JP2005047760A - 銅被覆黒鉛粉末及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【要約書】
【課題】 低見掛密度である鱗片状黒鉛等に銅めっきした銅黒鉛粉末において、めっき条件を最適化することにより、見掛密度及びタップ密度を向上させた銅被覆黒鉛粉末を得、マトリックス成分粉末との混合における分散性を向上させて、焼結後に安定した強度を持った焼結部品を製造できる粉末冶金用複合金属粉末を得る。
【解決手段】 硫酸銅水溶液中に黒鉛粉末、鉄粉及びニカワ０．３〜５．０ｇ／Ｌを添加し、これを攪拌して黒鉛粉末に銅を置換めっきし、見掛密度：０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ^３、タップ密度：１．１〜１．３ｇ／ｃｍ^３である銅被覆黒鉛粉末を製造する。

Description

本発明は、焼結機械部品、焼結軸受等の製造に用いる粉末冶金用銅被覆黒鉛粉末に関し、特に見掛密度及びタップ密度に優れた銅被覆黒鉛粉末及び同銅被覆黒鉛粉末を安定して製造できる製造方法に関する。

粉末冶金材料への黒鉛添加手段として銅被覆黒鉛が知られている。この銅被覆黒鉛は、銅被覆層が当該材料のマトリックス成分と焼結することで、黒鉛単独に比べて高い強度が得られる利点があり、軸受材料を中心に使用されている。
一般に、焼結軸受材料に潤滑助剤の目的で添加する黒鉛には、鱗片状の天然黒鉛が多く使用されるが、鱗片状であるその形状に起因して見掛密度が低く、嵩があるために、マトリックス成分粉末との混合において分散性が悪く偏析が生じやすいという問題がある。
特に、マトリックス成分粉末がアトマイズ粉による球状粉末のように高見掛密度である場合、銅被覆黒鉛との見掛密度の差が大きいために分散性がより悪化する。

銅被覆黒鉛粉末の製造方法の中で、製造コストが安価で大量生産が可能である方法として、鉄と銅の置換反応を利用した置換めっき法がある（例えば、特許文献１参照）。
これは銅がイオン状態で存在する硫酸銅水溶液中で黒鉛粉末と鉄粉を混合攪拌することにより、鉄と銅の置換反応で黒鉛粉末表面に銅を析出させて被覆するものであるが、析出する銅は微小粒子であり、これが次々に析出して黒鉛粉末表面を覆うので、出来上がった銅被覆粉末の表面はめっき前の黒鉛表面に比べて微小突起が多くなり、比表面積が増大する。
そのため、粉末粒子同志の接触点が多くなり、流動性も悪く、見掛密度及びタップ密度も低くなるという問題があった。このようなことから従来では、見掛密度は０．７５ｇ／ｃｍ^３未満、タップ密度１．１ｇ／ｃｍ^３未満であり、高密度の銅被覆黒鉛粉末が得られていなかった。
そして、この銅被覆黒鉛粉末をマトリックス成分粉末と混合する場合、両者の見掛密度の差が大きいほど分散性が悪く、銅被覆黒鉛粉末の偏析が生じ易くなるという問題があった。
特公昭５５−５０１０７号公報

本発明は、低見掛密度である鱗片状黒鉛等に銅めっきした銅黒鉛粉末において、めっき条件を最適化することにより、見掛密度及びタップ密度を向上させた銅被覆黒鉛粉末を得、マトリックス成分粉末との混合における分散性を向上させて、焼結後に安定した強度を持った焼結部品を製造できる粉末冶金用複合金属粉末を得ることを課題とする。

