CN110369730B

CN110369730B - 一种铜包铁粉及其制备方法

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Publication number: CN110369730B
Application number: CN201910757218.4A
Authority: CN
Inventors: 何安西; 杨倩
Original assignee: Sichuan Junkesi Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Junkesi Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2039-08-16
Also published as: CN110369730A

Abstract

本发明提供了一种铜包覆铁粉及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将氧化铜粉和铁粉混合均匀，得到混合料粉；在由还原气体组成的保护性气氛中，将混合料粉升温至T₁并保温，然后升温至T₂并保温，继续升温至T₃并保温，再冷却至40℃以下，得到冷却产物，其中，250≤T₁＜600℃，600≤T₂＜690℃，690≤T₃＜820℃；将冷却产物进行破碎、筛选，得到铜包铁粉。所述铜包铁粉包括采用上述方法制备出的产品。本发明的有益效果包括：制备方法简便，且过程无污染排放；铜包铁粉的各项性能指标优异，粒度分布合理、易控，粉末体的流动性好、抗氧化性强，烧结制品收缩系数小。

Description

一种铜包铁粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合金属粉末的制备领域，特别地，涉及一种金属铜包覆铁的复合粉及制取方法。

背景技术

金属粉末是制造粉末冶金机械零件及含油轴承的主要原料，现有技术已由用单值纯金属粉末向包覆粉末、合金粉末方向发展。国内外小微含油轴承的制造一般均采用铜合金粉末为原料，出于含油轴承性能要求的提高和生产成本降低的需要，含油轴承生产企业已广泛开始金属铜包覆的铁复合粉为主要原料替代铜合金粉生产含油轴承。

日本保来得株式会社的CN1241250A专利公开了一种烧结轴承用复合金属粉末及含油烧结轴承的制取方法。用粉末总重量的10～30％纯铜包覆的复合铁粉制备含油轴承，在成型前的纯铜包铁粉末中加入0.1～2％的锡或铅等低熔点金属粉末，混合均匀后，成型压制烧结成含油轴承。

特公昭55-38019专利提出用30～60％的纯铜包铁粉制取含油轴承。此专利用纯铜包铁粉混合加入低熔点金属，压制烧结制取含油轴承，不足之处在于低熔点金属粉末与铜包铁粉混合时，由于各自密度相差大，混合时易出现偏析，影响含油轴承制品的力学性能，并且低熔点金属在含油轴承压制品烧结时，出现液相，加大含油轴承压制品的收缩率和变形，使得高精度的微细轴承尺寸精度难于控制。

CN1548261A专利提出了一种铜包覆铁粉的复合粉末制造方法。该方法是在搅拌状态下，把铁粉迅速加入掺有稳定剂并且PH值为0.5～4.8的硫酸铜溶液中，继续搅拌2～10分钟，沉降3～20分钟后，去掉上清液，加水洗净烘干，进行防氧化处理，包装成产品。

CN200610065023.6专利提出了一种铜包覆铁粉的生产方法。该方法是将铁粉在搅拌状态下，加入到10～20g/L的酸铜溶液中，让其在30～50℃温度下进行置换反应，铜沉积在铁粉表面，形成一层铜膜包覆在铁粉表面而获得产品。

CN100595006C专利提出了在铜的碱性蚀刻液中加入酸，使其调整PH值到2～4.5，铜离子浓度为10～20g/L，在搅拌状态下，把铁粉加入溶液中进行置换反应，铜沉积在铁粉表面，获得铜包覆的铁粉。

CN101254542A专利提出了一种黄铜包覆铁粉的生产方法。采用液相沉积法，使铁粉在铜盐和锌盐溶液中发生置换反应，让铜和锌沉积在铁粉表面，形成铜锌包覆层，经还原焙烧后得到黄铜包覆铁的复合粉。

