬時間越長，則附著之Si之附著量越多，故而較佳為與目標Si之附著量相應地調整浸漬時間。
作為矽烷偶合劑，可使用一般市售之矽烷偶合劑，可使用胺基矽烷、乙烯基矽烷、環氧矽烷、巰基矽烷、甲基丙烯基矽烷、脲基矽烷、烷基矽烷、含羧基之矽烷等。
可使用由純水將該溶液稀釋後獲得之0.1~30%之水溶液，但由於溶液之濃度越高，則Si之附著量越多，故而較佳為與目標Si之附著量相應地調整濃度。又，亦可一面依需進行攪拌，一面進行上述表面處理。
浸漬處理後，於真空或大氣中進行加熱發生偶合反應，其後使其乾燥，藉此形成Si被膜。加熱溫度根據所使用之偶合劑而有時不同，例如可設為70℃~120℃。
接下來，對形成有Si被膜之純銅粉進行熱處理而適度將有機物去除。熱處理溫度可設定為如成為所需之重量比C/Si般之溫度，理想的是於Si較多之情形時，提高熱處理溫度，於Si較少之情形時，降低熱處理溫度，例如可設為400℃以上且1000℃以下。於加熱溫度未達400℃之情形時，無法將有機物充分去除，導致造型時之真空度變差或污染。於超過1000℃之情形時，燒結進行較快，無法維持粉末之狀態。又，加熱可於真空中(10-3Pa左右)進行。進而，亦能以成為所需之重量比C/Si之方式與調整溫度一同來調整加熱時間，例如較佳為設為2~12小時。
藉由以上，能夠獲得形成有Si被膜，且所需之Si之附著量、被覆率、膜厚、及C之附著量、重量比C/Si之純銅粉。
包括實施例或比較例在內，本發明之實施形態之造型及評價方法等如下。
(關於金屬積層造型物之製作)
製造商：Arcam公司製造
裝置名：A2X
造型條件：預加熱溫度：300℃~1600℃
真空度：1×10-2mBar
積層造型物：製作35mm見方、厚度35mm、於中心部具有直徑3mm之管狀之中空構造之積層造型物。
(關於平均粒徑D50)
平均粒徑D50(體積基準)係藉由以下裝置及條件進行測定。
製造商：Spectris股份有限公司(Malvern事業部)
裝置名：乾式粒子圖像分析裝置Morphologi G3
測定條件：
粒子導入量：11mm3
射出壓：0.8bar
測定粒徑範圍：3.5~210μm
測定粒子數量：20000個
(關於比表面積)
純銅粉之比表面積係藉由以下裝置及條件進行測定。
製造商：Yuasa Ionics股份有限公司
裝置名：MONOSORB
測定原理：單點BET方法
(關於Si附著量)
製造商：SII公司製造
裝置名：SPS3500DD
分析法：ICP-OES(高頻感應耦合電漿發光分析法)
測定樣本量：1g
測定次數：設為2次，將其平均值作為附著量。
(關於C附著量、O濃度)
製造商：LECO公司製造
裝置名：TCH600
分析法：非活性氣體熔解法
測定樣本量：1g
測定次數：設為2次，將其平均值作為附著量、濃度。
(WDX分析)
將利用WDX分析來分析Si時最大訊號強度之1/10以上之部分於粒子整體中所占的比率稱為「Si之被覆率」。對作為樣本之1個粒子進行分析，使用WDX內之圖像處理功能來測定Si之被覆率。具體而言，對利用WDX所得之畫面上之1個粒子之整個畫面進行掃描，測量Si之訊號強度。但是，粒子之背面側無法掃描，因此確切而言，係將自一方向觀察粒子時之圖像之面積設為100%時，將Si(最大訊號強度之1/10以上之部分)於該面積中所占之面積比率設為被覆率。
製造商：日本電子製造
裝置名：FE-EPMA
加速電壓：15kV
輸出電流：15μA
掃描速度：10mm/sec
(Si被膜之膜厚)
被膜之膜厚係由時間與濺鍍速率算出之值，上述時間係一面以固定之濺鍍速率對粉體表面挖孔，一面利用歐傑電子能譜法(AES)檢測歐傑電子直至檢測不到Si為止所耗之時間。所檢測之位置係自1個粒子隨機選擇2點，實施例之值表示其平均值。
製造商：日本電子股份有限公司
裝置名：AES(JAMP-7800F)
燈絲電流：2.22A
探針電壓：10kV
探針電流：1.0×10-8A
探針直徑：約500nm
濺鍍速率：7.2nm/min(SiO2換算)
(關於耐氧化性)
純銅粉若暴露於大氣中，則於表面形成自然氧化膜。於將此種形成有氧化膜之純銅粉用於AM造型之情形時，電子束或雷射之反射率或吸收率發生變化，熱吸收與未形成氧化膜之純銅粉不同，即便於相同條件下造型，亦存在造型物之密度等物理性質不均而不穩定之問題。藉由在純銅粉之表面存在含有Si之有機被膜，不易與大氣中之水分反應，能夠抑制氧化。作為抗氧化之驗證，調查對形成有Si被膜之純銅粉進行加熱(150℃、24小時)之後之氧濃度之變化量，將氧濃度之變化量(加熱後/加熱前)為5以下者判定為合格(○)，將超過5者判定為不合格(×)。
(關於暫時燒結試驗後之粉之狀態)
藉由加熱進行燒結後之粉由於粉末彼此結合而尺寸變大，故而無法通過規定尺寸之篩。因此，若能夠通過篩，則判斷為展現了抑制因加熱所導致之燒結之效果。作為其驗證，將50g之純銅粉放入至
50mm之氧化鋁坩堝中，於真空度
1×10-3Pa以下之氣體氛圍下，以500℃加熱4小時，確認加熱後之純銅粉是否通過網眼250μm之篩，將通過者判定為良好，將未通過者判定為不良。
