專利名稱：金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法。
背景技術(shù)：
對于粉末冶金燒結(jié)和由此產(chǎn)生的制品品質(zhì)而言，燒結(jié)活性是金屬粉末性質(zhì)一項(xiàng)重要工藝性指標(biāo)，燒結(jié)活性一般按燒結(jié)件達(dá)到理論致密度95%或以上所要求的燒結(jié)溫度來評價(jià)，金屬粉末的燒結(jié)活性越高，則獲得理論致密度所要求的燒結(jié)溫度越低。高燒結(jié)活性粉末對于粉末冶金燒結(jié)工藝和制品品質(zhì)是非常有益的，低燒結(jié)溫度可以降低模具損耗，降低能源損耗，并能提高制品的機(jī)械性能，例如燒結(jié)制品的硬度和強(qiáng)度等。尤其對于金屬結(jié)合劑金剛石燒結(jié)制品而言，由于高溫下金剛石存在氧化、強(qiáng)度損失和石墨化程度等性能的衰減，因此，在保證金屬結(jié)合劑的機(jī)械性能前提下，降低燒結(jié)溫度是非常符合要求的。影響金屬粉末燒結(jié)活性的因素主要有以下三個(gè)方面
I)構(gòu)成配方的金屬粉末元素、純度和制粉方法等，共同決定了配方基礎(chǔ)金屬粉末的燒結(jié)活性。)金屬粉末的表面氧化當(dāng)金屬粉末(包括部分預(yù)合金和完全預(yù)合金)暴露于空氣下，多數(shù)金屬顆粒的表面都存在一定程度的氧化，在金屬粉末顆粒表面構(gòu)成氧化物膜，所構(gòu)成的氧化膜將抑制燒結(jié)的進(jìn)行，即降低了金屬粉末的燒結(jié)活性。)金屬粉末粒度在以上方面都相同的情形下，細(xì)粉末具有更高燒結(jié)活性。對于粉末冶金制品，尤其是金剛石制品生產(chǎn)廠家而言，造成產(chǎn)品質(zhì)量降低或質(zhì)量不穩(wěn)定，主因是由金屬粉末表面氧化造成的。因此，在粉末冶金工藝中，在很多金屬粉末技術(shù)條件中，對氧含量都有一定規(guī)定，例如粉末的允許氧含量為O. 02-0. 15%，
但是，無論純金屬粉末、部分合金金屬粉末還是全金屬粉末，粉末或粉末混合料一旦與空氣接觸，都會發(fā)生不同程度的氧化。氧化程度受環(huán)境溫度、濕度和環(huán)境接觸時(shí)間的影響，溫度越高、濕度越大，氧化速度越快，時(shí)間越長氧化程度越嚴(yán)重。金屬粉末顆粒表面所構(gòu)成的金屬氧化物膜，將隨著氧化程度加劇，膜層厚度增加。燒結(jié)期間，如果金屬粉末顆粒之間是主要以表面氧化物膜相互接觸燒結(jié)，則氧化物膜將阻礙金屬粉末顆粒的粘接、連接或合金化，要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的燒結(jié)致密度，只能提高燒結(jié)溫度。此外，由于大多數(shù)金屬氧化物都是呈脆性，如果燒結(jié)胎體的金屬粉末之間存在氧化物薄膜，則將提高金屬胎體組織的脆性，并相應(yīng)降低其它符合要求的機(jī)械性質(zhì)，例如燒結(jié)組織的硬度、抗沖擊韌性等。盡管在減輕金屬粉末原料的氧化方面采取的諸多措施，例如粉末存放采用除氧齊U、干燥劑或真空包裝，但在進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)流程期間，并不能確保金屬粉末免受氧化。因此，經(jīng)常選擇性在制品生產(chǎn)過程期間插入還原工藝，對金屬粉末原料進(jìn)行還原處理。金屬粉末的還原機(jī)理，是通過氣體還原劑(較少使用固體還原劑)奪取金屬粉末氧化物膜的氧，使金屬或合金粉末還原成無氧(或低氧)金屬或合金粉末狀態(tài)，提高燒結(jié)期間金屬粉末的燒結(jié)活性。在制品生產(chǎn)工藝流程中，金屬粉末的還原處理可以在的混料步驟之前進(jìn)行(下文簡稱粉末還原);隨后將所還原粉末與配方的其它粉料混料、壓制毛坯、燒結(jié)、冷卻、脫模?