專利名稱：一種鐵基黃銅粉末冶金材料及制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬粉末冶金技術領域，具體涉及一種鐵基黃銅粉末冶金材料及制造方法，它 是一門重要的材料制造技術，是粉末冶金工業中燒結金屬含油軸承以及制造機械結構零 件和硬質合金，金剛石制品所需的一種特殊的，替代銅粉的鐵基黃銅粉末的制造方法。
背景技術：
在現代機械制造工業中，軸承材料是一類重要的機械結構材料，機器與機構中的所 有轉動零件都需要用軸承、軸瓦或軸套來支承。由于現代機器與機構的動轉速度和負荷 在急劇增高，以及由于宇航、核能及低溫技術的發展，在現有的軸承材料中，按照使用 壽命和在不同的條件下工作的可能性，燒結金屬軸承材料的應用都占第一位，現已成為 汽車、家電、音響設備、辦公設備、食品機械、農業機械、微小型電機、精密機械等發 展不可缺少的一類基礎零件。據有關資料顯示，在2006年日本燒結金屬含油軸承的產量 約為卯OO噸，平均每個日本人身邊的機器中裝有IO只含油軸承，而我國不足5只。這 些微小型的金屬含油軸承用傳統的金屬滾珠軸承的加工方法是無法制造的，而是采用粉 末冶金方法，用鐵粉與銅粉相混合或使用銅包鐵粉，青銅粉制造。用鐵粉與銅粉相混合 時，由于鐵粉與銅粉的粒度和松裝密度相差較大，容易產生成分偏析，造成燒結軸承金 相組織不均勻，強度不均勻，磨合性差，摩擦系數大，噪聲大等缺陷；用銅包鐵粉制造 時，由于銅與鐵包復不完全，有的鐵粉未被銅包復，加之銅層與鐵粉顆粒的包復強度不 夠，容易產生銅層脫落，制造金屬含油軸承時，易出現黑點，花斑，強度差，成型性差， 露鐵的地方對轉動軸磨損較大，使用壽命短等缺陷，是較粗級的粉末；而用青銅粉制造 含油軸承，由于銅價格的猛漲，導致生產成本劇增，產品價格過高，市場難接受。有關 資料顯示，我國2006年鐵基粉末冶金零件的產量比2005年增長19%，而銅基零件卻下 降29%。這是由于銅粉等有色金屬價格增長過高所致。另一方面，從含油軸承的產量來 看，2006年與2005年相比，鐵基含油軸承的產量增長39%，而銅基含油軸承產量減低 了31%，由于銅粉價格上漲，銅基含油軸承在大量改用鐵基含油軸承。據粉末冶金有關資料顯示，我國2006年電動工具零件市場比2005年增長29.25% 汽車零件市場增長28.3%，摩托車零件市場增長12.3%。這表明，在我國汽車產業超常速 度發展帶動下，粉末冶金零件生產已進入汽車零件發展階段。日本2006年汽車產量約 1200萬輛，共使用粉末冶金零件97690噸，燒結金屬含油軸承產量為7964噸，用于汽車 等車輛為4371噸，平均每輛汽車用粉末冶金零件的重量，日本8.7kg、美國19.8kg、我 國3.97kg。 2006年我國生產的727.97萬輛汽車中，平均每輛使用粉末冶金零件重量只 有3.97kg。而這些汽車都使用鐵基材料和青銅材料。由于鐵基材料耐蝕性差，易生銹， 使用壽命短；青銅基材料耐蝕性好，但強度差，生產成本高。發明內容本發明提出一種鐵基黃銅粉末冶金材料及其制備工藝,是粉末冶金工業中燒結金屬含 油軸承以及制造機械零件和硬質合金、金剛石制品所需的一種特殊的，替代銅粉、銅包 鐵粉、青銅粉的理想材料。本發明所述的鐵基黃銅粉末是根據鐵與硫酸銅的反應，即把鐵片放入硫酸銅溶液中， 在鐵片表面上就覆蓋了一層紅色的銅。鐵能置換硫酸銅溶液中的銅，這就是置換反應以 及根據電化學理論在電鍍中的應用(基體金屬對鍍層的影響)，在電解液中，如果基體金 屬的電位負于鍍層金屬，由于存在化學置換，不易獲得結合良好的鍍層，例如鋼鐵件 在酸性鍍銅液中，當沒有電流通過時。銅離子被置換而附在制件表面，該鍍層通常稱為 "置換鍍層"或者"接觸鍍層"，首先制得表面包覆銅的鐵、銅粉，然后，在鐵銅粉中加 入金屬鋅粉，經熱處理擴散制得紅色、黃色、金黃色、青黃色的鐵基黃銅包覆粉。其原料中包含鐵、銅和鋅，它們的含量如下，以鐵粉的重量100份計，銅為鐵粉重量 的3-25%，鋅為銅重量的3-40%，可通過調配銅、鋅之間的重量百分比，改變材料的顏色 (可為黃色、金黃色、暗黃色以及紅色、暗紅色)。 上述鐵基黃銅粉材料的制備工藝為(1) 銅鹽溶液的配制稱取銅鹽15-55 kg，用100 kg自來水溶解并過濾備用；(2) 光亮劑的配制按0. 01-0. 07g/L的促進劑TMTD, 0. 01-0. 07g/L的硫脲溶于300-500mL甲醛水溶液 中備用；(3) 將經過濾的銅鹽溶液抽入置換器內，攪拌混勻；(4) 向步驟(3)中的銅鹽溶液中加入活化劑5-9g/L，光亮劑0. 