專利名稱：一種鐵基黃銅粉末冶金材料及制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵基黃銅粉末冶金材料及制造方法，它 是一門重要的材料制造技術(shù)，是粉末冶金工業(yè)中燒結(jié)金屬含油軸承以及制造機械結(jié)構(gòu)零 件和硬質(zhì)合金，金剛石制品所需的一種特殊的，替代銅粉的鐵基黃銅粉末的制造方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代機械制造工業(yè)中，軸承材料是一類重要的機械結(jié)構(gòu)材料，機器與機構(gòu)中的所 有轉(zhuǎn)動零件都需要用軸承、軸瓦或軸套來支承。由于現(xiàn)代機器與機構(gòu)的動轉(zhuǎn)速度和負荷 在急劇增高，以及由于宇航、核能及低溫技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)有的軸承材料中，按照使用 壽命和在不同的條件下工作的可能性，燒結(jié)金屬軸承材料的應(yīng)用都占第一位，現(xiàn)已成為 汽車、家電、音響設(shè)備、辦公設(shè)備、食品機械、農(nóng)業(yè)機械、微小型電機、精密機械等發(fā) 展不可缺少的一類基礎(chǔ)零件。據(jù)有關(guān)資料顯示，在2006年日本燒結(jié)金屬含油軸承的產(chǎn)量 約為卯OO噸，平均每個日本人身邊的機器中裝有IO只含油軸承，而我國不足5只。這 些微小型的金屬含油軸承用傳統(tǒng)的金屬滾珠軸承的加工方法是無法制造的，而是采用粉 末冶金方法，用鐵粉與銅粉相混合或使用銅包鐵粉，青銅粉制造。用鐵粉與銅粉相混合 時，由于鐵粉與銅粉的粒度和松裝密度相差較大，容易產(chǎn)生成分偏析，造成燒結(jié)軸承金 相組織不均勻，強度不均勻，磨合性差，摩擦系數(shù)大，噪聲大等缺陷；用銅包鐵粉制造 時，由于銅與鐵包復不完全，有的鐵粉未被銅包復，加之銅層與鐵粉顆粒的包復強度不 夠，容易產(chǎn)生銅層脫落，制造金屬含油軸承時，易出現(xiàn)黑點，花斑，強度差，成型性差， 露鐵的地方對轉(zhuǎn)動軸磨損較大，使用壽命短等缺陷，是較粗級的粉末；而用青銅粉制造 含油軸承，由于銅價格的猛漲，導致生產(chǎn)成本劇增，產(chǎn)品價格過高，市場難接受。有關(guān) 資料顯示，我國2006年鐵基粉末冶金零件的產(chǎn)量比2005年增長19%，而銅基零件卻下 降29%。這是由于銅粉等有色金屬價格增長過高所致。另一方面，從含油軸承的產(chǎn)量來 看，2006年與2005年相比，鐵基含油軸承的產(chǎn)量增長39%，而銅基含油軸承產(chǎn)量減低 了31%，由于銅粉價格上漲，銅基含油軸承在大量改用鐵基含油軸承。據(jù)粉末冶金有關(guān)資料顯示，我國2006年電動工具零件市場比2005年增長29.25% 汽車零件市場增長28.3%，摩托車零件市場增長12.3%。這表明，在我國汽車產(chǎn)業(yè)超常速 度發(fā)展帶動下，粉末冶金零件生產(chǎn)已進入汽車零件發(fā)展階段。日本2006年汽車產(chǎn)量約 1200萬輛，共使用粉末冶金零件97690噸，燒結(jié)金屬含油軸承產(chǎn)量為7964噸，用于汽車 等車輛為4371噸，平均每輛汽車用粉末冶金零件的重量，日本8.7kg、美國19.8kg、我 國3.97kg。 2006年我國生產(chǎn)的727.97萬輛汽車中，平均每輛使用粉末冶金零件重量只 有3.97kg。而這些汽車都使用鐵基材料和青銅材料。由于鐵基材料耐蝕性差，易生銹， 使用壽命短；青銅基材料耐蝕性好，但強度差，生產(chǎn)成本高。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種鐵基黃銅粉末冶金材料及其制備工藝,是粉末冶金工業(yè)中燒結(jié)金屬含 油軸承以及制造機械零件和硬質(zhì)合金、金剛石制品所需的一種特殊的，替代銅粉、銅包 鐵粉、青銅粉的理想材料。本發(fā)明所述的鐵基黃銅粉末是根據(jù)鐵與硫酸銅的反應(yīng)，即把鐵片放入硫酸銅溶液中， 在鐵片表面上就覆蓋了一層紅色的銅。鐵能置換硫酸銅溶液中的銅，這就是置換反應(yīng)以 及根據(jù)電化學理論在電鍍中的應(yīng)用(基體金屬對鍍層的影響)，在電解液中，如果基體金 屬的電位負于鍍層金屬，由于存在化學置換，不易獲得結(jié)合良好的鍍層，例如鋼鐵件 在酸性鍍銅液中，當沒有電流通過時。銅離子被置換而附在制件表面，該鍍層通常稱為 "置換鍍層"或者"接觸鍍層"，首先制得表面包覆銅的鐵、銅粉，然后，在鐵銅粉中加 入金屬鋅粉，經(jīng)熱處理擴散制得紅色、黃色、金黃色、青黃色的鐵基黃銅包覆粉。其原料中包含鐵、銅和鋅，它們的含量如下，以鐵粉的重量100份計，銅為鐵粉重量 的3-25%，鋅為銅重量的3-40%，可通過調(diào)配銅、鋅之間的重量百分比，改變材料的顏色 (可為黃色、金黃色、暗黃色以及紅色、暗紅色)。 