以上专利的不足之处在于都是用化学置换法制取铜包覆铁的复合粉，即将铁粉加入硫酸铜溶液或其它铜盐溶液中，通过置换反应的方法获得铜包铁复合粉。此置换反应获得铜包铁复合粉方法存在以下几点不足：(1)采取铁粉加入硫酸铜溶液中，置换反应时硫酸铜溶液很快溶解消耗掉铁粉中的细粒级铁粉，使包覆后的复合粉粒度分布欠佳，影响压制微细轴承制品的成形性。 (2)置换反应沉积在铁粉表面的铜层疏层，易氧化，成型后制品的尺寸烧结收缩率大。(3)置换反应每生成一吨产品要外排放几十吨工业废水，污染环境。(4)产品中还残留酸根，降低了产品的使用性能。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种铜包覆铁粉及其制备方法，以解决现有技术对环境的污染问题并提高铜包覆铁的复合粉的产品质量。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种铜包铁粉的制备方法。

所述铜包铁粉的制备方法可包括以下步骤：将氧化铜粉和铁粉混合均匀，得到混合料粉，将混合料粉置于由还原气体组成的保护性气氛中并进行还原包覆处理，得到铜包铁粉，其中，混合料粉中Cu元素和Fe元素的质量比为 7.5～20.7：79～92；所述还原包覆处理的步骤包括：将混合料粉升温至T₁并保温5～40min，然后升温至T₂并保温20～50min，继续升温至T₃并保温15～ 30min，最后进行冷却，其中，250≤T₁＜600℃，600≤T₂＜690℃，690≤T₃＜820℃。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述氧化铜粉中CuO的质量分数可在98％以上，所述氧化铜粉的粒度可在74μm以下。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述铁粉中Fe元素的质量分数可在98％以上，所述铁粉的粒度可在200μm以下。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述还原气体可包括分解氨气、氢气、一氧化碳或煤气。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述还原气体可包括分解氨气、氢气、一氧化碳和煤气中的至少一种。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述还原气体的露点可低于-60 ℃。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述保护性气氛的压强可比外界压强高20～100Pa，例如50±10Pa。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述还原包覆处理可在连续式还原设备中进行，所述混合料粉在还原设备内的运动方向与还原气体的流动方向可相反。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述冷却的步骤可包括：以8～ 24℃/min的冷却速度冷却至40℃以下。例如以所述冷却的步骤包括：以15± 5℃/min的冷却速度冷却至室温。

根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述制备方法还可包括步骤：将所述还原包覆处理后得到的铜包铁粉进行粉碎、筛选。

本发明另一方面提供了一种铜包铁粉，所述铜包铁粉可包括采用上述方法制备出的产品，其中，铜包铁粉的粒径可在200μm以下，例如120μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：制备过程无污染排放，制备的铜包铁粉的各项性能指标优异、铜包铁粉的粒度分布合理、易控，粉末体的流动性好、抗氧化性强，烧结制品收缩系数小。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的铜包铁粉制备方法和现有还原方法的对比示意图；

图2示出了本发明的铜包铁粉的一个金相照片。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的铜包铁粉(又称为铜包覆铁的复合粉)及其制备方法。

本发明一方面提供了一种铜包铁粉的制备方法。

图1示出了本发明的铜包铁粉制备方法和现有还原方法的对比示意图，其中，(a)图示出了普通还原方法制备铜包铁粉的示意图，该方法制备出的产品存在铜粉不能完全包覆铁颗粒的问题；(b)图示出了本发明的还原方法制备铜包铁粉的示意图，本发明的金属铜能够完全包覆在铁粉颗粒表面，而且由金属铜构成的包覆层均匀致密。

根据本发明的一个示例性实施例，所述铜包铁粉的制备方法可包括以下步骤：

将氧化铜粉和铁粉混合均匀，得到混合料粉。其中，混合料粉中Cu元素和Fe元素的质量比可为7.5～20.7：79～92，例如8～18：79～92、10：89、 18：80等。氧化铜粉中CuO的质量分数可在98％以上，例如99％，粒度可在74μm以下，例如60±10μm。铁粉中Fe元素的质量分数可在98％以上，例如98.5％，所述铁粉的粒度可在200μm以下，进一步地，可在149μm以下，例如100±10μm。其中，混合粉料中选用Cu：Fe＝7.5～20.7：79～92是为了使制取的含油轴承产品能获得最佳的耐磨和降噪性能。

