CN102554220A - 一种铜包铁复合粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜包铁复合粉的制备方法，铜包铁复合粉的成分为：铜含量5%~40%，余量为铁；步骤如下：按照所需制备的铜包铁复合粉成分和重量，称取适量的CuO粉和纯铁粉；将称取的CuO粉和纯铁粉混合均匀；将混合均匀的粉末移入烧结炉中，在氢气、氨分解气或氨燃烧气氛保护下进行还原扩散；对还原扩散后的粉末体进行破碎、过筛后得到铜包铁复合粉成品。由于还原反应在两个阶段发生：一是混粉阶段没有任何排放，二是还原扩散处理过程，H2O作为废气排放到环境中，对环境没有任何危害；由于所有反应过程均在固态下进行，因此原料中所含的铜和铁不会在任何环节发生流失，其收得率为100%；由于没有使用其它添加剂，因此不会有添加物元素的残留。
Description
技术领域
本发明涉及一种粉末冶金材料的制备方法，特别是涉及一种没有含硫、氯等有害废液排放，且不损失铁和铜的环保型的铜包铁复合粉的制备方法。
背景技术
采用铜包铁复合粉末制备的粉末冶金制品既具有铁基材料的高强度，又具有铜基材料的优良耐腐蚀性和美观的色泽，同时由于每一颗铁粉都被铜包裹起来，其成分分布均匀，因而制品也可以避免成分偏析造成的组织和性能不均匀现象。因此，铜包铁复合粉在粉末冶金领域具有很好的应用前景。目前，铜包铁复合粉已经开发成功并实现产业化，在含油轴承、金刚石锯片胎体等方面得到工业化应用。
目前工业上生产铜包铁复合粉的方法主要是化学镀技术(化学镀是一个专业术语，即在不通电的情况下，通过化学反应过程在基体表面形成镀层的过程)，其基本过程是基于化学置换的原理，将铁粉加入含铜离子的溶液中，在控制pH值、搅拌、适当的温度等条件下，通过以下置换反应：
Fe+Cu2+=Fe2++Cu
使铁将溶液中的Cu置换出来，并在铁粉表面结晶，而后经过清洗、干燥等工序得到铜包铁复合粉末。
中国发明专利CN1209216C提出的方法是在搅拌状态下，把还原铁粉迅速加入掺有稳定剂且pH值为0.5~4.8的硫酸铜溶液中，继续搅拌一定时间，使铜完全包覆在铁粉颗粒的表面，即形成铜包铁复合粉，然后经沉降、洗涤、干燥、筛分、防氧化等处理得到产品。中国发明专利CN1730209A的方法与CN1209216C基本相同，只是其pH值变为0.1~6.5。中国发明专利CN101116909A也采用了类似的置换包覆技术，但该专利是以含铜碱性蚀刻废液和酸性蚀刻废液为原料，pH值设定在2~4.5。
这类置换包复技术必须使用酸性的含铜溶液。反应过程中溶液产生的蒸汽以及反应以后产生的废液，都会对环境造成很大危害；同时，从前述反应方程式可知，每产生1摩尔的纯铜，就有1摩尔的纯铁进入废液，亦即每得到63.55克的纯铜，就要损失掉55.85克的纯铁；加之该置换反应过程中不可避免地会有少量铜无法被还原而进入废液。因此，这种技术不仅不利于环境保护，而且造成铁和铜资源的浪费。
也有采用扩散烧结法生产铜包铁复合粉的技术。其基本过程是将还原态的纯铜粉和纯铁粉直接混合均匀，然后在一定温度下、在还原性气氛保护中进行烧结，使铜和铁发生相互扩散，从而在铁颗粒表面得到包复的铜层。这种方法的最大问题是混合过程中铜颗粒不可能均匀地粘附在铁颗粒表面，而且混合后粘附在铁表面的铜与铁是一种机械结合，其结合强度很低，加之铁（7.8g/cm3）与铜（8.9g/cm3）的密度不同，在转运到扩散烧结炉的过程中，还会发生脱落和偏聚，因而得到的复合粉中，铜很难在铁表面形成完整的包复层；同时，由于采用纯铜和纯铁直接混合烧结，缺乏活化烧结机制（活化烧结是粉末冶金中的一个常用术语，本质上就是通过一些技术手段来加快扩散和烧结速度的方法），铜和铁之间的扩散连接较慢，为了达到良好的扩散包复效果，必须采用较高的扩散烧结温度（通常在800℃以上），其得到的产品整体烧结较为严重，后续破碎需要的能量较大，而在高能量破碎过程中，不仅包复好的颗粒之间发生分离，而且部分包复在铁颗粒表面的铜颗粒也脱落下来，进一步降低了包复层的完整性。暴露出来的铁容易氧化变色，导致产品颜色变差，用于粉末冶金行业，其产品的耐蚀性也难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种铜包铁复合粉的制备方法，该方法既有利于环境保护，又有利于金属资源的高效利用，同时能够保证铜包铁复合粉质量。
本发明所述的一种铜包铁复合粉的制备方法，其所制备的铜包铁复合粉成分为：Cu含量（重量百分数）5%~40%，余量为铁；该方法的具体步骤如下：
第一步，按照设定的铜包铁复合粉成分，分别称取适量的CuO粉和铁粉；
已知铜的原子量为63.55，氧的原子量为16；若需制备的铜包铁复合粉中每100克复合粉含有x克铜，制备的复合粉总量为y克；
则称取的CuO粉为W1=0.0125×x×y（g）；
称取的纯铁粉为W2=y-x×y/100（g）；
第二步，将称取的CuO粉和纯铁粉置于球磨机或混料机中混合均匀；混合过程无需保护气氛，也不需要加热；混合时间根据物料重量而定，直至粉末颜色均匀。
