CN104985188A - 一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，属于粉末冶金原料制备技术领域，高能机械球磨制备纳米陶瓷粉末；内氧化法制备含有纳米陶瓷相的预合金；高压水雾化法制备含有纳米陶瓷相的铁粉等步骤。本发明利用在熔融铁液中添加纳米陶瓷粉末或含有纳米陶瓷相的预合金，利用高压水雾化法制备得到一种含有纳米陶瓷相的雾化铁粉。这种方法制备得到的含有纳米陶瓷相雾化铁粉是生产制备铁基粉末冶金结构零件的主要原料。以本发明方法制备的含纳米陶瓷相雾化铁粉为原料生产的铁基粉末冶金结构零件组织均匀，致密度高，具有高强度和优异的抗疲劳性能。本发明增加了铁粉原料在粉末冶金工艺中的多样性，工艺简单，低碳、节能、环保，易于工业化生产。

Description

一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金原料制备技术领域，提供了一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法。该制备方法适用于含有纳米陶瓷弥散相的粉末冶金产品生产原料的制备。

背景技术

在20世纪50年代粉末冶金工艺出现以来，以铁粉为基本原料生产制造的结构零件被广泛使用。由于粉末冶金是一种节材、省能、无污染，而且适合大批量生产的少无切削、高效金属成形工艺，越来越多的结构零件开始使用这一工艺生产制造。

铁粉的生产在粉末冶金工业中占有重要地位，其生产工艺、产品种类、质量和产量直接影响粉末冶金工业的发展。粉末冶金技术领域中重要的一个部分就是新一代铁基粉末的研发。近50年来，关于粉末冶金铁基粉末的研究越来越多，并呈现由传统的铁基粉末开始向高端的铁基粉末快速发展的趋势。新型铁基粉末生产工艺简单，绿色环保，性能可靠，采用新型铁基粉末作为原料制造出的结构零件在性能上更优越，在使用上更可靠。

铁基粉末冶金结构零件生产使用的原料主要是由还原法和水雾化法生产的铁粉。水雾化法生产的铁粉成本低、密度高、流动性好，所以工业生产的铁基粉末冶金结构零件主要使用的是由水雾化法生产的铁粉，其中几乎所有的高端铁基粉末冶金结构零件均使用水雾化铁粉作为原料。

铁基粉末冶金结构零件一般由多种粉末按照要求配置混合均匀后使用的。粉末冶金中使用的预混合粉就是将元素粉末或合金粉末以合金添加剂等形式混合于铁粉中。另外，在粉末冶金压制成型工艺中为了减小压坯阴模壁间的摩擦与粉末颗粒间的摩擦，还需在预混合粉中添加适量的润滑剂，一般为石蜡或者硬脂酸锌，质量分数小于1％。将铁粉与其它辅料粉(比如，铜粉，石墨粉，镍粉等)按照产品需求比例混合，再添加适量的润滑剂和黏结剂，利用混料机混合均匀形成预混合粉后供生产制备粉末冶金铁基结构零件产品使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，采用本发明方法制备所得的含有纳米陶瓷相的雾化铁粉为粉末冶金或粉末制造的主要原料。以本发明方法制备的含纳米陶瓷相雾化铁粉为原料生产的铁基粉末冶金结构零件组织均匀，致密度高，具有高强度和优异的抗疲劳性能。

本发明的技术方案是这样实现的：包括以下步骤：

a)高能机械球磨制备纳米陶瓷粉末：利用球磨机粉碎陶瓷材料，使其逐级破碎成粉末，经过筛分优选，最终制备获得颗粒直径为纳米级的陶瓷粉末；

b)内氧化法制备含有纳米陶瓷相的预合金：利用内氧化法使固溶体合金中溶质元素在氧气氛下形成纳米级氧化物并均匀分布在合金中形成含有纳米陶瓷相的预合金；

c)高压水雾化法制备含有纳米陶瓷相的铁粉：将铁锭或铁矿石在熔化炉中熔化，在熔融铁液中添加纳米陶瓷粉末和含有纳米陶瓷相的预合金中的任意一种或多种的混合，利用高压水雾化法制备含纳米陶瓷相的铁粉。

