化学置换法形成铜包铁粉的临界形核分析.pdf

第6 2 卷第2 期 2 0i0 年5 月 有色金属 N o n f e I T O U M e t a l s V o L6 2 ，N o ．2 M a y2010 化学置换法形成铜包铁粉的临界形核分析 王晓军1 ，丁明2 1 ．广东技术师范学院机电学院，广州5 10 6 3 5 ；2 ．江西省制造职业技术学院，南昌3 3 0 0 9 5 摘 要通过化学置换镀铜的方法对铁粉的表面对进行改性．获得铜包铁的预合金化复合粉末，从而改善铁粉的物理和化学 性能。一部分铜粉沉积在铁粉表面并长大，另～部分则通过均匀形核，在溶液中形成铜粉。包覆物在浆料中的初始过饱和度对包 覆物的最终形貌起到了决定作用，过饱和度过大，容易得到核包覆，降低过饱和度，可以得到膜包覆。 关键词金属材料；铜包铁粉；化学置换法；临界形核． 中图分类号T 6 1 4 6 ．1 1 T F l 2 3 ．7 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 3 3 0 4 1实验方法 采用置换镀的方法对铁粉进行表面涂镀，首先 对铁粉末进行分析。用筛分法⋯对该粉末进行粒 度分布的测定，试验用的筛分别为4 3 ，9 6 和1 4 7 1 _ L m 。 用天平称取铁粉2 0 9 ，用量筒取1 ％盐酸2 0 m L ，对粉 末进行酸洗，时间约3 m i n 。则发生反应F e 2 H C l F e C l 2 H 2t ，F e O 2 H C l F e C l 2 H 2 0 。 通过这个反应去除铁粉表面的氧化层和杂质， 并在一定程度上使得铁粉的表面变得更为粗糙。将 酸洗后的粉末用蒸馏水清洗若干次 少量多次 ，将 烧杯置于搅拌器下，并开动已调好速率的搅拌器，然 后将量取好的硫酸铜溶液倒入有铁粉的烧杯中。溶 液迅速由蓝色变成淡绿色，并在铁粉的表面有红色 的铜粉出现。当溶液颜色变浅，关闭搅拌器，并静置 溶液约5 r a i n 。随后摇动并观察烧杯底部，若发现底 部有黑色颗粒，说明有一部分粉末未包覆上铜粉。 将处于溶液中的粉末分离出来，并用酒精清洗分离 出来的粉末。用酒精清洗两至三次后，将粉末放至 盖玻片上，在2 0 0 3 0 0 ℃的温度下烘干。烘干后将 复合粉末进行磁选，然后将粉末进行标识装入样品 袋中，并放入干燥器中。将硫酸铜溶液倒入酸洗后 的铁粉中会发生反应F e C u S O ．一C u F e S 0 4 。 溶液的颜色发生改变，是因为c u “得到电子后 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 1 A 0 2 0 0 3 0 4 ；江西省科技厅重点新产品计划项目 2 0 0 7 2 0 7 0 0 12 2 作者简介壬晓军 1 9 6 5 一 ，男，江西安福市人。教授，硕士，主要从 事机电专业的教学与科研工作。 析出，并由于非均匀形核和均匀形核的竞争，一部分 铜粉沉积在铁粉表面并长大，另一部分则通过均匀 形核，而在溶液中形成铜粉旧。1 。 由S E M 观察包覆前后的粉末外观特征。由图 I 电镜照片可发现，原本表面粗糙的粉末，其表面有 一层铜晶体附着，且包覆后粉末的形状与原始粉末 的形状近似。 2 铁粉包覆铜的临界形核半径与临界 形核功 2 ．1 析晶推动力 铁粉末表面包覆铜改性实际上是通过无机铜酸 盐 如C u S O 。或C u C l 与F e “的反应生C u 金属， 当其达到一定的过饱和浓度后，就从溶液中析晶形 成铜晶核。该过程可用类似化学反应的方程式来描 述，C u 溶液 甘c u 晶体 。 设溶液中C u 的活度为口，随着析晶的进行，C u 物质在溶液中活度不断降低，最后达到平衡状态。 此时溶液中C u 的活度为平衡活度a ，，即饱和溶液 的活度，可由范特荷甫方程式 1 求得，式中K 一平 衡常数，平衡时产物与反应物的活度比；Q 一未平衡 时产物与反应物的活度比。 △G 一R T I n K R T I n Q 1 对溶液析晶来说，k a c ～，Q a ～，代入式 1 得式 2 ，若不考虑活度与浓度的差异，则可表示为 式 3 或式 4 ，式中A e c c 。，称为过饱和度，由 A c ／c 于 c ，，即析出物的浓度大于其在该条件的 溶解度时，A c 0 ，则／t G S ， K 时，式 6 右侧才能为负值，即A G A 。‘。在其他条件相同的情况下， 在较小的过饱和浓度下，异相形核可以进行，而要使 均相形核进行，则过饱和度必须达到更大值。 过饱和度对核生长的影响在生长的过程中，可 以看作是在已包膜的颗粒上重新形核长大，类似于 异相形核处理。由于新形成的颗粒与已形成的膜是 同一种物质，所以核与基体之间就不存在类似于异 相形核的界面能，即盯s ．j 0 ，盯。 盯。刖形成新界 面时自由能的变化为A G 。 盯。A w 一丌r 2 盯“。同前 面两种形核一样系统的自由能变化为△G 。 讼G ， A C , ，，其中A 硝，V ，R ，r 等关系与前面类似，R 2 0 “ 似／[ A G ， 2 c o s O ] ，可以求得式 2 2 。由于是 在同种物质上形核，所以其达到完全润湿状态，即接 触角为零，0 0 ，e o s O 1 ，则△G ’ 0 。 A G ’ 1 6 7 r o - 3 ．x ／o - 3 3 G y { 1 一c o s O 2 ／[ 4 2 c o s 0 2 ] 2 2 膜的生长过程中不存在核化位垒，即溶液中一 旦有析出物质就会优先在膜的表面吸附长大。膜也 随之加厚，所以膜的生长是优于异相形核和均相形 核的。从热力学分析可以看出，包覆物在浆料中的 初始过饱和度对包覆物的最终形貌起到了决定作 用，过饱和度过大，就容易得到核包覆，降低过饱和 度，可以得到膜包覆。这也就为实际生产过程中的 工艺和质量控制等提供了一定的理论基础。 3结论 铁粉末表面包覆铜就是将选择一定粒度的弥散 铁粉末，使之悬浮在含铜金属的水溶液中作为沉淀 结晶核心，待铜金属沉淀后，经过干燥和还原就可得 到以弥散相铁粉末为核心，铜金属包覆在外的包覆 粉末。 