；?qū)M裝入燒結(jié)模的混合粉末直接進(jìn)行熱-壓、冷卻、脫模；產(chǎn)生出制品的半成品或成品。還原處理也可以安排在壓制成毛坯之后、燒結(jié)之前或期間進(jìn)行(下文稱冷壓毛坯還原)。粉末還原與冷壓毛坯還原二者之間的差異在于1)組成成分不同粉末還原是單組分的元素金屬、部分合金或還原粉末的單獨(dú)還原，冷壓毛坯還原是一種組分或以上的混合金屬粉末還原；2)還原溫度不同單組分金屬粉末一般要求較低還原溫度，避免粉末結(jié)團(tuán)，而鑒于冷壓毛坯已經(jīng)成型，可以以較高溫度來提高還原效率；3 )粉末顆粒之間的接觸狀態(tài)不同粉末還原基本呈松散的堆積狀態(tài)，而冷壓毛坯中粉末呈更加緊湊、致密的成型狀態(tài)(一般可達(dá)理論密度的65-70%)。但與之不相宜的是，在目前采用還原處理方法中，氣體還原劑大多略高于大氣壓強(qiáng)方式的氣流提供，少量采用高氣體還原劑壓強(qiáng)。盡管氣體還原劑與原料金屬粉末的氧呈優(yōu)先反應(yīng)性，但因氣體還原劑與金屬粉末之間密度的極大差異，使其很難以與金屬粉末表面形成全方位接觸，并很難以滲透入堆積金屬粉末(或冷壓毛坯)內(nèi)部。盡管采取提高還原溫度、增加氣體還原劑流量、延長還原時(shí)間或提高還原氣氛壓強(qiáng)，但這些措施只能有限的解決金屬粉末還原效率和效果問題，并同時(shí)可能帶來其它的工藝問題，例如高溫容易使金屬粉末結(jié)團(tuán)、增加氣體還原流量造成還原氣體利用率低下、延長還原時(shí)間提高了能耗并降低了生產(chǎn)效率、高還原氣氛壓強(qiáng)提高的設(shè)備成本等問題。從本質(zhì)上講，當(dāng)前采用設(shè)備和工藝方法，并沒有充分解決還原氣體對金屬粉末堆積體(或冷壓毛坯)的滲透問題。對粉末冶金的金屬還原所存在的問題，還急需一種行之有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種改進(jìn)的金屬粉末及其燒結(jié)制品的還原方法。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，是在加熱爐中對具有氧化膜的金屬粉末或其燒結(jié)制品連續(xù)提供氣體還原劑，使金屬粉末或其燒結(jié)制品的氧化膜與氣體還原劑在反應(yīng)溫度為400-900°C的條件下進(jìn)行還原反應(yīng)，從而得到含氧量為O. 02、. 15%的金屬粉末或其燒結(jié)制品，還原反應(yīng)在低氣壓強(qiáng)和高氣壓強(qiáng)交替變化下進(jìn)行，所述的低氣壓強(qiáng)為IO-1OOPa,所述的高氣壓強(qiáng)為200-30000Pa。優(yōu)選地，所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，包括依次進(jìn)行的如下步驟
步驟(I)、將盛放有所述的具有氧化膜的金屬粉末或其燒結(jié)制品的容器放入所述的加熱爐內(nèi)；
步驟(2 )、可選擇性地向所述的加熱爐內(nèi)充入惰性氣體；
步驟(3)、將所述的加熱爐加熱至反應(yīng)溫度400-900°C，由送氣口連續(xù)充入所述的氣體還原劑，此時(shí)，所述的加熱爐處于所述的低氣壓強(qiáng)狀態(tài)；
步驟(4)、關(guān)閉排氣口或降低排氣口的排氣量，使得所述的加熱爐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)逐漸增大；
步驟(5)、當(dāng)所述的加熱爐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)達(dá)到所述的高氣壓強(qiáng)時(shí)，打開排氣口或增大排氣口的排氣量，使得所述的加熱爐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)降低到所述的低氣壓強(qiáng)；