本発明者らは、上記問題点を解決するために、原料粉末及び被覆に使用するめっき液の条件を種々検討した結果、ニカワの添加が著しい見掛密度及びタップ密度を改善できるとの知見を得た。
本発明はこの知見に基づいて、
（１）見掛密度：０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ^３、タップ密度：１．１〜１．３ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする銅被覆黒鉛粉末
（２）黒鉛に銅が１０〜８０重量％被覆されていることを特徴とする上記１記載の銅被覆黒鉛粉末
（３）黒鉛に銅が５０〜７０重量％被覆されていることを特徴とする上記１記載の銅被覆黒鉛粉末
（４）黒鉛に銅を被覆するに際して、置換めっき液にニカワを０．３〜５．０ｇ／Ｌ添加して置換めっきすることを特徴とする銅被覆黒鉛粉末の製造方法
（５）硫酸銅水溶液中に黒鉛粉末と鉄粉を混合攪拌して置換めっきすることを特徴とする上記４記載の銅被覆黒鉛粉末の製造方法
（６）硫酸銅水溶液中に黒鉛粉末、鉄粉及びニカワ０．３〜５．０ｇ／Ｌを添加し、これを攪拌して黒鉛粉末に銅を置換めっきすることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の銅被覆黒鉛粉末の製造方法
を提供するものである。

上記に示す通り、低見掛密度である鱗片状黒鉛等に銅めっきする際に、置換めっき浴にニカワを添加することにより、見掛密度及びタップ密度を大きく向上させた銅被覆黒鉛粉末を得ることができるという優れた効果を有する。これによって、マトリックス成分粉末との混合における分散性を向上させ、焼結後に安定した強度を持った焼結部品を製造できる粉末冶金用複合金属粉末を得ることができる著しい効果がある。

本発明の銅被覆黒鉛粉末は、硫酸銅水溶液中に黒鉛粉末、鉄粉及びニカワを０．３〜５．０ｇ／Ｌ添加し、これを攪拌して黒鉛粉末に銅を置換めっきすることにより製造することができる。これによって、見掛密度及びタップ密度が著しく向上し、それぞれ０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ^３及び１．１〜１．３ｇ／ｃｍ^３である銅被覆黒鉛粉末を得ることができる。
めっき液としては、Ｃｕ^２＋濃度：４０〜９０ｇ／Ｌ、好ましくは８０〜９０ｇ／Ｌ、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）：５〜５０ｇ／Ｌ、好ましくは１０〜３０ｇ／Ｌ、液温：２０〜５０°Ｃ、好ましくは３０〜４０°Ｃの硫酸銅めっき浴を使用することができる。
めっき液のＣｕ濃度は高ければ高いほど、反応バッチ当たりの製造量を多くできるのでなるべく高い方が望ましい。しかし、液温に対して溶解度があるので、前記液温の条件に合う範囲で濃度４０〜９０ｇ／Ｌ、特により高い濃度８０〜９０ｇ／Ｌが適する。

硫酸濃度は、めっきの速度や生成する銅被膜の形状に影響する。硫酸が高いと反応が速くなるため、銅被膜が不規則になり、分散性を向上させるために添加するニカワの効果を妨げるという問題がある。また硫酸濃度が低すぎると反応速度が遅くなり、未反応の鉄粉が残留する。したがって、５〜５０ｇ／Ｌ、特に１０〜３０ｇ／Ｌが適する。
ここで言う液温は、投入するめっき液の温度を意味する。置換反応の進行により液温は上昇するので、反応中にこの温度に保持するという意味ではない。めっき液温が高いと急激に反応が起こり、ガス発生により突沸し反応槽から溢れ出す危険があるため、また硫酸銅の溶解度も考慮し、液温２０〜５０°Ｃ、特に３０〜４０°Ｃが適する。液温が低い場合には、硫酸銅の結晶が析出してしまうため、銅濃度を低くしなければならならず、生産性が低下する。

上記によって、従来の銅被覆黒鉛粉末では得るがことできなかった見掛密度及びタップ密度を達成することができる。すなわち、所定量のニカワを添加した場合は、ニカワを添加しない場合に比べて、本発明においては見掛密度が１．２〜１．４倍の銅被覆黒鉛粉末が得られた。
これらの物性値の向上により、見掛密度がより大きい青銅粉と混合したときの分散性が良くなり、焼結したときの製品特性の均一性が向上する。
見掛密度が０．７５ｇ／ｃｍ^３未満では分散性の向上が十分ではない。