第三步，将混合均匀的粉末移入烧结炉中，在氢气、氨分解气或氨燃烧气氛保护下进行还原扩散，还原扩散温度600~750℃，还原扩散处理时间1~4小时；还原扩散完成后，继续在保护气氛中冷却至50℃以下出炉。
第四步，对还原扩散后的粉末体进行破碎、过筛后得到成品。
本发明以CuO粉和纯铁粉为原料，根据热力学的基本知识可知，常温下，氧化铁（包括Fe2O3、Fe3O4和FeO）的标准生成吉布斯自由能低于CuO，表1列出了几种物质在25℃时的标准生成吉布斯自由能。
因此，常温下铁还原CuO是一个自发的过程，根据各氧化物的热力学性质，下列反应最容易发生：
3Fe+4CuO=Fe3O4+4Cu
当CuO粉和纯铁粉在球磨机或混料机中混合时，CuO和铁颗粒必然发生接触，这就为接触界面上发生上述还原反应提供了很好的条件，由于该界面反应的发生，CuO和铁颗粒就能够形成较好的界面结合，从而使CuO颗粒粘附包裹在铁颗粒表面；该还原反应形成的界面结合力较高，包裹在铁颗粒表面的CuO在运输过程中也就不易脱落分离。由于上述还原反应具有较大的热力学驱动力，在常温空气中就可以发生，因此本发明的混合过程中不需要使用保护气氛，也不需要进行加热。相反，如果使用了还原性的气氛，则由于气氛可能导致CuO的还原，反而会抑制其与铁颗粒的界面反应，妨碍CuO在铁颗粒表面粘附包裹。并且，如果进行加热混合，则由于温度升高后，铁容易被空气中的氧所氧化，降低了其还原CuO的能力，也不利于CuO与铁通过界面反应而形成良好结合。另外，由于在混合过程中，CuO与铁直接通过界面反应而形成良好结合，因此在混合过程中无需使用添加剂，以免造成不可避免的杂质残留。
混合均匀的粉末放置在烧结炉中进行还原扩散处理，使用的气氛为氢气、氨分解气或氨燃烧气，其中实际具有还原作用的气体均为H2。在还原扩散过程中，CuO与还原气氛中的H2发生如下反应：
CuO+H2=Cu+H2O
Fe3O4与还原性气氛中的H2发生如下反应：
Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O
在此过程中，原来混合粉中包复与铁颗粒表面的CuO被还原成纯铜，而混合过程中生成的Fe3O4也被还原成纯铁，同时，原料铁粉中的少量氧化铁也在此过程中被还原，这种还原过程还有活化烧结、促进扩散的作用，铜与铁之间可通过相互扩散和固溶形成良好的界面冶金结合，因此，得到了铜包铁复合粉。
本发明将还原扩散处理的温度设定为600~750℃。该温度远高于水的沸点（100℃），所以还原反应生成的H2O成为气体，很容易随炉气排除，不会对还原后的粉末造成氧化等危害。在该温度范围内进行还原扩散，一方面有利于还原反应迅速进行，缩短生产时间；另一方面，在该温度范围内，铜和铁有一定互溶，因而也有利于铜和铁的相互扩散，使铜包铁复合粉颗粒具有优良的界面结合强度，用于粉末冶金制品生产时，压制过程中，不会出现界面开裂而使铁颗粒暴露出来。同时，在该温度范围处理时，原来包复在铁颗粒表面的CuO被还原成纯铜，纯铜之间也会发生扩散结合，并填充H2O逸出后形成的孔隙，从而使得铁颗粒表面的铜层变得完整而致密。如果温度低于600℃，则还原反应速度缓慢，生产周期较长，而且复合粉颗粒的界面扩散不充分，使用时包复在表面的铜容易脱落，使制品性能受到不利影响；如果温度高于750℃，则粉末体整体烧结过于严重，不容易破碎。
本发明选择还原扩散时间1~4小时。其目的是使还原反应和扩散过程充分进行，以保证复合粉的纯度、铜与铁的良好界面结合以及铜包复层的致密性和完整性。如果处理时间少于1h，则还原和扩散均不充分，复合粉含氧量偏高，并且包复层不完整、不致密，粉末表观色泽不良、使用性能不佳；如果处理时间超过4h，则一方面浪费能源和保护气体，不利于节能降耗；另一方面粉末体整体烧结严重，不利于后续的破碎；同时还会延长生产周期，降低效益。
本发明适合用于生产含铜量（重量百分数）为5%~40%的铜包铁复合粉。如果含铜量低于5%，则铜太少，难以在铁颗粒表面形成完整的包复层，不能起到保护铁的作用；如果含铜量高于40%，则铜太多，混合过程中容易偏聚，还原扩散后有大量未包复在铁颗粒上的游离铜颗粒存在，不利于铜的充分利用。
还原扩散处理完成后，需要在保护气氛下冷却至50℃以下才能出炉。其目的是防止高温的粉末出炉后在空气中受到氧化，使表面色泽变差，降低产品质量。还原扩散处理后，铜包铁复合粉颗粒之间也会产生一定的烧结而连接成较大的颗粒，但其结合面积小，结合强度低，很容易被破碎成粉末冶金所需要的细小颗粒。
本发明的技术效果是：
（1）制备过程没有有害物质排放。本发明的技术中还原反应在两个阶段发生：一是混粉过程中，铁还原CuO生成Fe3O4和铜，其反应物和产物均为对环境没有任何危害的固体物质，并且都会参与后续的处理，该阶段没有任何排放；二是还原扩散处理过程中，H2还原CuO和Fe3O4，其生成物为铜、铁和H2O，其中铜和铁是所需要的产品，H2O作为废气排放到环境中，对环境没有任何危害；该过程中使用的过量H2和N2排放到环境中也对环境没有任何危害，因此，本发明的工艺是一种环保型技术。