步驟(6)、多次重復(fù)所述的步驟(4)和所述的步驟(5)，直至得到所述的含氧量為
0.02、.15%的金屬粉末或其燒結(jié)制品；
步驟(7)、在繼續(xù)充入所 述的氣體還原劑或充入所述的惰性氣體的情況下，使步驟(6)所得到的金屬粉末冷卻。優(yōu)選地，所述的低氣壓強(qiáng)和所述的高氣壓強(qiáng)的壓強(qiáng)差為100_20000Pa。優(yōu)選地，所述的金屬粉末為堆積金屬粉末 優(yōu)選地，所述的燒結(jié)制品為金屬粉末冷壓毛坯。優(yōu)選地，所述的金屬粉末為鐵粉、鈷粉、鎳粉、錫粉、銅粉、青銅粉和黃銅粉中的一種或多種。優(yōu)選地,所述的氣體還原劑為氫氣、氨氣、煤氣或轉(zhuǎn)化天然氣。優(yōu)選地，所述的反應(yīng)溫度為450_800°C。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述的反應(yīng)溫度為450_700°C。優(yōu)選地,所述的惰性氣體為氮?dú)?、氬氣或二氧化碳?xì)怏w。在發(fā)明中，所使用的術(shù)語“金屬粉末”中所指的“金屬”，是指在空氣環(huán)境下，與氧呈高親和性、并易與氧反應(yīng)，在粉末顆粒表面生成金屬氧化物膜的金屬。這些金屬粉末是構(gòu)成金屬胎體相的主要成分，同時(shí)，這些金屬粉末的含氧量對燒結(jié)工藝和由此制作的產(chǎn)品品質(zhì)起到極大的負(fù)面影響。在此使用的術(shù)語“氣體還原劑”是指能通過與金屬粉末氧化物膜的氧反應(yīng)，來降低金屬粉末氧含量的氣體性物質(zhì)。本發(fā)明的有益效果在于:
采用本發(fā)明中的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，可以增強(qiáng)氣體還原劑對金屬粉末或其燒結(jié)制品的接觸概率，提高氣體還原劑對堆積金屬粉末或冷壓毛坯的滲透性，進(jìn)而提高還原效率和效果，在不追加其它附帶成本的前提下，提高了氣體還原劑的利用率，降低了能耗，提高的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量穩(wěn)定性，并降低了總體生產(chǎn)成本。并且低氣壓強(qiáng)和高氣壓強(qiáng)之間的壓強(qiáng)差越大，氣體還原劑的滲透性也越強(qiáng)。發(fā)明方法適合于粉末冶金的金屬粉末原材料的還原處理，尤其適合于金屬結(jié)合劑金剛石刀具的金屬粉末還原，以及粉末冶金或金剛石刀具節(jié)塊冷壓毛坯的還原處理。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。本發(fā)明的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法的具體步驟為:
—在合理容器中堆積粉末金屬或放置冷壓毛坯；
將盛放金屬粉末或冷壓毛坯的容器放入加熱爐中；
—可選擇性的對爐內(nèi)大流量充入惰性氣體(例如氮?dú)狻鍤獾?，獲得爐內(nèi)的惰性氣
氛；
在加熱爐處于加熱狀態(tài)下，加熱溫度為400-900°C時(shí)，由送氣口充入氣體還原劑；充入氣體還原劑的初始期間，爐內(nèi)呈設(shè)定的低氣壓強(qiáng)(IO-1OOPa)；
—通過關(guān)閉爐內(nèi)排氣口或降低排氣口的排氣量，使?fàn)t內(nèi)氣體壓強(qiáng)氣氛壓強(qiáng)呈逐漸增加趨勢；
爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)增加，達(dá)到預(yù)定設(shè)定高氣壓強(qiáng)(200-30000Pa)；
