铜铁复合粉烧结制备工艺技术研究

2018-12-12

以铁粉为基体,添加铜粉采用混合烧结生产工艺制备FeCu20 (WFe=80%,WCu=20%),以及FeCu30(WFe=70%,WCu=30%),以批量生产符合性能要求的铜铁复合粉末。这里详细介绍了Cu/Fe复合粉烧结工艺制备工艺技术参数,产品的性能及应用情况。
关键词铜铁复合粉;烧结生产工艺;性能

以机械强度较好的金属作为基材、采用粉末冶金工艺制备的金属基冶型复合材料,具有较好的机械性能和摩擦学性能。固体自润滑复合材料在工业上的广泛应用是20世纪60年代以后,它的出现弥补了轴承材料的不足,满足了航空航天和其他新技术产品在苛刻条件下的润滑需要,成为润滑领域里的一类新型材料。同时,它对于农业和其他工业,如钢铁、机械、原子能、交通运输、船舶制造;建筑、食品、纺织、家电、医疗设备和各种科学食品等,也同样重要。


组成冶型润滑材料的原料常用铜铁合金粉,即用物理化学的方法,在铁粉颗粒表面均匀地包覆一层 Cu膜,使Cu/Fe复合粉兼容铜基导热能力高、耐腐蚀和铁基承载能力强等两方面优点。并获得较好的流动性、成型性、微观粒形貌等工艺性能,更好地满足大规模自动化生产微型含油轴承的要求。该产品广泛应用于制造微型电机中的含油轴承,且成本较低;传统的含油轴承原料采用混合铜铁粉,不可避免地产生成分及金相组织编析,造成硬质相及性能的不均匀,导致轴承运行噪音升高和使用寿命缩短,使得在大规模自动化生产过程中,不利于保证产品性能的一致性和稳定性。目前国内外铜铁复合粉普遍采用电解法工艺制备,但电解法制备污染大,材料综合性能差。

1制取Cu/Fe复合粉的原料
制取Cu/Fe复合粉的主要原料为QWH100. 30牌号优质铁粉及铜料,还包括少量添加剂,表面处理剂等(表1~表3)。








2铜铁复合粉混合烧结生产制备工艺
2.1铜粉生产
实验研究表明,雾化铜粉经适当的氧化/还原处理后,其表面层变成海绵状多孔组织,这种粉末具有较低的粉装比重,其压制性能得到了显著改善,与电解铜相比,这种粉末保持了较:好的流动性和分散性。本工艺采用高压水雾化制取铜粉,粉末氧化实验在流动空气中进行,氧化过程始终保持粉末运动状态,以防止严重烧结结团,采用氢气作为还原气体,其露点为一30%,氧化温度在360℃时,氧化程度适当,呈深棕色,烧结轻微。氧化后的粉末在340~ 380℃间进行还原比较适宜,当还原温度高于380℃时,往往会发生粉末烧结结块,难于破碎,而温度低于340C时,粉末还原不彻底,同时,考虑到整个生产工艺简化;我们选择了360℃x 10min的还原工艺,这样可使粉末氧化和还原能在相同的工艺和炉子中进行,只需改变处理气氛。


2.2铜粉含量对成品粉性能的影响
Cu含量对Cu/Fe复合粉性能的影响从Fe-Cu二元素相图[1]可知,铜在铁中的溶解度随温度变化较大。在α-Fe中的溶解度在共析温度(835℃)时最大约为1. 4%,并随温度的下降而剧减至700%℃时的0.3%和室温时的0.2%。Cu在γ-Fe中的溶解度在1094℃时约为7.5~8.5%,仍随温度的下降而剧减。因此当在铁中加入的Cu含量较高时,由于Fe、Cu的互不溶解特性,只能形成部分的假合金(pseudoalloy),这种弱的交互作用Cu含量对Cu/Fe复合粉物理性能的影响在同样的Cu/Fe复合粉制备工艺条件下获得FeCu20、FeCu30,按金属粉末松装比重的测定方法,检测了粉末样品的松装比重。结果表明在同样制造工艺条件下,随Cu含量增加复合粉的松装比重略有增加。筛分析结果还表明粉末的粒度分布往偏细的方向移动,富余的铜粉相含量增多。

Cu含量对Cu/Fe复合粉烧结性能的影响选取FeCu20、Fe-Cu30粉末,配加硬脂酸锌0.1%,压制成ψ20x10mm圆柱样,在同等烧结工艺制度下(H2保护,850℃ x0.6h),检测试样的烧结体积收缩率,结果表明: FeCu20 为0.65%、FeCu30为0.81%,可见Cu含量不同,其生坯烧结收缩率不- -样,直接影响铁铜基制品的终端尺寸。研究还表明:当Cu的含量大于35%时,会改变Fe- Cu基烧结体的金相组织,形成大量的能填孔隙的轻质金属一富铜ε相,在负载作用下,材料基体发生流动,磨擦表面的空隙又显著消失,将会恶化材料的减磨性能。必须根据铁铜基制品的化学成分及物理机械性能要求,在配方中选取不同Cu含量牌号的Cu/Fe复合粉。


2.3混合烧结工艺
铜铁复合粉混合烧结生产制备工艺过程如下:
电解铜熔炼→水雾化→烘干→破碎→氧化→还原→破碎→混合烧结→铜铁复合粉。
氧化还原铜粉经超细球磨后,与铁粉、蜡脂或脂酸添加剂混合成混合氧化铜铁粉,在480℃左右经扩散工艺处理,形成合金铜铁块。再粉碎、添加硬脂酸锌混合形成铜铁复合粉。


3结语
Cu/Fe复合粉含油轴承材料金相组织是:铁素体+铜+珠光体+石墨孔隙。在铁素体中铜的饱和,抑制了碳在γ铁中的溶解,防止渗碳体的形成。冷却时,铜在铁中溶解度的降低,通.过弥散强化机制可以使铁强化。因而可改善材料的结构和力学性能,均匀地提高显微硬度。
选用优质铁粉为原料,通过包覆铜膜,研制成功Cu/Fe复合粉。Cu/Fe 复合粉是制造含油轴承及铁基、铜基粉末冶金零件的理想原料,可取代同类进口产品,可替代6-6-3青铜粉使用。制得的制品具有更好的力学性能、耐磨性和润滑性能。


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