（2）不损失有用金属。本发明的所有反应过程均在固态下进行，原料中所含的铜和铁不会在任何环节发生流失，其收得率为100%；有用的金属得以全部利用，不造成金属资源的浪费。因此，只需要控制原料粉的成分和配方，就可以使复合粉末的成分得到严格控制。
（3）没有有害元素残留于复合粉中。本发明除了原料粉以外，只使用了含H2的还原性气氛，而没有使用其它添加剂，因此不会有添加物元素的残留，复合粉的纯净度具有充分的保障。
具体实施方式
下面通过制取500g不同成分铜包铁复合粉的具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明（除另有说明外，以下成分均为重量百分数）。
实施例一至八的成分配方见表2。
实施例一：将纯铁粉和CuO粉放入球磨机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在氨燃烧气氛中进行还原扩散处理，处理温度650℃，处理时间2.5h，处理结束后，待温度降低至50℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有5%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例二：将纯铁粉和CuO粉放入球磨机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在氨燃烧气氛中进行还原扩散处理，处理温度630℃，处理时间3h，处理结束后，待温度降低至50℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）10%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例三：将纯铁粉和CuO粉放入V型混料机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在氨分解气氛中进行还原扩散处理，处理温度600℃，处理时间4h，处理结束后，待温度降低至40℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）15%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例四：将纯铁粉和CuO粉放入双锥混料机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在氨分解气氛中进行还原扩散处理，处理温度680℃，处理时间2.5h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）20%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例五：将纯铁粉和CuO粉放入卧式混料机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在氨分解气氛中进行还原扩散处理，处理温度650℃，处理时间3h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）25%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例六：将纯铁粉和CuO粉放入球磨机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在工业纯氢气氛中进行还原扩散处理，处理温度700℃，处理时间2h，处理结束后，待温度降低至40℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）30%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例七：将纯铁粉和CuO粉放入双锥混料机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在工业纯氢气氛中进行还原扩散处理，处理温度730℃，处理时间1.5h，处理结束后，待温度降低至40℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）35%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例八：将纯铁粉和CuO粉放入球磨机中混合均匀，然后移入烧结炉中，在工业纯氢气氛中进行还原扩散处理，处理温度750℃，处理时间2.5h，处理结束后，待温度降低至40℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有（重量百分数）40%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀、完整地包复了一层铜。