—當(dāng)爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到預(yù)定設(shè)定的高氣壓強(qiáng)時(shí)，加大爐內(nèi)氣體排放量，或強(qiáng)制式放逐爐內(nèi)氣體，使?fàn)t內(nèi)氣體壓強(qiáng)迅速恢復(fù)至低氣壓強(qiáng)；
—重復(fù)低氣壓強(qiáng)一設(shè)定高氣壓強(qiáng)的氣氛交替，直到堆積金屬粉末或冷壓毛坯達(dá)到預(yù)期還原效果；
—在連續(xù)氣體還原劑流通，或換成惰性氣體流通(例如氮?dú)饣蚨趸?下，使堆積金屬粉末(或冷壓毛坯)冷卻。冷卻的堆積金屬粉末或冷壓毛坯即時(shí)投入下階段生產(chǎn)流程，或合理存放。實(shí)施例1
采用本發(fā)明的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，用氫氣還原電解銅粉。電解銅粉的平均粒度200目，由于存放已久，致使銅粉外觀呈深褐色，表明已受到嚴(yán)重氧化。將銅粉松散堆積于合理容器中，堆積厚度50mm，按450°C /2小時(shí)予以還原，其中，爐內(nèi)氣氛的低氣壓強(qiáng)為10Pa，設(shè)定高氣壓強(qiáng)為lOOOOPa，完成還原后充氮?dú)馐狗勰├鋮s至室溫。按發(fā)明方法還原的銅粉無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，外觀呈粉紅色，觀察在容器內(nèi)上層與底層銅粉的顏色一致，且在容器的堆積死角處的粉末色澤無差異，表明按發(fā)明方法，使電解銅粉獲得了均勻的還原。 對比例I
除了爐內(nèi)氣氛維持100 Pa外，其余工藝參數(shù)均與實(shí)施例1相同，進(jìn)行還原反應(yīng)，上層與底層粉末仔細(xì)比較存在少許色差，而容器堆積死角處鮮明色差，表明底層和死角處粉末未獲得充分還原。實(shí)施例2
采用上述示例的相同方式進(jìn)行試驗(yàn)，只是在容器中放置的是冷壓金屬粉末節(jié)塊，節(jié)塊的致密度為理論密度的75%，節(jié)塊由銅+鐵+鎳+錫金屬粉末冷壓成型，冷壓毛坯尺寸為40X3.2 X 8mm。按700°C/2小時(shí)予以還原，其中，爐內(nèi)氣氛的低氣壓強(qiáng)為10Pa，設(shè)定高氣壓強(qiáng)為lOOOOPa，還原結(jié)束后充氮?dú)饫鋮s至室溫。還原后的冷壓節(jié)塊所有表面整體呈灰色金屬亮澤。斷開節(jié)塊觀察節(jié)塊斷面，觀察不到色澤差異。隨后用煤油浸泡節(jié)塊，在光線下觀察，仍然沒有色澤差異，表明內(nèi)部金屬粉末獲得了均勻還原。對比例2
除了爐內(nèi)氣氛維持100 Pa外，其余工藝參數(shù)均與實(shí)施例2相同，進(jìn)行還原反應(yīng)，在節(jié)塊外觀和斷面方面與發(fā)明方法獲得的節(jié)塊無太大差異，但當(dāng)用煤油浸泡后光線下觀察，發(fā)現(xiàn)呈由內(nèi)向外呈圈狀五色光斑線，外側(cè)呈淺灰色金屬本色的厚度僅約0.5-lmm。這表明可普通還原方法氣體還原劑的滲透深度僅約0.5-1_，而呈深灰色的內(nèi)部未獲得充分還原。即粉末還原的程度由內(nèi)向外呈梯度差。上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，是在加熱爐中對具有氧化膜的金屬粉末或其燒結(jié)制品連續(xù)提供氣體還原劑，使金屬粉末或其燒結(jié)制品的氧化膜與氣體還原劑在反應(yīng)溫度為400-900°C的條件下進(jìn)行還原反應(yīng)，從而得到含氧量為0.02、.15%的金屬粉末或其燒結(jié)制品，其特征在于:還原反應(yīng)在低氣壓強(qiáng)和高氣壓強(qiáng)交替變化下進(jìn)行，所述的低氣壓強(qiáng)為lO-lOOPa，所述的高氣壓強(qiáng)為200-30000Pa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:包括依次進(jìn)行的如下步驟: 