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铜基粉末的发展方向
2021年08月04日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1507
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粉末冶金制品特殊的结构和功能,使其成为新材料及高新技术发展不可或缺的组成部分,近年来,随着下游应用行业的快速发展以及金属粉体应用领域的不断拓展,金属粉体行业尤其是铁、铜基粉末迎来了快速发展。

铜基粉末主要分为纯铜粉和铜合金粉,铜粉主要包括电解铜粉、雾化铜粉、纳米铜粉等,铜合金粉末包括青铜粉、黄铜粉、白铜粉、包覆粉等。

 

常见铜基粉末(图源有研粉末官网)

根据不同的生产工艺和形貌特征,铜基金属粉末可分为电解铜粉、雾化铜及合金粉、超细铜基粉末(铜基预合金粉、超细及纳米铜粉)、扩散铜基粉末、包覆粉末(铜包铁粉末、铜包石墨粉末、银包铜等)等类型。

不同制备方法生产的铜基粉末具有不同的性能特征,从而满足不同应用领域的要求,其中,电解、雾化、扩散烧结、化学包覆为主要生产方法。

下表是铜基粉末几种制备方法、产品特性及应用领域的概括:

 

铜基粉末的产品分类

1. 电解铜粉

电解铜粉虽然存在生产流程长、能耗较高、废水废渣处理量大等明显弱点,但因具有产品纯度高、粉末颗粒为树枝状、松装比重较低、产品压制烧结性能好等显著优点而得到广泛应用,仍是其他工艺生产无法替代的铜粉主流产品,但该工艺只能生产铜粉,不能生产合金粉。

目前国内电解铜粉的生产主要有两个趋势:

(1)生产自动化水平提升,生产能耗降低。通过优化电解工艺,并对电解装备进行自动化和节能设计,提高产品的稳定性、减少能耗、提高回收率;

(2)扩展电解铜粉产品种类系列化。例如目前已经有一些企业开发了高

纯、低铅、抗氧化性强的电解铜粉,低松比电解铜粉等适用于电碳制品、含油轴承、高铁、导电浆料等领域应用的细分产品。

2. 雾化铜及铜合金粉末

与其他制粉方法,如化学法、电解法、机械法等相比,雾化法具有合金化程度高、成分均匀、生产效率高、成本低、无污染等许多优点,因而成为铜及铜合金粉末重要的生产方法。

不同的雾化介质对铜基粉末性能的影响

 

目前国内的雾化的工艺和设备发展较快,雾化粉末的应用得到了拓展,使粉末加工改性技术得到了很大程度地提高,如化工催化剂、热导材料、片状仿金粉等铜基粉末。

雾化制备技术既能够制备铜粉末也可以制备铜合金粉末,且工艺对环境友好,低能、低耗,符合国家发展战略。虽然目前尚不能够完全取代电解铜粉,但随着我国雾化技术、喷嘴设计以及自动化水平的不断提高,该工艺完全取代电解工艺是铜基粉末制备技术的发展趋势。

3. 扩散粘接预合金化粉末

扩散法制备的合金粉末,区别于雾化法制备完全合金化粉末,又叫部分合金化粉末,是将两种或两种以上成分的金属粉末根据一定比例混合均匀后,在还原气氛下烧结扩散,使金属粉末发生固溶扩散,几种金属发生合金化反应,从而形成一种成分均匀一致、无偏析的合金化粉末。

 

合金化的方法

一般原料金属粉熔点分布广、元素润湿性越好、粒径越小制备的铜合金粉末合金化程度越高。与雾化法制备铜合金粉末相比,扩散法制备的铜合金粉末压缩性能更好、成形性更佳且性能更加稳定

4. 铜铁复合粉及包覆粉末

(1)钢铁复合粉末

铜铁复合粉末可完全或部分替代铜粉、青铜粉,铁铜混合粉等传统粉末,为粉末冶金、金刚石工具等下游产业提供了质优价廉的原材料,主要制备方法有:水雾化法和化学置换法

水雾化法制备的铜铁复合粉末作为金刚石工具胎体粉末,低氧含量、超细化技术逐渐完善;化学法生产铜包铁复合粉末在国内已成熟,开发出了青铜包铁、黄铜包铁、低铜含量(铜质量分数最低达到 5%左右)等系列产品,广泛应用于电动工具等行业用精密含油轴承,制造成本较低。

(2)其他包覆粉末

其他包覆粉末主要包含铜包石墨、银包铜、铜包钨、铜包铬粉等,通过合适的包覆方法,可实现多元素的均匀分布及更优的产品性能,可应用于轴承、金刚石工具、碳刷、导电材料及射孔弹头等材料。