上述鐵基黃銅粉材料的制備工藝為(1) 銅鹽溶液的配制稱取銅鹽15-55 kg，用100 kg自來水溶解并過濾備用；(2) 光亮劑的配制按0. 01-0. 07g/L的促進劑TMTD, 0. 01-0. 07g/L的硫脲溶于300-500mL甲醛水溶液 中備用；(3) 將經(jīng)過濾的銅鹽溶液抽入置換器內(nèi)，攪拌混勻；(4) 向步驟(3)中的銅鹽溶液中加入活化劑5-9g/L，光亮劑0. 01-0. 018g/L，并 加入自來水使溶液體積至400-450L;(5) 繼續(xù)攪拌，并緩慢均勻地加入100 kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，鐵粉顆 粒表面被銅包覆，顏色呈深紅色；(6) 將步驟(5)的溶液沉清后，采用虹吸方法吸去上清液，脫水并干燥處理，得 暗紅色粉末；(7) 將己干燥的暗紅色粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經(jīng)250-80(TC熱處 理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包 覆粉末小塊；(8) 將銅鐵包覆粉末小塊經(jīng)破碎后，用100目過篩處理，裝入混粉機，加入銅鐵 包覆粉末中銅重量的3-40%金屬鋅粉，在混粉機中混合均勻；(9) 將步驟(8)所得的銅鐵包覆粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中，經(jīng)400-700 t:熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成紅色、黃色或青黃色 的銅鋅包覆層，制得輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉末；(10) 將輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉塊經(jīng)破碎后，按用戶對產(chǎn)品粒度的要求進行篩分級；(11) 經(jīng)篩分過的鐵基黃銅粉末，再按用戶對產(chǎn)品松裝密度、流動性等的要求，用 混粉機混合，取樣檢驗合格后，包裝，入庫。在上述制備工藝中，銅鹽可采用氯化銅、氰化銅、硫酸銅等。在這些銅鹽中，硫酸 銅它具有成分簡單、價格便宜、生產(chǎn)成本低，且易于控制、操作容易穩(wěn)定、市場易購等 優(yōu)點。所以鐵基黃銅包覆粉的制備使用五水硫酸銅(CuS045H20).鐵基黃銅包覆粉的制備中所述活化劑是硫酸。因硫酸在溶液中能降低溶液的電阻， 使溶液中鐵離子與銅離子的電位差縮小，使銅離子在鐵離子表面較快沉淀，并能防止硫 酸銅水解生成氧化亞銅或其它鹽類沉淀。硫酸的用量可在較大范圍變化。攪拌的作用是使硫酸銅溶液，活化劑，光亮劑充分混合均勻，可加快沉淀速度，使包 覆層均勻。本鐵基黃銅粉末可用在制造燒結(jié)金屬含油軸承、硬質(zhì)合金、金剛石制品、添加劑以及 制造各種機械零件的替代銅粉、銅包鐵粉，部分替代青銅粉的而且不含鉛的環(huán)保節(jié)能的理想材料。本發(fā)明的優(yōu)點如下本鐵基黃銅粉，由于采用了化學置換法，先將銅置換在鐵粉顆 粒表面，得到銅鐵基礎(chǔ)層，經(jīng)第一道熱處理，使銅緊緊地融合擴散在鐵粉顆粒表面，解 決了銅與鐵粉顆粒的緊密度和強度，用100目過篩處理后，裝入混粉機，加入銅鐵基礎(chǔ)粉中銅含量的3-40%金屬鋅粉，混合后，經(jīng)第二道熱處理，在高溫下使鋅熔化與銅形成銅鋅合金(黃銅)，對鐵粉顆粒進行再次包覆，很好地解決了銅包鐵粉銅層與鐵粉包復不完 全和包復強度不夠，銅層容易脫落，制品易出現(xiàn)黑點，強度差，露鐵的地方對轉(zhuǎn)動軸磨 損大，使用壽命短等缺陷。制造的鐵基黃銅粉的抗氧化性能比銅包鐵粉(是單質(zhì)銅包鐵) 好，不用抗氧化處理，降低了生產(chǎn)成本。因此采用鐵基黃銅粉制造含油軸承與用鐵、銅 混合粉、銅包鐵粉制造的含油軸承相比較，具有以下優(yōu)點1、 成型性好，強度高，耐腐蝕，抗氧化性好；2、 耐磨，摩擦系數(shù)好，噪聲低；3、 能承受高負荷，高轉(zhuǎn)速，有良好的振動負載能力，在同等使用條件下比銅包鐵粉， 鐵銅混合粉制造的含油軸承使用壽命延長70-100%;4、 與青銅材料相比較(1) 鐵基黃銅粉末材料不含鉛，符合歐盟ROHS指令要求；(2) 不需要太多昂貴的有色金屬材料，制造成本很低，為青銅材料的1/15-1/20左右， 可節(jié)約金屬銅60-70%;(3) 可替代銅基、銅包鐵粉，部分替代青銅粉材料。
具體實施方式
實施例1:1、 銅鹽溶液的配制稱取五水硫酸銅15kg，用100kg潔凈自來水溶液并過濾待用。2、 光亮劑的配制將25g促進劑TMTD， 25g硫脲同溶于500 mL甲醛水溶液待用。3、 將步驟1的硫酸銅溶液抽入置換器內(nèi)攪拌，加潔凈自來水調(diào)溶液體積為400L。4、 在步驟3溶液內(nèi)加入5mL/L硫酸，0.01mL/L光亮劑攪拌均勻。5、 繼續(xù)攪拌15分鐘后，緩慢均勻地加入100kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，(這時溶液表面有許多小氣泡，鐵粉顆粒表面已被銅包覆，顏色呈深紅色。)