在由还原气体构成的保护性气氛中，将混合料粉升温至T₁并保温5～ 40min，例如保温25±10℃；再升温至T₂并保温20～50min，例如保温35± 10℃；继续升温至T₃并保温15～30min，例如保温25±5℃；最后冷却至40℃以下。其中，250≤T₁＜600℃，例如，400±100℃；600≤T₂＜690℃，例如650 ±30℃；690≤T₃＜820℃，例如750±50℃。其中，加热至T₁的升温速度可为 16～38℃/min，加热至T₂的升温速度可为6～22℃/min，加热至T₃的升温速度可为8～15℃/min。冷却速率可为8～24℃/min，冷却方式可包括惰性气体冷却和炉管外壁水冷。

将升温过程分为上述三个温度段是为了控制还原气氛与氧化铜的反应速度，使其还原后生成的铜原子在微观上发生迁移，铜原子先均匀的吸附覆盖在铁粉颗粒的表面，然后铜原子再与铁粉颗粒表面的铁原子形成冶金结合，形成表面全包覆效果(如图1中的(b)图所示)，进而实现本发明的技术目的。现有技术还原氧化铜颗粒后基本在原位形成铜粉颗粒粘附在铁粉颗粒表面，如图1中的(a)图所示，不能实现铁粉颗粒表面的全覆盖。

在本实施例中，所述还原气体包括分解氨气、氢气、一氧化碳和煤气中的一种或多种。

还原气体的露点可低于-60℃，例如-65℃、-70℃等，若还原气体的露点高了将会影响产品的氢损指标。

在本实施例中，所述还原包覆处理可在能够通保护气氛的还原设备中进行，例如还原炉、碳管炉、钟罩炉等。

还原设备可为连续式炉子，料粉运动方向与保护气体的流运动方向可相反，这样能够提高效率、并确保产品质量。

还原设备内(即炉腔内、还原反应的场所)的压力比炉外高△P，△P＝20～ 100Pa，这样可以保证炉内反应效果良好、安全，且用气量适当。若△P太低，小于20Pa，这不但会影响产品质量，还可能会因空气进入炉内引起***，存在安全风险；若△P太高，大于100Pa，则会影响到反应效果，并增加用气量。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：对冷却后的铜包铁粉进行破碎，以得到所需粒度的产品。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述铜包铁粉的制备方法包括以下步骤：

(1)按铜包铁复合粉中需包铜的重量百分比，按比例称取氧化铜粉和铁粉并一同倒入混料设备进行混合5至25分钟。

(2)充分混合均匀混合料粉，装入还原炉中进行还原包覆处理。其中，在还原气氛保护下，混合粉末在还原炉中还原氧化铜并同时进行包覆反应，还原包覆处理温度分三段进行：一段250～600℃、二段600～690℃、三段 690～820℃，保温时间为30～120分钟，炉内压力高于炉外20～100Pa，然后在保护气氛下冷却至40℃以下出炉。

(3)出炉料块粉碎过筛后包装为产品。

还原包覆处理设备可用工业上广泛使用的可通保护气氛的还原炉、碳管炉、钟罩炉等。连续式炉子的料粉运动方向与保护气体的流运动方向相反，还原气体可用分解氨、氢气、一氧化碳、煤气等，气氛露点低于-60℃度。

根据上述两个示例性实施例制备出的铜包铁粉的成分、及各成分含量(质量百分比计)可为：铜7.5～20.7％、铁79～92％、其它0.2～1.5％。例如铜 20.4％、铁79.3％，余下为工业原料允许的杂质，该成分的铜包铁粉制取的到的含油轴承产品能够具有优异的耐磨和降噪性能。

所述铜包铁粉的粒度可在200μm以下，进一步地，可在180μm以下，例如140±20μm。粉末的包覆率可在90％以上，例如95±2％。

本发明另一方面提供了一种铜包铁粉。所述铜包铁粉可包括彩采用上述方法制备出的产品。

图2示出了本发明制备出的铜包铁粉的一个金相照片，从图中可以看出铜包铁粉粒度表面被铜全覆盖，分布均匀、达到了化学包铜(即化学置换法) 等同的包覆效果。化学包铜时，海绵状的铁粉颗粒内会残留酸根物资，影响产品零件的质量，且化学包铜时铜覆盖层还遮挡海绵状的铁粉空隙，影响产品的含油率。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

