Cu_Fe复合粉工业制备工艺及性能分析.pdf

第6 2 卷第3 期 2 010 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．3 A u g ．2010 C u ／F e 复合粉工业制备工艺及性能分析 王晓军1 ，高呜智2 1 ．广东技术师范学院机电学院，广东广州5 10 6 3 5 ；2 ．上饶职业技术学院，江西上饶3 3 4 10 9 摘要研究用烧结法工业化制备合金粉末。在铁粉颗粒表面均匀地包覆一层c u 膜，C u ／F e 复合粉兼容铜基导热能力高、 耐腐蚀和铁基承载能力强两方面优点，可用于生产含油轴承、结构件、摩擦零件。制造时无污染，不产生任何有害物质。由于不带 任何酸性杂质，不会造成后续的粉末氧化。 关键词金属材料；铜铁复合粉；烧结法；扩散；包覆 中图分类号T F l 2 3 ．7 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 0 1 0 0 3 0 0 1 6 0 3 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C u 膜，使C u ／F e 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。 制取C u ／F e 复合粉的主要原料为Q W H l 0 0 ．3 0 牌号优质铁粉及铜料，还包括少量添加剂，表面处理 剂等‘。引。 1基体材料 基体材料铁粉，是经过高温还原后处理，含碳量 低到0 ．0 2 ％以下，化学成分如下表1 所示，物理性 能见表2 。对该粉末进行金相观察可以看到，粉末 具有颗粒小，比面积大的特点，其表面呈凸凹状 态，故很容易造成镀层面积不大、不均匀、密着性 差等方面的不足。 收稿日期2 0 0 8 0 4 1 1 基金项目江西省科技厅工业重大关键技术专项攻关项目 2 0 0 5 1A 0 2 0 0 3 0 4 作者简介王晓军 1 9 6 5 一 ，男，江西安福县人，教授，主要从事机 电教学与科研等方面的工作。 表1 铁粉的化学成分要求 T a b l elC h e m i c a lc o m p o s i t i o nr e q u i r e m e n to fi r o np o w d e r 成分T F e cS iM nPS 酸不溶物 含量／％ ／9 8 ．5 ≤O ．0 2 ≤O ．1 5 ≤O ．3 ≤O ．0 5 ≤O ．0 2 ≤O ．3 表2 铁粉的物理性能要求 T a b l e2R e q u i r e m e n tf o ri r o np o w d e rp h y s i c a lp a r a m e t e r s 性能参数要求 松装密度／ g c m 。 滚动性／【s 5 0 9 “ 压缩比／ g c m 。 粒度／p ．m 2 铜铁复合粉工业制备工艺 铜铁复合粉混合烧结生产制备工艺过程如图1 所示。 图1铜铁复合粉产品烧结制备工艺流程 F i g ．1 F l o w s h e e to fc o p p e ri r o nc o m p o u n d p o w d e rp r e p a r a t i o nw i t hs i n t e r i n g 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7 2 0 。C 左右经 篡黧 万方数据 第3 期王晓军等C u ／F e 复合粉工业制备工艺及性能分析 1 7 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。 具体操作步骤为 1 将F e 粉与C u O 粉按 8 0 2 1 加入到混料罐内 混料罐内有加热装置 ； 2 在1 5 0 。C 加热状态下，边搅拌边添加5 ％o 的硬脂肪酸 锌； 3 添加完硬脂肪酸锌后搅拌2 0 3 0 m i n ，使得 混料罐内的粉看上去是C u O 粉末的颜色； 4 取出 混合料后放人还原炉内氨分解气氛下，温度7 2 0 。C 时间3 0 m i n 的合金扩散； 5 合金扩散后在粉碎机 内粉碎筛分，加入 5 ‰的硬脂肪酸锌、苯丙三氮唑 进行抗氧化处理，然后合批，即为成品。 3 制备结果及讨论 3 ．1 C u 含量对C u ／F e 复合粉性能的影响 从F e ．C u 二元素相图可知，铜在铁中的溶解度 随温度变化较大。在a F e 中的溶解度在共析温度 8 3 5o C 时最大约为1 ．4 ％，并随温度的下降而剧减 至7 0 0 ℃时的0 ．3 ％和室温时的0 ．2 ％。C u 在1 F e 中的溶解度在1 0 9 4 。C 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c u 含量较 高时，由于F e 和C u 的互不溶解特性，只能形成部 分的假合金 p s e u d 0 2 a l l o y ，这种弱的交互作用使得 C u ／F e 复合粉可呈现出两种元素本征性能的特定组 合，进而获得优异的复合材料性能而得到广泛应用。 3 ．2 C u 含量对C u ／F e 复合粉物理性能的影响 在同样的C u ／F e 复合粉制备工艺条件下获得 F e C u 2 0 ，F e C u 3 0 粉末，按金属粉末松装密度的测定 方法，检测了粉末样品的松装密度，结果见表3 。可 见在同样制造工艺条件下，随C u 含量增加复合粉 的松装密度略有增加。筛分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。 表3铜含量对复合粉松装密度的影响 T a b l e3E f f e c to fc o p p e rc o n t e n to nc o m p o u n d p o w d e rl o o s e nd e n s i t y C u 含量／％松装密度／ g c m 。 2 02 ．4 3 02 ．5 2 3 ．3 C u 含量对C u ／F e 复合粉烧结性能的影响 选取F e C u 2 0 ，F e C u 3 0 粉末，配加硬脂酸锌 0 ．1 ％，压制成 2 0 r a m l O m m 圆柱样，在同等烧结 工艺制度下 H 保护，8 5 0 ℃0 ．6 h ，检测试样的烧 结体积收缩率，结果见表4 。 表4C u 含量对C u ／F e 复合粉 烧结体积收缩率的影响 T a b l e4E f f e c to fc o p p e rc o n t e n to na g g l u t i n a t i o nv o l u m e s h r i n k a g eo fC u ／F ec o m p o u n dp o w d e r 样品烧结收缩率 V ／％ F e C u 3 00 ．8 1 F e C u 2 0O ．