含有的纳米陶瓷相为氧化铝陶瓷Al2O3、氧化锆陶瓷ZrO2、碳化硅陶瓷SiC、氮化硅陶瓷Si3N4、氮化硼陶瓷BN、碳化钨陶瓷WC中的任意一种或几种。

步骤a)中所述高能机械球磨是利用球磨的转动或振动，使硬球对陶瓷材料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把粉末粉碎成为纳米级微粒，高能球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部组成。

步骤a)中所述筛分优选是利用振动筛逐级筛选高能机械球磨后的粉末，颗粒粗大的重新进行高能机械球磨，最终选取纳米级陶瓷粉末。

步骤c)中所述高压水雾化设备由金属熔炼炉、中间包、雾化器、收粉器、干燥炉组成。

本发明的发明构思是：在熔融铁液中添加一定量的纳米陶瓷粉末或含有纳米陶瓷相的预合金形成一种含有纳米陶瓷的熔融铁液，利用高压水雾化法制备得到一种含有纳米陶瓷相的雾化铁粉，目的是使得每一个雾化铁粉颗粒中都均匀分布有纳米级的陶瓷弥散相。这种方法制备得到的含有纳米陶瓷相雾化铁粉是生产制备铁基粉末冶金结构零件的主要原料。工业实际中将这种含有纳米陶瓷相的雾化铁粉与其它扩散相粉末(比如，铜粉，石墨粉，镍粉等)相混合，最后混入润滑剂和黏结剂，形成用于制备含有纳米陶瓷弥散相的粉末冶金铁基结构零件产品的预混合粉。采用本发明方法制备的含纳米陶瓷相雾化铁粉为原料生产的铁基粉末冶金结构零件，相比传统铁基粉末冶金结构零件的优势在于：产品组织均匀，致密度高，具有高强度和优异的抗疲劳性能。本发明增加了铁粉原料在粉末冶金工艺中的多样性，工艺简单，材料利用率高，低碳、节能、环保，易于工业化生产。本发明方法制备所得的含有纳米陶瓷相雾化铁粉特别适用于制造需要优异性能的高端铁基粉末冶金结构零件。

与现有技术相比，本发明的效果在于：

(1)零部件性能优越：高强度，长使用寿命，优异的抗疲劳性能等；

(2)零部件轻量化：保证性能的同时改进零件结构和尺寸；

(3)原材料多样性：多种成分可选；

(4)可控成分及性能：按照需求调配成分及组成；

(5)无设备限制，易于工业化生产。

本发明解决的技术关键在于选择合适的陶瓷材料、合适的纳米陶瓷添加量、合适的水雾化制粉工艺，使得所制备的含纳米陶瓷相的雾化铁粉成分均匀、质量优异，从而保证采用这种含纳米陶瓷相雾化铁粉为原料生产制备的铁基粉末冶金结构零件的结构均匀、性能优异。

附图说明

图1是含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

实施实例1(含纳米碳化硅陶瓷的雾化铁粉)

1、高能机械球磨制备纳米碳化硅陶瓷粉末：利用球磨机粉碎碳化硅陶瓷，使其逐级破碎成粉末，经过筛分优选，最终制备获得颗粒直径为纳米级的碳化硅陶瓷粉末。球磨工艺为：把块体碳化硅陶瓷在破碎机中破碎成粉后装入球磨罐中进行球磨，碳化钨磨球和碳化硅陶瓷的比例为1:1到1:3，转速为150r/min到200r/min，球磨时间为36-48小时。球磨好的粉料再经过360-500目过筛，去掉机械杂质，并防止陶瓷粉末团聚。利用旋风分离器分离过筛后的陶瓷粉末，最终选取粒径小于800纳米的碳化硅陶瓷粉末以供使用。该步骤使用的鄂式破碎机，管式球磨机及旋风分离器均为工业上应用很广的破碎球磨分离设备。

