專利名稱：一種銅包鐵復合粉的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種粉末冶金材料的制備方法，特別是涉及一種沒有含硫、氯等有害廢液排放，且不損失鐵和銅的環(huán)保型的銅包鐵復合粉的制備方法。
背景技術(shù)：
采用銅包鐵復合粉末制備的粉末冶金制品既具有鐵基材料的高強度，又具有銅基材料的優(yōu)良耐腐蝕性和美觀的色澤，同時由于每一顆鐵粉都被銅包裹起來，其成分分布均勻，因而制品也可以避免成分偏析造成的組織和性能不均勻現(xiàn)象。因此，銅包鐵復合粉在粉末冶金領域具有很好的應用前景。目前，銅包鐵復合粉已經(jīng)開發(fā)成功并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在含油軸承、金剛石鋸片胎體等方面得到工業(yè)化應用。
目前工業(yè)上生產(chǎn)銅包鐵復合粉的方法主要是化學鍍技術(shù)(化學鍍是一個專業(yè)術(shù)語，即在不通電的情況下，通過化學反應過程在基體表面形成鍍層的過程)，其基本過程是基于化學置換的原理，將鐵粉加入含銅離子的溶液中，在控制PH值、攪拌、適當?shù)臏囟鹊葪l件下，通過以下置換反應Fe+Cu2+=Fe2++Cu使鐵將溶液中的Cu置換出來，并在鐵粉表面結(jié)晶，而后經(jīng)過清洗、干燥等工序得到銅包鐵復合粉末。
中國發(fā)明專利CN1209216C提出的方法是在攪拌狀態(tài)下，把還原鐵粉迅速加入摻有穩(wěn)定劑且PH值為0. 5^4. 8的硫酸銅溶液中，繼續(xù)攪拌一定時間，使銅完全包覆在鐵粉顆粒的表面，即形成銅包鐵復合粉，然后經(jīng)沉降、洗滌、干燥、篩分、防氧化等處理得到產(chǎn)品。中國發(fā)明專利CN1730209A的方法與CN1209216C基本相同，只是其pH值變?yōu)?.廣6. 5。中國發(fā)明專利CN101116909A也采用了類似的置換包覆技術(shù)，但該專利是以含銅堿性蝕刻廢液和酸性蝕刻廢液為原料，PH值設定在2、. 5。
這類置換包復技術(shù)必須使用酸性的含銅溶液。反應過程中溶液產(chǎn)生的蒸汽以及反應以后產(chǎn)生的廢液，都會對環(huán)境造成很大危害；同時，從前述反應方程式可知，每產(chǎn)生1摩爾的純銅，就有1摩爾的純鐵進入廢液，亦即每得到63. 55克的純銅，就要損失掉55. 85克的純鐵；加之該置換反應過程中不可避免地會有少量銅無法被還原而進入廢液。因此，這種技術(shù)不僅不利于環(huán)境保護，而且造成鐵和銅資源的浪費。
也有采用擴散燒結(jié)法生產(chǎn)銅包鐵復合粉的技術(shù)。其基本過程是將還原態(tài)的純銅粉和純鐵粉直接混合均勻，然后在一定溫度下、在還原性氣氛保護中進行燒結(jié)，使銅和鐵發(fā)生相互擴散，從而在鐵顆粒表面得到包復的銅層。這種方法的最大問題是混合過程中銅顆粒不可能均勻地粘附在鐵顆粒表面，而且混合后粘附在鐵表面的銅與鐵是一種機械結(jié)合，其結(jié)合強度很低，加之鐵(7. 8g/cm3)與銅(8. 