铜包铁粉的制备方法包括以下步骤：

(1)称取工业级氧化铜粉255克；氧化铜粉化学成分如表1所示。

表1

名称	含量(质量分数％)
		氧化铜(CuO)	98.46
盐酸不溶物	0.15
		氯化物(Cl)	0.013
硫化合物(以SO<sub>4</sub>计)	0.12
		铁(Fe)	0.09
总氮量(N)	——
		水溶物	0.92

氧化铜粉粒径都在74μm以下。

(2)称取还原铁粉800克。其中，铁粉化学成分如表2所示，铁粉的物理性质如表3所示。

表2

成分	总Fe	Mn	Si	C	S	P	盐酸不溶物	氢损
									质量分数％	98.37	0.43	0.11	0.07	0.03	0.02	0.32	0.39

表3

(3)将称取的氧化铜和铁粉在V形混料器中混合15分钟。

(4)混合均匀后取出装舟放入通分解氨气的管式还原炉中进行还原和包覆处理。其中，分解氨气露点-65℃，炉内压力高于炉外20～100Pa。还原和包覆处理的温度制度分为三段：一段350℃、二段640℃、三段780℃，处理时间110分钟。处理后的物料氢气保护冷却至室温出炉。

(5)出炉物料经粉碎过筛后得到产品。

制备得到的铜包铁复合粉的化学成分如表4所示，物理性能如表5所示。

表4(质量分数％)

Cu	Fe	Mn	Si	C	S	P	盐酸不溶物	氢损
									19.56	79.13	0.45	0.10	0.03	0.01	0.01	0.21	0.25

表5

综上所述，本发明的铜包铁粉及其制备方法的优点包括：

(1)用氧化铜和还原铁粉为原料，通过还原包覆处理制取铜包铁复合粉避免了化学置换法包铜的污水排放，一吨产品减少有害污水排放20吨以上，做到无污染排放。

(2)制备的铜包铁复合粉的各项工艺性能指标优异，粉末中不含酸根，压制时的流动性好，压制零件单重偏差小。而化学置换法包铜的复合粉在生产含油轴承的压制中，由于表面的铜包覆层松软，易流变降低产品的空隙率，最终以使轴承含油率难提高。

(3)由于本发明包覆的金属铜在铁粉颗粒表面覆盖均匀致密、结合力强、无酸根残留，包覆后的粉末粒度分布合理、易控，粉末体的流动性好，抗氧化性强，烧结制品收缩系数小，使得含油轴承的零件精度易于控制，其产品 (即含油轴承)的含油率可提高3～15％，使用寿命可提高5～20％，电机噪音可降低3～10％。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

将氧化铜粉和铁粉混合均匀，得到混合料粉，将混合料粉置于由还原气体组成的保护性气氛中并进行还原包覆处理，得到铜包铁粉，其中，

混合料粉中Cu元素和Fe元素的质量比为7.5～20.7：79～92；

所述还原包覆处理的步骤包括：将混合料粉升温至T₁并保温5～40min，然后升温至T₂并保温20～50min，继续升温至T₃并保温15～30min，最后进行冷却，其中，250≤T₁＜600℃，600≤T₂＜690℃，690≤T₃＜820℃；

加热至T₁的升温速度为16～38℃/min，加热至T₂的升温速度为6～22℃/min，加热至T₃的升温速度为8～15℃/min；

所述还原气体的露点低于-60℃。

2.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述氧化铜粉中CuO的质量分数在98％以上，所述氧化铜粉的粒度在74μm以下。

3.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述铁粉中Fe元素的质量分数在98％以上，所述铁粉的粒度在200μm以下。

4.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述还原气体包括分解氨气、氢气、一氧化碳和煤气中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述保护性气氛的压强比外界压强高20～100Pa。

6.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述还原包覆处理在连续式还原设备中进行，所述混合料粉在还原设备内的运动方向与还原气体的流动方向相反。

7.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述冷却的步骤包括：以8～24℃/min的冷却速度冷却至40℃以下。

8.根据权利要求1所述的铜包铁粉的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：

将所述还原包覆处理后得到的铜包铁粉进行粉碎、筛选。

9.一种铜包铁粉，其特征在于，所述铜包铁粉包括采用权利要求1至8中任意一项所述铜包铁粉的制备方法所制备出的产品，其中，所述铜包铁粉的粒度在200μm以下。