6 5 可见c u 含量不同，生坯烧结收缩率不一样，直 接影响铁铜基制品的终端尺寸。研究还表明，当c u 的含量大于3 5 ％时，会改变F e C u 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s 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。因此必须 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C u 含量牌号的C u ／F e 复合 粉㈨。 图2 原始粉末的S E M 照片 F i g ．2P h o t o g r a p ho fo r i g i n a lp o w d e rS E M 3 ．4 包覆粉末的使用性能测定 将制得的两种粉末分别进行压制，并且每种粉 末各压制三个样品。每个样品的粉末称1 0 9 ，在液 压机下进行压制，模具孔径为1 6 r a m ，压制压力为丁 4 0 k N ，故压坯压强为2 0 0 ．9 6 M P a 。将压制对烧结 后的样品进行金相观察和硬度的检测，包括对腐蚀 前的样品进行照相，观察其表面的孔洞和形态，并对 腐蚀后的样品进行照相，识别其经热处理后的组织． 万方数据 有色 金属第6 2 卷 烧结后的成分仍为铜，且烧结后的样品外观上仍呈 铜红色，故在磨制金相镜面时只能干磨，而不能置于 水中进行磨制。因为铜的电位比铁的电位高，故在 水中形成原电池，而使烧结后的样品表面因电化学 腐蚀而变得灰暗。同时，因为烧结后样品中还有部 分孔隙，也易吸收水分，不易烘干。具体方法 1 用6 0 0 ，8 0 0 ，1 0 0 0 4 砂纸由粗到细依次进行研磨； 2 用2 ％硝酸酒精 苦味酸溶液浸蚀2 0 2 5 s ； 3 用 A x i o v e r t2 0 0M A T 金相数码照相机进行照相，用H V 一 1 0 0 0 型显微硬度计测量硬度，每个样品测两个点。 由图2 可以发现，各种原始粉末都呈颗粒状，表 面形貌可由S E M 电镜观测‘4 。3 。 4结论 由于在C u ／F e 复合粉中，C u 均匀地包覆铁粉表 面，有效地解决了化学成分的偏析，确保了零件整体 力学性能的一致性，且具有一定程度的合金化效果。 因此，C u ／F e 复合粉不仅用于制造含油轴承，还可广 泛用于制造其他粉末冶金铁铜基制品。 参考文献 [ 1 ] 王晓军．铜铁复合粉烧结制备工艺技术研究[ J ] ．机械设计与制造，2 0 0 6 ， 1 1 2 7 1 2 8 ． [ 2 ] 王晓军．铜铁复合粉工艺流程及性能试验分析[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 7 ，3 6 2 2 1 2 2 ． [ 3 ] 李华彬，何安西，曹雷，等．C u ／F e 复合粉的性能及应用研究[ J ] ．四川I 有色金属，2 0 0 5 。 1 1 8 2 1 ． [ 4 ] 费多尔钦科普金娜NM ．粉末冶金复合减摩材料[ K ] ．李孔洪译．北京北京市粉末冶金研究所，1 9 8 5 1 7 7 ． [ 5 ] 盛洪超，熊翔，姚萍屏．烧结温度对铜基粉末冶金航空刹车材料摩擦磨损行为的影响[ J ] ．非金属矿，2 0 0 6 ， 1 5 2 5 5 ． P r e p a r a t i o na n dP e r f o r m a n c eo fC u ／F eC o m p o s i t eP o w e r W A N GX i a o - j u n ’，G A OM i n g ．z h i 2 1 ．M e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cD e p a r t m e n to fG u a n g d o n gP o l y t e c h n i cN o r m a lC o l l e g e ，G a n g z h o u51 0 6 3 5 ，C h i n a ； 2 ．S h a n g r a oV o c a t i o n a lC o l l e g e ，S h a n g r a o3 3 41 0 9 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m m e r c i a lp r e p a r a t i o np r o c e s so fa l l o yp o w d e rw i t hs i n t e r i n gp r o c e s si si n v e s t i g a t e d ．T h es u r f a c eo fi r o n i sh o m o g e n e o u s l yc o a t e dw i t hc o p p e r ．T h ec o p p e rs t e e lc o m p o u n dp o w d e ri so ft h ea d v a n t a g e so ft h eh i g hh e a t c o n d u c t i v i t ya n de x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ef r o mc o p p e ra n dh i g hs t r e n g t hf r o mi r o n ．I t canb e a p p l i e d t o p r o d u c t i o no ft h eo i l r e t a i n i n gb e a r i n g ，s t r u c t u r a le l e m e n t ，f r i c t i o nc o m p o n e n t ．T h e r ei s n op o l l u t i o na n d 仉o ta n y d e l e t e r i o u ss u b s t a n c ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ．T h ef u a h e ro x i d a t i o no ft h ep o w d e rcanb ep r e v e n t e db e c a u s et h e r e i sn ot h e a c i d i ci m p u r i t yi nt h ep o w d e r ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c o p p e rs t e e lc o m p o u n dp o w d e r ；s i n t e r i n gp r o c e s s ；p r o l i f e r a t i o n ；g a b l e 万方数据