9g/cm3)的密度不同，在轉(zhuǎn)運到擴散燒結(jié)爐的過程中，還會發(fā)生脫落和偏聚，因而得到的復合粉中，銅很難在鐵表面形成完整的包復層；同時，由于采用純銅和純鐵直接混合燒結(jié)，缺乏活化燒結(jié)機制(活化燒結(jié)是粉末冶金中的一個常用術(shù)語，本質(zhì)上就是通過一些技術(shù)手段來加快擴散和燒結(jié)速度的方法)，銅和鐵之間的擴散連接較慢，為了達到良好的擴散包復效果，必須采用較高的擴散燒結(jié)溫度(通常在800°C 以上)，其得到的產(chǎn)品整體燒結(jié)較為嚴重，后續(xù)破碎需要的能量較大，而在高能量破碎過程中，不僅包復好的顆粒之間發(fā)生分離，而且部分包復在鐵顆粒表面的銅顆粒也脫落下來，進一步降低了包復層的完整性。暴露出來的鐵容易氧化變色，導致產(chǎn)品顏色變差，用于粉末冶金行業(yè)，其產(chǎn)品的耐蝕性也難以滿足要求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種銅包鐵復合粉的制備方法，該方法既有利于環(huán)境保護，又有利于金屬資源的高效利用，同時能夠保證銅包鐵復合粉質(zhì)量。
本發(fā)明所述的一種銅包鐵復合粉的制備方法，其所制備的銅包鐵復合粉成分為 Cu含量(重量百分數(shù))59Γ40%，余量為鐵；該方法的具體步驟如下第一步，按照設定的銅包鐵復合粉成分，分別稱取適量的CuO粉和鐵粉； 已知銅的原子量為63. 55，氧的原子量為16 ；若需制備的銅包鐵復合粉中每100克復合粉含有χ克銅，制備的復合粉總量為1克；則稱取的 CuO 粉為 Wl=O. 0125XxXy (g)； 稱取的純鐵粉為W2=y-xXy/100 (g)；第二步，將稱取的CuO粉和純鐵粉置于球磨機或混料機中混合均勻；混合過程無需保護氣氛，也不需要加熱；混合時間根據(jù)物料重量而定，直至粉末顏色均勻。
第三步，將混合均勻的粉末移入燒結(jié)爐中，在氫氣、氨分解氣或氨燃燒氣氛保護下進行還原擴散，還原擴散溫度60(T75(TC，還原擴散處理時間廣4小時；還原擴散完成后，繼續(xù)在保護氣氛中冷卻至50°C以下出爐。
第四步，對還原擴散后的粉末體進行破碎、過篩后得到成品。
本發(fā)明以CuO粉和純鐵粉為原料，根據(jù)熱力學的基本知識可知，常溫下，氧化鐵 (包括F%03、Fe3O4和!^0)的標準生成吉布斯自由能低于CuO，表1列出了幾種物質(zhì)在25°C 時的標準生成吉布斯自由能。
表1幾種氧化物的標準生成吉布斯自由能(kJmol)因此，常溫下鐵還原CuO是一個自發(fā)的過程，根據(jù)各氧化物的熱力學性質(zhì)，下列反應最容易發(fā)生3Fe+4Cu0=Fe304+4Cu當CuO粉和純鐵粉在球磨機或混料機中混合時，CuO和鐵顆粒必然發(fā)生接觸，這就為接觸界面上發(fā)生上述還原反應提供了很好的條件，由于該界面反應的發(fā)生，CuO和鐵顆粒就能夠形成較好的界面結(jié)合，從而使CuO顆粒粘附包裹在鐵顆粒表面；該還原反應形成的界面結(jié)合力較高，包裹在鐵顆粒表面的CuO在運輸過程中也就不易脫落分離。由于上述還原反應具有較大的熱力學驅(qū)動力，在常溫空氣中就可以發(fā)生，因此本發(fā)明的混合過程中不需要使用保護氣氛，也不需要進行加熱。相反，如果使用了還原性的氣氛，則由于氣氛可能導致 CuO的還原，反而會抑制其與鐵顆粒的界面反應，妨礙CuO在鐵顆粒表面粘附包裹。并且，如果進行加熱混合，則由于溫度升高后，鐵容易被空氣中的氧所氧化，降低了其還原CuO的能力，也不利于CuO與鐵通過界面反應而形成良好結(jié)合。另外，由于在混合過程中，CuO與鐵直接通過界面反應而形成良好結(jié)合，因此在混合過程中無需使用添加劑，以免造成不可避免的雜質(zhì)殘留。