万方数据 有色金属第6 2 卷 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 李坚．攀钢转炉污泥铁粉表面包覆铜的研究[ D ] ．重庆重庆大学，2 0 0 5 5 6 - 6 7 ． 肖 丽．转炉污泥铁粉再利用研究[ D ] ．重庆重庆大学，2 0 0 1 3 4 4 0 ． 邹春梅．含铁尘泥的回收与综合利用[ J ] ．天津冶金，1 9 9 8 ， 1 4 5 4 6 ． 段希祥．选择性磨矿及其应用[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 1 1 1 2 2 2 2 ． 侯海滨．湿氢对还原铁粉中碳、氧及压缩性能的影响[ c ] ／／第四届全国粉末冶金论文集．北京苏联科学与技术杂志出 版社，1 9 8 5 1 3 3 1 3 7 ． W a n i b eY ，I t o hT ．N e wQ u a n t i t a t i v eA p p r o a c ht oP o w d e rT e c h n o l o g y [ M ] ．E n g l a n d ，C h i c h e s t e r J o h nW i l e y S o n sL t d ，1 9 9 8 1 0 2 1 0 6 ． 1 t o hT ，W a n i b eY ，K u r o d aK ．A n a l y s i so nP a c k e dM i x t u r e so fS h o r tF i b e r sa n dP o w d eb yt h e i rC h a r a c t e r i z e dS p e c i f i c so f M o r p h o l o g y [ J ] ．J a p a nS o cP o w d e r ＆P o w d e rM e t a l l ，1 9 9 5 ，4 2 9 9 2 9 9 7 ． C r i t i c a lS h a p eN u c l e u sA n a l y s i so nS u b s t i t u t i o nF o r m sC o p p e rC o a t e d P o w d e r e dI r o nP r e p a r e db yC h e m i c a lR e p l a c e m e n t W A N GX i a o - j u n l ，D I N GM i n 9 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 fC 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 u5 10 6 3 5 ，C h i n a ； 2 ．J i a n g x iM a n u f a c t u r i n gP r o f e s s i o n a la n dT e c h n o l o g i c a lC o l l e g e ，N a n c h a n g3 3 0 0 9 5 ，C h i n a A b s t r a e t T h ei r o np o w d e ri sm o d i f i e db yc o a t i n gw i t hc o p p e rt h r o u g hc h e m i c a lr e p l a c i n gp r o c e s s ，t h ea l l o y i n gc o m p o s i t e p o w d e ro fi r o nc o a t e dw i t hc o p p e ra r ep r e p a r e d ，t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e so fi r o np o w d e ra r e i m p r o v e d ．S o m eo fc o p p e ri sd e p o s i t e dont h ei r o np o w d e rs u r f a c ea n dg r o w i n g ，a n ds o m eo fc o p p e ri sh o m o g e n e o u s n u c l e a t e di nt h es o l u t i o na n ds e p a r a t ec o p p e rp o w d e rf o r m e d ．T h ei n i t i a ls u p e r s a t u r a t i o no ft h ec o a t i n gm a t e r i a li n t h ep u l p p l a y s ak e yr o l ei nt h ef i n a l a p p e a r a n c e o ft h e a l l o y i n gc o m p o s i t ep o w d e r ．T h el a r g et h e i n i t i a l s u p e r s a t u r a t i o n ，t h ee a s i l yt oo b t a i nt h en u c l e a rc o a t i n g ．T h em e m b r a n ec o a t i n gcanb ea c h i e v e dw i t ht h el o wi n i t i a l s u p e r s a t u r a t i o n ． 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 rc o a t e di r o np o w d e r ；c h e m i c a lr e p l a c i n gp r o c e s s ；c r i t i c a ln u c l e u sf r o m a t i o n 万方数据