01-0. 018g/L，并 加入自來水使溶液體積至400-450L;(5) 繼續攪拌，并緩慢均勻地加入100 kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，鐵粉顆 粒表面被銅包覆，顏色呈深紅色；(6) 將步驟(5)的溶液沉清后，采用虹吸方法吸去上清液，脫水并干燥處理，得 暗紅色粉末；(7) 將己干燥的暗紅色粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經250-80(TC熱處 理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包 覆粉末小塊；(8) 將銅鐵包覆粉末小塊經破碎后，用100目過篩處理，裝入混粉機，加入銅鐵 包覆粉末中銅重量的3-40%金屬鋅粉，在混粉機中混合均勻；(9) 將步驟(8)所得的銅鐵包覆粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中，經400-700 t:熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成紅色、黃色或青黃色 的銅鋅包覆層，制得輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉末；(10) 將輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉塊經破碎后，按用戶對產品粒度的要求進行篩分級；(11) 經篩分過的鐵基黃銅粉末，再按用戶對產品松裝密度、流動性等的要求，用 混粉機混合，取樣檢驗合格后，包裝，入庫。在上述制備工藝中，銅鹽可采用氯化銅、氰化銅、硫酸銅等。在這些銅鹽中，硫酸 銅它具有成分簡單、價格便宜、生產成本低，且易于控制、操作容易穩定、市場易購等 優點。所以鐵基黃銅包覆粉的制備使用五水硫酸銅(CuS045H20).鐵基黃銅包覆粉的制備中所述活化劑是硫酸。因硫酸在溶液中能降低溶液的電阻， 使溶液中鐵離子與銅離子的電位差縮小，使銅離子在鐵離子表面較快沉淀，并能防止硫 酸銅水解生成氧化亞銅或其它鹽類沉淀。硫酸的用量可在較大范圍變化。攪拌的作用是使硫酸銅溶液，活化劑，光亮劑充分混合均勻，可加快沉淀速度，使包 覆層均勻。本鐵基黃銅粉末可用在制造燒結金屬含油軸承、硬質合金、金剛石制品、添加劑以及 制造各種機械零件的替代銅粉、銅包鐵粉，部分替代青銅粉的而且不含鉛的環保節能的理想材料。本發明的優點如下本鐵基黃銅粉，由于采用了化學置換法，先將銅置換在鐵粉顆 粒表面，得到銅鐵基礎層，經第一道熱處理，使銅緊緊地融合擴散在鐵粉顆粒表面，解 決了銅與鐵粉顆粒的緊密度和強度，用100目過篩處理后，裝入混粉機，加入銅鐵基礎粉中銅含量的3-40%金屬鋅粉，混合后，經第二道熱處理，在高溫下使鋅熔化與銅形成銅鋅合金(黃銅)，對鐵粉顆粒進行再次包覆，很好地解決了銅包鐵粉銅層與鐵粉包復不完 全和包復強度不夠，銅層容易脫落，制品易出現黑點，強度差，露鐵的地方對轉動軸磨 損大，使用壽命短等缺陷。制造的鐵基黃銅粉的抗氧化性能比銅包鐵粉(是單質銅包鐵) 好，不用抗氧化處理，降低了生產成本。因此采用鐵基黃銅粉制造含油軸承與用鐵、銅 混合粉、銅包鐵粉制造的含油軸承相比較，具有以下優點1、 成型性好，強度高，耐腐蝕，抗氧化性好；2、 耐磨，摩擦系數好，噪聲低；3、 能承受高負荷，高轉速，有良好的振動負載能力，在同等使用條件下比銅包鐵粉， 鐵銅混合粉制造的含油軸承使用壽命延長70-100%;4、 與青銅材料相比較(1) 鐵基黃銅粉末材料不含鉛，符合歐盟ROHS指令要求；(2) 不需要太多昂貴的有色金屬材料，制造成本很低，為青銅材料的1/15-1/20左右， 可節約金屬銅60-70%;(3) 可替代銅基、銅包鐵粉，部分替代青銅粉材料。
具體實施方式
實施例1:1、 銅鹽溶液的配制稱取五水硫酸銅15kg，用100kg潔凈自來水溶液并過濾待用。2、 光亮劑的配制將25g促進劑TMTD， 25g硫脲同溶于500 mL甲醛水溶液待用。3、 將步驟1的硫酸銅溶液抽入置換器內攪拌，加潔凈自來水調溶液體積為400L。4、 在步驟3溶液內加入5mL/L硫酸，0.01mL/L光亮劑攪拌均勻。5、 繼續攪拌15分鐘后，緩慢均勻地加入100kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，(這時溶液表面有許多小氣泡，鐵粉顆粒表面已被銅包覆，顏色呈深紅色。)