混合均勻的粉末放置在燒結(jié)爐中進行還原擴散處理，使用的氣氛為氫氣、氨分解氣或氨燃燒氣，其中實際具有還原作用的氣體均為H2。在還原擴散過程中，CuO與還原氣氛中的H2發(fā)生如下反應Cu0+H2=CU+H20Fe3O4與還原性氣氛中的H2發(fā)生如下反應 Fe304+4H2=3Fe+4H20在此過程中，原來混合粉中包復與鐵顆粒表面的CuO被還原成純銅，而混合過程中生成的!^e3O4也被還原成純鐵，同時，原料鐵粉中的少量氧化鐵也在此過程中被還原，這種還原過程還有活化燒結(jié)、促進擴散的作用，銅與鐵之間可通過相互擴散和固溶形成良好的界面冶金結(jié)合，因此，得到了銅包鐵復合粉。
本發(fā)明將還原擴散處理的溫度設定為60(T750°C。該溫度遠高于水的沸點 (IOO0C )，所以還原反應生成的H2O成為氣體，很容易隨爐氣排除，不會對還原后的粉末造成氧化等危害。在該溫度范圍內(nèi)進行還原擴散，一方面有利于還原反應迅速進行，縮短生產(chǎn)時間；另一方面，在該溫度范圍內(nèi)，銅和鐵有一定互溶，因而也有利于銅和鐵的相互擴散，使銅包鐵復合粉顆粒具有優(yōu)良的界面結(jié)合強度，用于粉末冶金制品生產(chǎn)時，壓制過程中，不會出現(xiàn)界面開裂而使鐵顆粒暴露出來。同時，在該溫度范圍處理時，原來包復在鐵顆粒表面的 CuO被還原成純銅，純銅之間也會發(fā)生擴散結(jié)合，并填充H2O逸出后形成的孔隙，從而使得鐵顆粒表面的銅層變得完整而致密。如果溫度低于600°C，則還原反應速度緩慢，生產(chǎn)周期較長，而且復合粉顆粒的界面擴散不充分，使用時包復在表面的銅容易脫落，使制品性能受到不利影響；如果溫度高于750°C，則粉末體整體燒結(jié)過于嚴重，不容易破碎。
本發(fā)明選擇還原擴散時間廣4小時。其目的是使還原反應和擴散過程充分進行， 以保證復合粉的純度、銅與鐵的良好界面結(jié)合以及銅包復層的致密性和完整性。如果處理時間少于lh，則還原和擴散均不充分，復合粉含氧量偏高，并且包復層不完整、不致密，粉末表觀色澤不良、使用性能不佳；如果處理時間超過4h，則一方面浪費能源和保護氣體，不利于節(jié)能降耗；另一方面粉末體整體燒結(jié)嚴重，不利于后續(xù)的破碎；同時還會延長生產(chǎn)周期， 降低效益。
本發(fā)明適合用于生產(chǎn)含銅量(重量百分數(shù))為59Γ40%的銅包鐵復合粉。如果含銅量低于5%，則銅太少，難以在鐵顆粒表面形成完整的包復層，不能起到保護鐵的作用；如果含銅量高于40%，則銅太多，混合過程中容易偏聚，還原擴散后有大量未包復在鐵顆粒上的游離銅顆粒存在，不利于銅的充分利用。
還原擴散處理完成后，需要在保護氣氛下冷卻至50°C以下才能出爐。其目的是防止高溫的粉末出爐后在空氣中受到氧化，使表面色澤變差，降低產(chǎn)品質(zhì)量。還原擴散處理后，銅包鐵復合粉顆粒之間也會產(chǎn)生一定的燒結(jié)而連接成較大的顆粒，但其結(jié)合面積小，結(jié)5合強度低，很容易被破碎成粉末冶金所需要的細小顆粒。