6、 溶液沉清后，采用虹吸方法吸去大部分上清液，放入離心機脫水操作10-20分鐘， 取出分裝于不銹鋼盤內(nèi)，送入烘箱經(jīng)70-15(TC， 20-70分鐘干燥。
7、 將已干燥的暗紅色粉末，裝入燒舟內(nèi)，送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經(jīng) 250-80(TC， 20-70分鐘熱處理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的 玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包覆粉末小塊。
8、 松散的銅鐵包覆粉末小塊經(jīng)破碎后，用100目過篩處理，裝入混粉機，加入約1.2 kg金屬鋅粉，在混粉機18-25轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下，經(jīng)20-60分鐘混合待用。
9、 將步驟8的銅、鋅混合粉末，裝入燒舟內(nèi)，送入有還原保護氣氛的熱處理中，經(jīng) 400-700°C， 20-70分鐘熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成 紅色、黃色或青黃色的銅鋅(黃銅)合金包覆層，將得輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉末。
10、 輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉塊，經(jīng)破碎后，按用戶對產(chǎn)品粒度的要求進行篩分級。
11、 將己篩分級的鐵基黃銅粉，裝入混粉機，按用戶對產(chǎn)品松裝密度和流動性的要 求，在混粉機18-25轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，混合3-10分鐘，放出按取樣規(guī)則進行取樣檢驗。
12、 經(jīng)檢驗合格后，按每袋25kg檢斤包裝，成為產(chǎn)品入庫。
實施例2:
1、 銅鹽溶液的配制
稱取氯化銅80kg，用200kg潔凈自來水溶解并過濾待用。
2、 光亮劑的配制
將25g促進劑TMTD， 25g硫脲同溶于500 mL甲醛水溶液待用。
3、 將步驟l的硫酸銅溶液抽入置換器內(nèi)，攪拌，加潔凈自來水調(diào)溶液體積為450L。
4、 在步驟3溶液中加入9mL/L硫酸，0.018mL/L光亮劑攪拌均勻。
5、 繼續(xù)攪拌15分鐘后，緩慢均勻地加入100kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，(這 時溶液表面有許多小氣泡，鐵粉顆粒表面已被銅包覆，顏色呈深紅色。)
6、 溶液沉清后，采用虹吸方法吸去大部分上清液，放入離心機脫水操作10-20分鐘， 取出分裝于不銹鋼盤內(nèi)，送入烘箱經(jīng)70-150'C， 20-70分鐘干燥。
7、 將已干燥的暗紅色粉末，裝入燒舟內(nèi)，送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經(jīng)250-80(TC， 20-70分鐘熱處理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的 玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包覆粉末小塊。
8、 松散的銅鐵包覆粉末小塊經(jīng)破碎后，用100目過篩處理，裝入混粉機，加入約7. 8kg 金屬鋅粉，在混粉機18-2轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下，經(jīng)60分鐘混合待用。
9、 將步驟8的銅、鋅混合粉末，裝入燒舟內(nèi)，送入有還原保護氣氛的熱處理中，經(jīng) 400-700°C， 20-70分鐘熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成 紅色、黃色或青黃色的銅鋅(黃銅)合金包覆層，將得輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉末。
10、 輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉塊，經(jīng)破碎后，按用戶對產(chǎn)品粒度的要求進行篩分級。
11、 將已篩分級的鐵基黃銅粉，裝入混粉機，按用戶對產(chǎn)品松裝密度和流動性的要 求，在混粉機18-25轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，混合3-10分鐘，放出按取樣規(guī)則進行取樣檢驗。