ニカワの添加量は重要であり、０．３ｇ／Ｌ未満では見掛密度及びタップ密度の向上が十分でない。また、添加量が５．０ｇ／Ｌを超えると、銅の色合いが黒ずんできて、製品としては好ましくない。さらに多量に例えば１０．０ｇ／Ｌ添加すると、粘性が大きくなりめっきができないという問題が発生する。したがって、ニカワの添加量を０．３〜５．０ｇ／Ｌとする。
銅は黒鉛に１０〜８０重量％被覆する。これによってマトリックス粉末との混合における分散性が向上した銅被覆黒鉛粉末を得ることができる。特に、黒鉛に銅が５０〜７０重量％被覆されていることが望ましい。

次に、本発明の実施例について説明する。なお、本実施例はあくまで１例であり、この例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲内で、実施例以外の態様あるいは変形を全て包含するものである。

（実施例１〜５）
平均粒径４０μｍの鱗片状黒鉛粉末を原料として、６５重量％の銅をめっきした銅被覆黒鉛粉末を製造した。めっき浴組成は次の通りである。
・Ｃｕ^２＋：８５ｇ／Ｌ
・硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）：１０ｇ／Ｌ
・液温：３５°Ｃ
・ニカワ添加量：表１に示す添加量（実施例１〜５について０．５〜５．０ｇ／Ｌの範囲で添加）
・置換用鉄粉：還元鉄粉（−１００ｍｅｓｈ）
得られた銅被覆黒鉛粉末の見掛密度（ＡＤ）、見掛密度の上昇倍率、タップ密度（ＴＤ）、タップ密度上昇倍率、分散性比較等を行った。この結果を同様に表１に示す。
分散性の比較に際しては、見掛密度が５ｇ／ｃｍ^３である球状のアトマイズ青銅粉を、重量比で１：９の割合に混合し、分散性（銅被覆黒鉛の偏析の有無）を観察した。銅被覆黒鉛は赤色、アトマイズ青銅粉は黄色になるのでその差異は明瞭である。特に一旦ミキサーで混合したものを、別な容器に移し替える際に、偏析がある場合は筋状に分離して観察されるので肉眼でも容易に判別できる。

と
表１の実施例１〜５に示すように、ニカワを０．５〜５．０ｇ／Ｌ添加したものについては、見掛密度が０．７８〜０．９５ｇ／ｃｍ^３となり、またタップ密度も１．１９〜１．２８ｇ／ｃｍ^３となり、ニカワの添加量の増加と共に、上昇した。また、上記分散性については、偏析がなく、いずれも良好である結果が得られた。
なお、実施例（表１）には示していないが、さらにニカワ添加量を増やした場合（ニカワ添加量５．０ｇ／Ｌを超えた場合）、すなわちニカワの添加量が多すぎると、銅被覆黒鉛粉の色が鮮明な赤色から黒ずみ、好ましくない結果が得られた。

（比較例１）
実施例と同様の平均粒径４０μｍの鱗片状黒鉛粉末を原料として、６５重量％の銅をめっきした銅被覆黒鉛粉末を製造した。めっき浴組成は次の通りである。
・Ｃｕ^２＋：８５ｇ／Ｌ
・硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）：３０ｇ／Ｌ
・液温：３５°Ｃ
・ニカワ添加せず。
・置換用鉄粉：還元鉄粉（−１００ｍｅｓｈ）
得られた銅被覆黒鉛粉末の見掛密度（ＡＤ）、見掛密度の上昇倍率、タップ密度（ＴＤ）、タップ密度上昇倍率、分散性比較等を行った。この結果を同様に表１に示す。分散性（偏析の有無）の比較に際しては、実施例と同様に、見掛密度が５ｇ／ｃｍ^３である球状のアトマイズ青銅粉を、重量比で１：９の割合に混合し、分散性（銅被覆黒鉛の偏析の有無）を観察した。

