概述

1.1 铜及铜合金粉末与制品引言

铜为元素周期表中第一副族, 元素符号为Cu, 原子序数29, 原子量63.546, 密度为8.89 g/cm3, 熔点为1 083℃, 沸点约2 500℃, 标准电位为+0.34 V, 比热容为0.384 3 J/(g·K)。

纯铜呈玫瑰红色、 金属光泽, 但表面氧化后形成氧化铜薄膜, 外观呈紫色, 因此通常称为紫铜, 其纯度通常大于99.5%。纯铜具有良好的韧性、 可加工性, 在室温下其延展性可达30%~45%(软态)、 4%~6%(硬态), 抗拉强度216~235 MPa(软态)、 363~412 MPa(硬态)。铜具有优良的导电和导热性能, 电导率为58 MS/m(电阻率1.724×10-2 μΩ·m), 导热率为400 W/(m·K), 热膨胀系数为16.8×10-6/K, 是应用最广泛的导电材料和传热材料之一, 广泛应用于家电、 电力、 汽车、 铁路、 建筑、 船舶等几乎所有的行业。

20世纪20年代润滑多孔性青铜轴承的发明和发展, 对铜粉的工业性生产起了极大的促进作用。最早的铜粉生产方法是还原铜的氧化物和电解法。20世纪30年代置换沉淀法规模化生产的铜粉开始应用于铜基摩擦材料。20世纪50年代雾化法和水冶法陆续开发成功, 并实现规模化生产, 尤其是雾化法发展特别迅速, 到20世纪90年代已经成为一种制备铜及铜合金粉末的主要方法。

铜氧化物还原是一种比较古老的方法。它是将铜加工过程下来的铜鳞进行还原, 然后破碎制备铜粉。这种方法制备的铜粉粒度一般较粗, 目前的生产量较小。

在20世纪20年代早期, 美国新泽西州卡尔特莱特自治区的金属精炼厂(USMR)开始生产电解铜粉, 拥有大型的电解槽, 每月生产铜粉末最多达455 t。电解法制备铜粉来源于电解铜的生产, 其主要工艺是通过加大电流密度、 降低铜离子浓度, 从而获得电解铜粉。所制得的铜粉呈树枝状, 成形性好。目前全球电解铜粉的年产量约4万t, 占纯铜粉的70%以上, 为最主要的制备方法。

随着产品对铜及铜合金粉末的需求, 出现了雾化制粉工艺, 包括气雾化、 水雾化及其他雾化工艺, 前两种为主要的铜及铜合金粉末生产工艺, 占雾化铜及铜合金粉末产量的90%以上。具有生产成本低、 无污染等优点。为了进一步降低雾化铜粉的松装密度, 将雾化铜粉进行氧化, 然后再还原制备出低松装密度的铜粉, 可以部分取代电解铜粉的使用, 但是对于电碳、 冷压金刚石工具等对成形性要求非常高的应用, 还不能取代。

据不完全统计, 2009年全球铜及铜合金粉末的产量在10万t以上, 主要应用有含油轴承、 粉末冶金零部件、 金刚石工具、 电碳等, 占总产量的90%以上。