2、高压水雾化法制备含有纳米碳化硅陶瓷相的铁粉：将铁锭在熔化炉中熔化，在铁的熔融液中添加纳米碳化硅陶瓷粉末，利用高压水雾化法，搅拌均匀后含有纳米碳化硅陶瓷的铁水在高压水的作用下破碎成细小的液滴，迅速凝固成固体粉末，雾化产物经沉淀、干燥、还原、筛分，最终制备获得含纳米碳化硅陶瓷弥散相的雾化铁粉。高压水雾化法设备主要由金属熔炼炉、中间包、雾化器、收粉器、干燥炉等部分组成。雾化粉末颗粒大小、雾化效率、雾化产量与设备规格和制备工艺相关。

3、添加辅料粉：在含纳米碳化硅陶瓷弥散相的雾化铁粉中添加质量分数1.5％-3.5％的铜，0.5％-0.8％的石墨C和0.3％-0.5％的硫化锰颗粒。

4、混料机混合粉末：利用混料机将上述混合粉末均匀混合，供粉末冶金生产使用。混料一般采用旋转的V型或锥桶型容器，混料要求混合粉末混合均匀且松散。

^*这种方法的优点是工艺简单安全，纳米陶瓷粉末类型多样、不受限制，无设备限制，易于工业化生产。

实施实例2(含纳米氧化铝陶瓷的雾化铁粉)

1、内氧化法制备纳米氧化铝弥散强化铜，其中氧化铝颗粒的尺寸仅为3～12纳米，颗粒间距约为50～100纳米，弥散分布均匀，其热稳定性极好，在后续粉末冶金或粉末锻造温度下仍然能保持原有的粒度和颗粒间距；弥散相三氧化二铝占铜基体质量分数为6-15％，几乎不影响铜固有的物理化学性质，所以在粉末冶金和粉末锻造工艺中不需为此做过多的调整。纳米氧化铝弥散强化铜的制备工艺为熔炼铜铝固溶合金，用高压氮气雾化制粉；将粉末与氧化铜粉混合；将混合粉加热到高温使氧化铜分解，生成的氧扩散到铜铝固溶合金的颗粒中，固溶合金中的铝被氧化生成Al₂O₃；在全部铝都被氧化后，在氢气氛中还原粉末中的过量氧，最终制得含有纳米氧化铝弥散强化的铜粉。

2、高压水雾化法制备含有纳米氧化铝陶瓷的铁粉：将铁锭在熔化炉中熔化，在铁的熔融液中添加含有纳米氧化铝铜粉末，搅拌均匀后，利用高压水雾化法，含有纳米氧化铝陶瓷的铁水在高压水的作用下破碎成细小的液滴，迅速凝固成固体粉末，雾化产物经沉淀、干燥、还原、筛分，最终制备获得含纳米陶瓷弥散相的雾化铁粉。高压水雾化法设备主要由金属熔炼炉、中间包、雾化器、收粉器、干燥炉等部分组成。雾化粉末颗粒大小、雾化效率、雾化产量与设备规格和制备工艺相关。

3、添加润滑剂和黏结剂：在含纳米氧化铝陶瓷弥散相的雾化铁粉中添加质量分数0.5％-0.8％的石墨C。

4、混料机混合粉末：利用混料机将上述混合粉末均匀混合，供粉末冶金生产使用。混料一般采用旋转的V型或锥桶型容器，混料要求混合粉末混合均匀且松散。

^*这种方法的优点是混合粉末中纳米陶瓷相细小均匀，在雾化铁粉中分布均匀，工艺简单成熟。缺点是纳米陶瓷材料类型制约为只能是氧化物陶瓷，且纳米陶瓷相的添加比例和预合金化金属元素的添加比例相互限制，产品成分相对受限。

实施实例3(含纳米氧化锆陶瓷和纳米氧化铝陶瓷的雾化铁粉)