12、 經(jīng)檢驗合格后，按每袋25kg檢斤包裝，成為產(chǎn)品入庫。
權(quán)利要求
1. 一種鐵基黃銅粉末冶金材料，它是利用鐵和硫酸銅溶液的置換反應(yīng)首先制得表面包覆銅的鐵銅粉，然后在鐵銅粉中加入金屬鋅粉，經(jīng)熱處理擴散制得紅色、黃色、金黃色或青黃色的鐵基黃銅包覆粉，該粉末冶金材料由鐵、銅和鋅組成，它們的含量如下，以鐵粉的重量100份計，銅為鐵粉重量的3-25％，鋅為銅重量的3-40％，其余為鐵粉。
2、權(quán)利要求1所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備工藝(1) 銅鹽溶液的配制稱取銅鹽15-55 kg ，用100 kg自來水溶解并過濾備用；(2) 光亮劑的配制按0. 01-0. 07g/L的促進劑TMTD、 0. 01-0. 07g/L的硫脲溶于300_500mL甲醛水溶液 中備用；(3) 將經(jīng)過濾的銅鹽溶液抽入置換器內(nèi)，攪拌混勻；(4) 向步驟(3)中的銅鹽溶液中加入活化劑5-9g/L，光亮劑0. 01-0. 018g/L，并 加入自來水使溶液體積至400-450L;(5) 繼續(xù)攪拌，并緩慢均勻地加入100 kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，鐵粉顆 粒表面被銅包覆，顏色呈深紅色；(6) 將步驟(5)的溶液沉清后，采用虹吸方法吸去上清液，脫水并干燥處理，得 暗紅色粉末；(7) 將已干燥的暗紅色粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經(jīng)250-80(TC熱處 理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包 覆粉末小塊；(8) 將銅鐵包覆粉末小塊經(jīng)破碎后，過篩處理，裝入混粉機，加入銅鐵包覆粉末 中銅重量的3-40%金屬鋅粉，在混粉機中混合均勻；(9) 將步驟(8)所得的銅鐵包覆粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中，經(jīng)400-700 'C熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成紅色、黃色或青黃色 的銅鋅包覆層，制得輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉末；(10)將輕微結(jié)塊的鐵基黃銅包覆粉塊經(jīng)破碎后，按用戶對產(chǎn)品粒度的要求進行篩分級；(11)經(jīng)篩分過的鐵基黃銅粉末，再按用戶對產(chǎn)品松裝密度、流動性等的要求，用 混粉機混合，取樣檢驗合格后，包裝，入庫。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述銅 鹽采用硫酸銅、氯化銅或氰化銅。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述活化劑采用硫酸。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述干燥處理采用烘箱，干燥溫度為70-150°C，時間20-70分鐘，脫水操作10-20分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述步 驟(7)和(9)的熱處理時間均為20-70分鐘。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述混 粉機的轉(zhuǎn)速控制在18-25轉(zhuǎn)/分鐘，混合20-60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明請求保護一種鐵基黃銅粉末冶金材料及制備工藝，它是利用鐵和硫酸銅溶液的置換反應(yīng)首先制得表面包覆銅的鐵銅粉，然后在鐵銅粉中加入金屬鋅粉，經(jīng)熱處理擴散制得紅色、黃色、金黃色或青黃色的鐵基黃銅包覆粉，該粉末冶金材料由鐵、銅和鋅組成，它們的含量如下，以鐵粉的重量100份計，銅為鐵粉重量的3-25％，鋅為銅重量的3-40％，其余為鐵粉。本鐵基黃銅粉由于采用了化學置換法，很好地解決了銅包鐵粉銅層與鐵粉包復不完全和包復強度不夠，銅層容易脫落，制品易出現(xiàn)黑點，強度差，露鐵的地方對轉(zhuǎn)動軸磨損大，使用壽命短等缺陷，抗氧化性能好，生產(chǎn)成本低，是粉末冶金工業(yè)中燒結(jié)金屬含油軸承以及制造機械零件和硬質(zhì)合金、金剛石制品所需的替代銅粉、銅包鐵粉、青銅粉的理想材料。
文檔編號B22F9/24GK101254543SQ20081006957
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日
發(fā)明者朱朝志 申請人:重慶鑄信粉末冶金有限責任公司