实施例九：采用与实施例一相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为氨分解气，处理温度为680℃，处理时间1.5h，处理结束后，待温度降低至50℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有5%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十：采用与实施例二相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为工业纯氢，处理温度为750℃，处理时间1h，处理结束后，待温度降低至50℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有10%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十一 ：采用与实施例三相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为氨燃烧气，处理温度为700℃，处理时间3.5h，处理结束后，待温度降低至50℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有15%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十二：采用与实施例四相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为工业纯氢，处理温度为650℃，处理时间2h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有20%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十三：采用与实施例五相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为氨燃烧气，处理温度为750℃，处理时间4h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有25%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十四：采用与实施例六相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为氨分解气，处理温度为730℃，处理时间3.5h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有30%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十五：采用与实施例七相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为氨分解气，处理温度为750℃，处理时间3h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有35%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
实施例十六：采用与实施例八相同的配方和混料方式，不同的是还原扩散的保护气氛为氨分解气，处理温度为750℃，处理时间4h，处理结束后，待温度降低至45℃出炉。然后经破碎、筛分后得到含有40%Cu、余量为Fe的铜包铁复合粉，其中铁颗粒表面均匀地包复了一层铜。
结论：上述实施例表明，采用本发明的技术，可以生产出铜层完整、均匀地包复在铁颗粒表面的铜包铁复合粉；原料粉中加入的铜和铁完全保留在复合粉成品中，没有有用材料的损失。并且生产过程中无有害固体、液体和/或气体废物排放，对环境不会造成危害。
Claims (1)
1.一种铜包铁复合粉的制备方法，其所制备的铜包铁复合粉的成分为：铜含量（重量百分数）5%~40%，余量为铁；该制备方法的步骤如下：
第一步，按照所需制备的铜包铁复合粉成分和重量，称取适量的CuO粉和纯铁粉；
已知铜的原子量为63.55，氧的原子量为16；若需制备的铜包铁复合粉中每100克复合粉含有x克铜，制备的复合粉总量为y克；
则称取的CuO粉为W1=0.0125×x×y（g）；
称取的纯铁粉为W2=y-x×y/100（g）；
第二步，将称取的CuO粉和纯铁粉混合均匀；
第三步，将混合均匀的粉末移入烧结炉中，在氢气、氨分解气或氨燃烧气氛保护下进行还原扩散，还原扩散温度600~750℃，还原扩散处理时间1~4小时；还原扩散完成后，继续在保护气氛中冷却至50℃以下出炉；
第四步，对还原扩散后的粉末体进行破碎、过筛后得到铜包铁复合粉成品。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120711 |