(造型時之真空度之變化)
於C(碳)之比率較高之純銅粉中，造型時有機皮膜之一部分因熱而分解產生之氣體成為產生異味之原因。又，分解所得之有機物成分向裝置內飛散，因此真空度暫時下降。於較低之真空度下，利用EB(電子束)進行之加熱不充分，亦涉及於積層造型物產生缺陷。作為真空度之變化之驗證，將造型時真空度於2.5×10-3Pa以下推移者判定為合格(○)，將真空度超過2.5×10-3Pa而變化者判定為不合格(×)。
(關於相對密度)
自積層造型物將樣本切割成20mm方形，利用市售之阿基米德密度測定器測定密度。相對密度係藉由測得之密度除以理論密度(於Cu之情形時為8.93g/cc)而算出。
以下，基於實施例及比較例進行說明。再者，本實施例僅為一例，本發明不受該例任何限制。即，本發明僅由申請專利範圍限制，包括本發明中所包含之實施例以外之各種變化。
(實施例1、比較例1：表面處理後之熱處理溫度)
作為純銅粉，準備利用霧化法製作之平均粒徑(D50)為72μm，比表面積為0.0024m2/g之純銅粉，將該純銅粉浸漬於稀硫酸水溶液中，將表面之自然氧化膜去除。接下來，將純銅粉浸漬於由純水稀釋後獲得之偶合劑水溶液(5%)中60分鐘，之後於真空中或大氣中以70~120℃使其乾燥。乾燥後，於真空中以550~800℃對該純銅粉進行加熱處理(實施例1-1、1-2)。另一方面，比較例1-1、1-2不實施加熱處理。
將藉由以上處理形成有被膜之純銅粉之Si附著量、Si被覆率、Si之膜厚、C附著量、及重量比C/Si彙總示於表1。
對該等形成有被膜之純銅粉進行上述「耐氧化性」之驗證，結果可確認出，氧濃度之變化量(加熱後/加熱前)均為5以下，能夠抑制氧化。又，進行「暫時燒結試驗後之粉之狀態」之驗證，結果均展現出良好之結果。
接下來，使用上述純銅粉利用電子束(EB)方式製作積層造型物。此時，測定「造型時之真空度」，結果於實施例1-1、1-2中，均未觀察到真空度之變化，但比較例1-1觀察到真空度之變化。比較例1-2不存在造型時之真空度之變化，但暫時燒結試驗後無法維持粉之狀態。又，測定造型物之相對密度，其結果為所有實施例中均展現出95%以上之良好之結果。將以上結果示於表1。
(實施例2：純銅粉之粒徑)
作為純銅粉，準備利用霧化法製作之平均粒徑(D50)為38μm之純銅粉，將該純銅粉浸漬於稀硫酸水溶液中，而將表面之自然氧化膜去除。接下來，由純水稀釋將純銅粉浸漬於二胺基矽烷水溶液(5%)中60分鐘，之後於真空中或大氣中以70~120℃使其乾燥。乾燥後，於真空中以800℃對該純銅粉進行加熱處理(實施例2-1)。將藉由以上處理形成有被膜之純銅粉之Si附著量、Si被覆率、Si之膜厚、C附著量、重量比C/Si彙總示於表2。
對該等形成有Si被膜之純銅粉進行上述「耐氧化性」之驗證，其結果確認出，氧濃度之變化量(加熱後/加熱前)均為5以下，能夠抑制氧化。又，進行「暫時燒結試驗後之粉之狀態」之驗證，結果展現出良好之結果。將以上結果示於表2。
根據本發明之實施形態，於利用電子束(EB)方式進行之積層造型中，能夠抑制因預加熱等所造成之部分燒結，並且能夠抑制因碳(C)所造成之造型機之污染或污染物之產生。藉此，能夠製作複雜形狀(中空構造等)之積層造型物，進而形成純銅粉末層，但即便不照射電子束而殘留之情形時，亦具有可再次利用之優異之效果。本發明之實施形態之純銅粉作為金屬3D印刷用之純銅粉尤其有用。
Claims (7)
- 一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：Si附著量為5wtppm以上且200wtppm以下，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
- 一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：利用WDX分析來分析Si時，最大信號強度之1/10以上之部分為粒子整體之40%以上，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
- 一種純銅粉，其係形成有Si被膜者，其特徵在於：Si被膜之膜厚為5nm以上且300nm以下，C附著量為15wtppm以上，Si附著量與C附著量之重量比率C/Si為3以下。
- 如請求項1至3中任一項之純銅粉，其中，上述純銅粉中之氧濃度為1000wtppm以下。
- 如請求項1至3中任一項之純銅粉，其中，上述純銅粉之平均粒徑D50(中位數粒徑)為10μm以上且150μm以下。
- 如請求項4之純銅粉，其中，上述純銅粉之平均粒徑D50(中位數粒徑)為10μm以上且150μm以下。
- 一種純銅粉之製造方法，其係請求項1至6中任一項之純銅粉之製造方法，該製造方法係將純銅粉浸漬於含有矽烷系偶合劑之溶液中，於該純銅粉形成Si被膜之後，以400℃以上且1000℃以下進行加熱。
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