6、 溶液沉清后，采用虹吸方法吸去大部分上清液，放入離心機脫水操作10-20分鐘， 取出分裝于不銹鋼盤內，送入烘箱經70-15(TC， 20-70分鐘干燥。
7、 將已干燥的暗紅色粉末，裝入燒舟內，送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經 250-80(TC， 20-70分鐘熱處理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的 玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包覆粉末小塊。
8、 松散的銅鐵包覆粉末小塊經破碎后，用100目過篩處理，裝入混粉機，加入約1.2 kg金屬鋅粉，在混粉機18-25轉/分鐘的轉速下，經20-60分鐘混合待用。
9、 將步驟8的銅、鋅混合粉末，裝入燒舟內，送入有還原保護氣氛的熱處理中，經 400-700°C， 20-70分鐘熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成 紅色、黃色或青黃色的銅鋅(黃銅)合金包覆層，將得輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉末。
10、 輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉塊，經破碎后，按用戶對產品粒度的要求進行篩分級。
11、 將己篩分級的鐵基黃銅粉，裝入混粉機，按用戶對產品松裝密度和流動性的要 求，在混粉機18-25轉/分鐘的條件下，混合3-10分鐘，放出按取樣規則進行取樣檢驗。
12、 經檢驗合格后，按每袋25kg檢斤包裝，成為產品入庫。
實施例2:
1、 銅鹽溶液的配制
稱取氯化銅80kg，用200kg潔凈自來水溶解并過濾待用。
2、 光亮劑的配制
將25g促進劑TMTD， 25g硫脲同溶于500 mL甲醛水溶液待用。
3、 將步驟l的硫酸銅溶液抽入置換器內，攪拌，加潔凈自來水調溶液體積為450L。
4、 在步驟3溶液中加入9mL/L硫酸，0.018mL/L光亮劑攪拌均勻。
5、 繼續攪拌15分鐘后，緩慢均勻地加入100kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，(這 時溶液表面有許多小氣泡，鐵粉顆粒表面已被銅包覆，顏色呈深紅色。)
6、 溶液沉清后，采用虹吸方法吸去大部分上清液，放入離心機脫水操作10-20分鐘， 取出分裝于不銹鋼盤內，送入烘箱經70-150'C， 20-70分鐘干燥。
7、 將已干燥的暗紅色粉末，裝入燒舟內，送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經250-80(TC， 20-70分鐘熱處理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的 玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包覆粉末小塊。
8、 松散的銅鐵包覆粉末小塊經破碎后，用100目過篩處理，裝入混粉機，加入約7. 8kg 金屬鋅粉，在混粉機18-2轉/分鐘的轉速下，經60分鐘混合待用。
9、 將步驟8的銅、鋅混合粉末，裝入燒舟內，送入有還原保護氣氛的熱處理中，經 400-700°C， 20-70分鐘熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成 紅色、黃色或青黃色的銅鋅(黃銅)合金包覆層，將得輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉末。
10、 輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉塊，經破碎后，按用戶對產品粒度的要求進行篩分級。
11、 將已篩分級的鐵基黃銅粉，裝入混粉機，按用戶對產品松裝密度和流動性的要 求，在混粉機18-25轉/分鐘的條件下，混合3-10分鐘，放出按取樣規則進行取樣檢驗。
