銅鐵復合粉燒結制備工藝技術研究

2018-12-12

摘要：以鐵粉為基體，添加銅粉采用混合燒結生產工藝制備FeCu20 （WFe=80%，WCu=20%），以及FeCu30（WFe=70%，WCu=30%），以批量生產符合性能要求的銅鐵復合粉末。這里詳細介紹了Cu/Fe復合粉燒結工藝制備工藝技術參數，產品的性能及應用情況。
關鍵詞：銅鐵復合粉；燒結生產工藝；性能

以機械強度較好的金屬作為基材、采用粉末冶金工藝制備的金屬基冶型復合材料，具有較好的機械性能和摩擦學性能。固體自潤滑復合材料在工業上的廣泛應用是20世紀60年代以后，它的出現彌補了軸承材料的不足，滿足了航空航天和其他新技術產品在苛刻條件下的潤滑需要，成為潤滑領域里的一類新型材料。同時，它對于農業和其他工業，如鋼鐵、機械、原子能、交通運輸、船舶制造；建筑、食品、紡織、家電、醫療設備和各種科學食品等，也同樣重要。

組成冶型潤滑材料的原料常用銅鐵合金粉，即用物理化學的方法，在鐵粉顆粒表面均勻地包覆一層 Cu膜，使Cu/Fe復合粉兼容銅基導熱能力高、耐腐蝕和鐵基承載能力強等兩方面優點。并獲得較好的流動性、成型性、微觀粒形貌等工藝性能，更好地滿足大規模自動化生產微型含油軸承的要求。該產品廣泛應用于制造微型電機中的含油軸承，且成本較低；傳統的含油軸承原料采用混合銅鐵粉，不可避免地產生成分及金相組織編析，造成硬質相及性能的不均勻，導致軸承運行噪音升高和使用壽命縮短，使得在大規模自動化生產過程中，不利于保證產品性能的一致性和穩定性。目前國內外銅鐵復合粉普遍采用電解法工藝制備，但電解法制備污染大，材料綜合性能差。

1制取Cu/Fe復合粉的原料
制取Cu/Fe復合粉的主要原料為QWH100. 30牌號優質鐵粉及銅料，還包括少量添加劑，表面處理劑等(表1~表3)。






2銅鐵復合粉混合燒結生產制備工藝
2.1銅粉生產
實驗研究表明，霧化銅粉經適當的氧化/還原處理后，其表面層變成海綿狀多孔組織，這種粉末具有較低的粉裝比重，其壓制性能得到了顯著改善，與電解銅相比，這種粉末保持了較:好的流動性和分散性。本工藝采用高壓水霧化制取銅粉，粉末氧化實驗在流動空氣中進行，氧化過程始終保持粉末運動狀態，以防止嚴重燒結結團，采用氫氣作為還原氣體，其露點為一30%，氧化溫度在360℃時，氧化程度適當，呈深棕色，燒結輕微。氧化后的粉末在340~ 380℃間進行還原比較適宜，當還原溫度高于380℃時，往往會發生粉末燒結結塊，難于破碎，而溫度低于340C時，粉末還原不徹底，同時，考慮到整個生產工藝簡化;我們選擇了360℃x 10min的還原工藝，這樣可使粉末氧化和還原能在相同的工藝和爐子中進行，只需改變處理氣氛。


2.2銅粉含量對成品粉性能的影響
Cu含量對Cu/Fe復合粉性能的影響從Fe-Cu二元素相圖[1]可知，銅在鐵中的溶解度隨溫度變化較大。在α-Fe中的溶解度在共析溫度（835℃）時最大約為1. 4%，并隨溫度的下降而劇減至700%℃時的0.3%和室溫時的0.2%。Cu在γ-Fe中的溶解度在1094℃時約為7.5~8.5%，仍隨溫度的下降而劇減。因此當在鐵中加入的Cu含量較高時，由于Fe、Cu的互不溶解特性，只能形成部分的假合金(pseudoalloy)，這種弱的交互作用Cu含量對Cu/Fe復合粉物理性能的影響在同樣的Cu/Fe復合粉制備工藝條件下獲得FeCu20、FeCu30，按金屬粉末松裝比重的測定方法，檢測了粉末樣品的松裝比重。結果表明在同樣制造工藝條件下，隨Cu含量增加復合粉的松裝比重略有增加。篩分析結果還表明粉末的粒度分布往偏細的方向移動，富余的銅粉相含量增多。
Cu含量對Cu/Fe復合粉燒結性能的影響選取FeCu20、Fe-Cu30粉末，配加硬脂酸鋅0.1%，壓制成ψ20x10mm圓柱樣，在同等燒結工藝制度下(H2保護，850℃ x0.6h)，檢測試樣的燒結體積收縮率，結果表明: FeCu20 為0.65%、FeCu30為0.81%，可見Cu含量不同，其生坯燒結收縮率不- -樣，直接影響鐵銅基制品的終端尺寸。研究還表明:當Cu的含量大于35%時，會改變Fe- Cu基燒結體的金相組織，形成大量的能填孔隙的輕質金屬一富銅ε相，在負載作用下，材料基體發生流動，磨擦表面的空隙又顯著消失，將會惡化材料的減磨性能。必須根據鐵銅基制品的化學成分及物理機械性能要求，在配方中選取不同Cu含量牌號的Cu/Fe復合粉。


2.3混合燒結工藝
銅鐵復合粉混合燒結生產制備工藝過程如下:
電解銅熔煉→水霧化→烘干→破碎→氧化→還原→破碎→混合燒結→銅鐵復合粉。
氧化還原銅粉經超細球磨后，與鐵粉、蠟脂或脂酸添加劑混合成混合氧化銅鐵粉，在480℃左右經擴散工藝處理，形成合金銅鐵塊。再粉碎、添加硬脂酸鋅混合形成銅鐵復合粉。


3結語
Cu/Fe復合粉含油軸承材料金相組織是:鐵素體+銅+珠光體+石墨孔隙。在鐵素體中銅的飽和，抑制了碳在γ鐵中的溶解，防止滲碳體的形成。冷卻時，銅在鐵中溶解度的降低，通.過彌散強化機制可以使鐵強化。因而可改善材料的結構和力學性能，均勻地提高顯微硬度。
選用優質鐵粉為原料，通過包覆銅膜，研制成功Cu/Fe復合粉。Cu/Fe 復合粉是制造含油軸承及鐵基、銅基粉末冶金零件的理想原料，可取代同類進口產品，可替代6-6-3青銅粉使用。制得的制品具有更好的力學性能、耐磨性和潤滑性能。

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