铜包石墨粉广泛应用于金刚石工具刀头、石墨碳刷电极、触头材料、自润滑轴承等领域,相对于传统混合法,可减少贵金属的使用量;银包铜粉较银粉成本低 1/3 以上,可代替银粉,主要应用于导电胶的导电填料、电碳等行业;铜包铬粉末在电触头材料中有着广泛的应用。

5. 超细铜基预合金粉末

钴基胎体粉体材料具有良好的成形性和可烧结性,对金刚石把持力大,润湿好,具有良好的高温硬性、韧性、自锐性, 综合性能最好,应用比较普遍。然而,钴是战略稀缺资源,价格高,使用受到很大限制。开发、使用无钴或低钴配方,一直是近年来金刚石工具发展的趋势之一。

粉末粒径小于10 μm的超细铜钴铁预合金粉末已成为钴粉及钴混合粉的替代品,制备方法主要为化学共沉淀法,具有粒度细、粒度分布范围窄、杂质含量低等优点。

6. 超细及纳米铜粉

超细铜粉(1~5 μm)、亚微米铜粉(0.1~1 μm)及纳米铜粉(0.001~0.1μm),统称为微纳米铜粉,不仅具有良好的导电、导热、耐蚀、抗菌与无磁性等特点,而且具有小尺寸效应、低熔点、高活性的特性,在导电胶、集成电路印刷版、屏蔽材料、润滑剂、催化剂及医学等领域也广泛应用。

超细及纳米铜粉的制备方法主要分为化学法(化学液相还原和化学气相沉积等)、物理法和生物法。相对于化学法来说,物理法对设备要求较高,工业生产成本较高。而生物法主要利用微生物及植物合成纳米铜粉,不适用于工业大规模生产。

 

微纳米铜粉的主要应用

7. 铜基增材制造

粉末冶金由于受到粉末冶金过程中温度及压力的限制,为保证工件的致密性,要求使用的粉体材料尽可能将成形腔体填充完全;而增材制造工艺过程中,材料在热源作用下冶金反应速度极快,成形过程中的粉体材料与热源直接作用,粉体材料无模具约束及外部持久压力作用。

因此粉末冶金与增材制造工艺对金属粉末的性能,如粒径、球形度、粒度分布、松装密度、流动性、振实密度等要求都有所不同。增材制造用铜及铜合金粉末必须满足粉末氧含量低、粒径小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。

增材制造使用金属粉末当前主要的制备方法为:等离子旋转电极法(PREP)、等离子雾化法(PA)、气雾化法(GA)及等离子球化法(PS)等。

近年来,在增材制造领域,铜及铜合金材料方面的研究逐渐增多,在三维铜基微波超材料、催化剂、热管理、封装互连、形状记忆合金等领域都有所突破。

总结

目前铜基粉末的发展主要为三种方向:

(1)常规纯铜粉和铜合金粉末的制备工艺更新、性能优化和自动化程度提升。技术上趋势为由电解法到雾化法制铜粉,扩散法制备合金粉更佳;产品上趋势为由单一品类到各种细分系列化产品;

(2)通过包覆或精细合金化等手段进行低成本替代,主要集中在一些成熟的传统领域;

(3)新兴领域的应用扩展,粉末往超细化、纳米化、满足高端性能要求的方向发展。

在当前的基础上铜基粉末仍有很大的发展空间,例如球形粉末制备工艺技术在增材制造、喷涂、注射成形等行业的应用有待进一步完善和拓展;使用要求不同的渗铜粉产品,系列化及稳定性有待完善和提高;新型环保包覆法制备技术有待开发;微纳米铜粉的规模化生产及应用需要发展等等。

随着导热导电材料、高铁刹车片、化工催化剂、增材制造等应用领域的发展,市场对于铜基粉末的需求量将不断增加。若您对这方面知识感兴趣,欢迎关注粉体圈即将在9月17日于广州保利世贸展览馆6号馆举办的“2021年全国粉末冶金创新发展论坛暨纳米金属粉体制备与应用研讨会”,更多精彩等着您!


参考来源:

1. 中国铜基粉末产业发展现状及展望;李占荣、周友智、张敬国、张煦、付东兴、贺会军、汪礼敏(1. 有研粉末新材料股份有限公司;2. 金属粉体材料产业技术研究院;3. 北京有研粉末新材料研究院有限公司);

2. 国内铜基粉末的制备技术及应用研究进展;朱清涛、梁琦明(中色奥博特铜铝业有限公司)

 

粉体圈 小吉

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