12、 經檢驗合格后，按每袋25kg檢斤包裝，成為產品入庫。
權利要求
1. 一種鐵基黃銅粉末冶金材料，它是利用鐵和硫酸銅溶液的置換反應首先制得表面包覆銅的鐵銅粉，然后在鐵銅粉中加入金屬鋅粉，經熱處理擴散制得紅色、黃色、金黃色或青黃色的鐵基黃銅包覆粉，該粉末冶金材料由鐵、銅和鋅組成，它們的含量如下，以鐵粉的重量100份計，銅為鐵粉重量的3-25％，鋅為銅重量的3-40％，其余為鐵粉。
2、權利要求1所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備工藝(1) 銅鹽溶液的配制稱取銅鹽15-55 kg ，用100 kg自來水溶解并過濾備用；(2) 光亮劑的配制按0. 01-0. 07g/L的促進劑TMTD、 0. 01-0. 07g/L的硫脲溶于300_500mL甲醛水溶液 中備用；(3) 將經過濾的銅鹽溶液抽入置換器內，攪拌混勻；(4) 向步驟(3)中的銅鹽溶液中加入活化劑5-9g/L，光亮劑0. 01-0. 018g/L，并 加入自來水使溶液體積至400-450L;(5) 繼續攪拌，并緩慢均勻地加入100 kg還原鐵粉，15分鐘后停止攪拌，鐵粉顆 粒表面被銅包覆，顏色呈深紅色；(6) 將步驟(5)的溶液沉清后，采用虹吸方法吸去上清液，脫水并干燥處理，得 暗紅色粉末；(7) 將已干燥的暗紅色粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中經250-80(TC熱處 理，使銅擴散融合在鐵粉顆粒表面不脫落，且含氧量較低的玫瑰色或淺玫瑰色的銅鐵包 覆粉末小塊；(8) 將銅鐵包覆粉末小塊經破碎后，過篩處理，裝入混粉機，加入銅鐵包覆粉末 中銅重量的3-40%金屬鋅粉，在混粉機中混合均勻；(9) 將步驟(8)所得的銅鐵包覆粉末送入有還原保護氣氛的熱處理爐中，經400-700 'C熱處理，使銅、鋅兩種金屬擴散融合在基體鐵粉顆粒表面，形成紅色、黃色或青黃色 的銅鋅包覆層，制得輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉末；(10)將輕微結塊的鐵基黃銅包覆粉塊經破碎后，按用戶對產品粒度的要求進行篩分級；(11)經篩分過的鐵基黃銅粉末，再按用戶對產品松裝密度、流動性等的要求，用 混粉機混合，取樣檢驗合格后，包裝，入庫。
3、 根據權利要求2所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述銅 鹽采用硫酸銅、氯化銅或氰化銅。
4、 根據權利要求2或3所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述活化劑采用硫酸。
5、 根據權利要求4所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述干燥處理采用烘箱，干燥溫度為70-150°C，時間20-70分鐘，脫水操作10-20分鐘。
6、 根據權利要求5所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述步 驟(7)和(9)的熱處理時間均為20-70分鐘。
7、 根據權利要求6所述的鐵基黃銅粉末冶金材料的制備方法，其特征在于所述混 粉機的轉速控制在18-25轉/分鐘，混合20-60分鐘。
全文摘要
本發明請求保護一種鐵基黃銅粉末冶金材料及制備工藝，它是利用鐵和硫酸銅溶液的置換反應首先制得表面包覆銅的鐵銅粉，然后在鐵銅粉中加入金屬鋅粉，經熱處理擴散制得紅色、黃色、金黃色或青黃色的鐵基黃銅包覆粉，該粉末冶金材料由鐵、銅和鋅組成，它們的含量如下，以鐵粉的重量100份計，銅為鐵粉重量的3-25％，鋅為銅重量的3-40％，其余為鐵粉。本鐵基黃銅粉由于采用了化學置換法，很好地解決了銅包鐵粉銅層與鐵粉包復不完全和包復強度不夠，銅層容易脫落，制品易出現黑點，強度差，露鐵的地方對轉動軸磨損大，使用壽命短等缺陷，抗氧化性能好，生產成本低，是粉末冶金工業中燒結金屬含油軸承以及制造機械零件和硬質合金、金剛石制品所需的替代銅粉、銅包鐵粉、青銅粉的理想材料。
文檔編號B22F9/24GK101254543SQ20081006957
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月22日 優先權日2008年4月22日
發明者朱朝志 申請人:重慶鑄信粉末冶金有限責任公司