本發(fā)明的技術(shù)效果是(1)制備過程沒有有害物質(zhì)排放。本發(fā)明的技術(shù)中還原反應在兩個階段發(fā)生一是混粉過程中，鐵還原CuO生成!^e3O4和銅，其反應物和產(chǎn)物均為對環(huán)境沒有任何危害的固體物質(zhì)，并且都會參與后續(xù)的處理，該階段沒有任何排放；二是還原擴散處理過程中，H2還原CuO 和狗304，其生成物為銅、鐵和H2O,其中銅和鐵是所需要的產(chǎn)品，H2O作為廢氣排放到環(huán)境中， 對環(huán)境沒有任何危害；該過程中使用的過量吐和隊排放到環(huán)境中也對環(huán)境沒有任何危害， 因此，本發(fā)明的工藝是一種環(huán)保型技術(shù)。
(2)不損失有用金屬。本發(fā)明的所有反應過程均在固態(tài)下進行，原料中所含的銅和鐵不會在任何環(huán)節(jié)發(fā)生流失，其收得率為100%;有用的金屬得以全部利用，不造成金屬資源的浪費。因此，只需要控制原料粉的成分和配方，就可以使復合粉末的成分得到嚴格控制。
(3)沒有有害元素殘留于復合粉中。本發(fā)明除了原料粉以外，只使用了含吐的還原性氣氛，而沒有使用其它添加劑，因此不會有添加物元素的殘留，復合粉的純凈度具有充分的保障。
具體實施方式
下面通過制取500g不同成分銅包鐵復合粉的具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明(除另有說明外，以下成分均為重量百分數(shù))。
實施例一至八的成分配方見表2。
權(quán)利要求
1. 一種銅包鐵復合粉的制備方法，其所制備的銅包鐵復合粉的成分為銅含量(重量百分數(shù))59Γ40%，余量為鐵；該制備方法的步驟如下第一步，按照所需制備的銅包鐵復合粉成分和重量，稱取適量的CuO粉和純鐵粉； 已知銅的原子量為63. 55，氧的原子量為16 ；若需制備的銅包鐵復合粉中每100克復合粉含有χ克銅，制備的復合粉總量為1克；則稱取的 CuO 粉為 Wl=O. 0125XxXy (g)； 稱取的純鐵粉為WZq-xXy/lOO (g)； 第二步，將稱取的CuO粉和純鐵粉混合均勻；第三步，將混合均勻的粉末移入燒結(jié)爐中，在氫氣、氨分解氣或氨燃燒氣氛保護下進行還原擴散，還原擴散溫度60(T75(rC，還原擴散處理時間廣4小時；還原擴散完成后，繼續(xù)在保護氣氛中冷卻至50°C以下出爐；第四步，對還原擴散后的粉末體進行破碎、過篩后得到銅包鐵復合粉成品。
全文摘要
本發(fā)明公開一種銅包鐵復合粉的制備方法，銅包鐵復合粉的成分為銅含量5%~40%，余量為鐵；步驟如下按照所需制備的銅包鐵復合粉成分和重量，稱取適量的CuO粉和純鐵粉；將稱取的CuO粉和純鐵粉混合均勻；將混合均勻的粉末移入燒結(jié)爐中，在氫氣、氨分解氣或氨燃燒氣氛保護下進行還原擴散；對還原擴散后的粉末體進行破碎、過篩后得到銅包鐵復合粉成品。由于還原反應在兩個階段發(fā)生一是混粉階段沒有任何排放，二是還原擴散處理過程，H2O作為廢氣排放到環(huán)境中，對環(huán)境沒有任何危害；由于所有反應過程均在固態(tài)下進行，因此原料中所含的銅和鐵不會在任何環(huán)節(jié)發(fā)生流失，其收得率為100%；由于沒有使用其它添加劑，因此不會有添加物元素的殘留。
文檔編號B22F1/02GK102554220SQ201210049428
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者劉敏, 宋長江, 王勇 申請人:重慶大學