以上の結果、ニカワ無添加の場合、見掛密度は０．６６ｇ／ｃｍ^３、タップ密度０．９５ｇ／ｃｍ^３となり、いずれも低い値となった。
一旦、比較例１の銅被覆黒鉛粉末とアトマイズ青銅粉とをミキサーで十分に混合したものを、別な容器に移し替えた際に、赤と黄色の筋状が分離して観察された。これは、比較例の銅被覆黒鉛粉末とアトマイズ青銅粉が偏析を起こしている証拠であり、分散性が悪く偏析があることが分かった。

（比較例２）
実施例と同様の平均粒径４０μｍの鱗片状黒鉛粉末を原料として、６５重量％の銅をめっきした銅被覆黒鉛粉末を製造した。めっき浴組成は次の通りである。
・Ｃｕ^２＋：８５ｇ／Ｌ
・硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）：１０ｇ／Ｌ
・液温：３５°Ｃ
・ニカワ添加：０．１ｇ／Ｌ
・置換用鉄粉：還元鉄粉（−１００ｍｅｓｈ）
得られた銅被覆黒鉛粉末の見掛密度（ＡＤ）、見掛密度の上昇倍率、タップ密度（ＴＤ）、タップ密度上昇倍率、分散性比較等を行った。この結果を同様に表１に示す。
分散性（偏析の有無）の比較に際しては、実施例と同様に、見掛密度が５ｇ／ｃｍ^３である球状のアトマイズ青銅粉を、重量比で１：９の割合に混合し、分散性（銅被覆黒鉛の偏析の有無）を観察した。

以上の結果、ニカワ０．１ｇ／Ｌ添加の場合、見掛密度は０．７２ｇ／ｃｍ^３、タップ密度１．１１ｇ／ｃｍ^３となり、無添加に比べやや改善されたが、いずれも低い値となった。
さらに、一旦比較例２の銅被覆黒鉛粉末とアトマイズ青銅粉とをミキサーで十分に混合したものを、別な容器に移し替えた際に、比較例１と同様に、若干ではあるが赤と黄色の筋状が分離して観察された。これは、比較例２の銅被覆黒鉛粉末とアトマイズ青銅粉が偏析を起こしている証拠であり、分散性がやや悪く偏析があることが分かった。

低見掛密度である鱗片状黒鉛等に銅めっきする際に、置換めっき浴にニカワを添加することにより、見掛密度及びタップ密度を大きく向上させた銅被覆黒鉛粉末を得ることができるという優れた効果を有する。
これによって、マトリックス成分粉末との混合における分散性を向上させ、焼結後に安定した強度を持せることができるので、焼結部品の製造に最適である。

Claims (6)

1. 見掛密度：０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ^３、タップ密度：１．１〜１．３ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする銅被覆黒鉛粉末。
2. 黒鉛に銅が１０〜８０重量％被覆されていることを特徴とする請求項１記載の銅被覆黒鉛粉末。
3. 黒鉛に銅が５０〜７０重量％被覆されていることを特徴とする請求項１記載の銅被覆黒鉛粉末。
4. 黒鉛に銅を被覆するに際して、置換めっき液にニカワを０．３〜５．０ｇ／Ｌ添加して置換めっきすることを特徴とする銅被覆黒鉛粉末の製造方法。
5. 硫酸銅水溶液中に黒鉛粉末と鉄粉を混合攪拌して置換めっきすることを特徴とする請求項４記載の銅被覆黒鉛粉末の製造方法。
6. 硫酸銅水溶液中に黒鉛粉末、鉄粉及びニカワ０．３〜５．０ｇ／Ｌを添加し、これを攪拌して黒鉛粉末に銅を置換めっきすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の銅被覆黒鉛粉末の製造方法。