步驟(I)、將盛放有所述的具有氧化膜的金屬粉末或其燒結(jié)制品的容器放入所述的加熱爐內(nèi)； 步驟(2 )、可選擇性地向所述的加熱爐內(nèi)充入惰性氣體； 步驟(3)、將所述的加熱爐加熱至反應(yīng)溫度400-900°C，由送氣口連續(xù)充入所述的氣體還原劑，此時(shí)，所述的加熱爐處于所述的低氣壓強(qiáng)狀態(tài)； 步驟(4)、關(guān)閉排氣口或降低排氣口的排氣量，使得所述的加熱爐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)逐漸增大； 步驟(5)、當(dāng)所述的加熱爐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)達(dá)到所述的高氣壓強(qiáng)時(shí)，打開排氣口或增大排氣口的排氣量，使得所述的加熱爐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)降低到所述的低氣壓強(qiáng)； 步驟(6)、多次重復(fù)所述的步驟(4)和所述的步驟(5)，直至得到所述的含氧量為0.02、.15%的金屬粉末或其燒結(jié)制品； 步驟(7)、在繼續(xù)充入所述的氣體還原劑或充入所述的惰性氣體的情況下，使步驟(6)所得到的金屬粉末冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的低氣壓強(qiáng)和所述的高氣壓強(qiáng)的壓強(qiáng)差為100-20000Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的金屬粉末為堆積金屬粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的燒結(jié)制品為金屬粉末冷壓毛坯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的金屬粉末為鐵粉、鈷粉、鎳粉、錫粉、銅粉、青銅粉和黃銅粉中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的氣體還原劑為氫氣、氨氣、煤氣或轉(zhuǎn)化天然氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的反應(yīng)溫度為450-800°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的反應(yīng)溫度為450-700°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，其特征在于:所述的惰性氣體為氮?dú)?、氬氣或二氧化碳?xì)怏w。
全文摘要
一種金屬粉末及其燒結(jié)制品的呼吸式還原方法，是在加熱爐中對具有氧化膜的金屬粉末或其燒結(jié)制品連續(xù)提供氣體還原劑，使金屬粉末或其燒結(jié)制品的氧化膜與氣體還原劑在400-900℃的條件下進(jìn)行還原反應(yīng)，從而得到含氧量為0.02~0.15%的金屬粉末或其燒結(jié)制品，還原反應(yīng)在低氣壓強(qiáng)和高氣壓強(qiáng)交替變化下進(jìn)行，所述的低氣壓強(qiáng)為10-100Pa，所述的高氣壓強(qiáng)為200-30000Pa。采用本技術(shù)方案，可提高氣體還原劑對金屬粉末或其燒結(jié)制品的滲透性，進(jìn)而提高還原效率和效果，降低了能耗，提高的質(zhì)量，并降低了總體生產(chǎn)成本。
文檔編號B22F9/22GK103071794SQ20131005793
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者馬若飛 申請人:蘇州南航騰龍科技有限公司