1、高能机械球磨制备纳米氧化锆陶瓷粉末：利用球磨机粉碎氧化锆陶瓷，使其逐级破碎成粉末，经过筛分优选，最终制备获得颗粒直径为纳米级的氧化锆陶瓷粉末。球磨工艺为：把块体氧化锆陶瓷在破碎机中破碎成粉后装入球磨罐进行球磨，碳化钨磨球和氧化锆陶瓷的比例为1:5到1:10，转速为300r/min到350r/min，球磨时间为72-84小时。球磨好的粉料再经过400-600目过筛，去掉机械杂质，并防止陶瓷粉末团聚。利用旋风分离器分离过筛后的陶瓷粉末，最终选取粒径小于500纳米的氧化锆陶瓷粉末以供使用。该步骤使用的鄂式破碎机，管式球磨机及旋风分离器均为工业上应用很广的破碎球磨分离设备。

2、内氧化法制备纳米氧化铝弥散强化铜，其中氧化铝颗粒的尺寸仅为3～12纳米，颗粒间距约为50～100纳米，其热稳定性极好，在后续粉末冶金或粉末锻造温度下仍然能保持原有的粒度和颗粒间距；弥散相三氧化二铝占铜基体质量分数约为6-15％，几乎不影响铜固有的物理化学性质，所以在粉末冶金和粉末锻造工艺中不需为此做过多的调整。纳米氧化铝弥散强化铜的制备工艺为熔炼铜铝固溶合金，用高压氮气雾化制粉；将粉末与氧化铜粉混合；将混合粉加热到高温使氧化铜分解，生成的氧扩散到铜铝固溶合金的颗粒中，固溶合金中的铝被氧化生成Al₂O₃；在全部铝都被氧化后，在氢气氛中还原粉末中的过量氧，最终制得含有纳米氧化铝弥散强化的铜粉。

3、高压水雾化法制备含有纳米氧化锆陶瓷和纳米氧化铝陶瓷的铁粉：将铁锭在熔化炉中熔化，在铁的熔融液中添加纳米氧化锆陶瓷粉末和纳米氧化铝铜粉末，搅拌均匀后，利用高压水雾化法，含有纳米陶瓷材料的铁水在高压水的作用下破碎成细小的液滴，迅速凝固成固体粉末，雾化产物经沉淀、干燥、还原、筛分，最终制备获得含纳米氧化锆陶瓷和纳米氧化铝陶瓷弥散相的雾化铁粉。高压水雾化法设备主要由金属熔炼炉、中间包、雾化器、收粉器、干燥炉等部分组成。雾化粉末颗粒大小、雾化效率、雾化产量与设备规格和制备工艺相关。

4、添加润滑剂和黏结剂：在含有纳米氧化锆陶瓷和纳米氧化铝陶瓷弥散相的雾化铁粉中添加质量分数0.5％-0.8％的石墨C和0.3％-0.5％的硫化锰颗粒。

5、混料机混合粉末：利用混料机将上述混合粉末均匀混合，供粉末冶金生产使用。混料一般采用旋转的V型或锥桶型容器，混料要求混合粉末混合均匀且松散。

Claims (5)

1.一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，其特征在于，制备步骤包括：

a)高能机械球磨制备纳米陶瓷粉末：利用球磨机粉碎陶瓷材料，使其逐级破碎成粉末，经过筛分优选，最终制备获得颗粒直径为纳米级的陶瓷粉末；

b)内氧化法制备含有纳米陶瓷相的预合金：利用内氧化法使固溶体合金中溶质元素在氧气氛下形成纳米级氧化物并均匀分布在合金中形成含有纳米陶瓷相的预合金；

c)高压水雾化法制备含有纳米陶瓷相的铁粉：将铁锭或铁矿石在熔化炉中熔化，在熔融铁液中添加纳米陶瓷粉末和含有纳米陶瓷相的预合金中的任意一种或多种的混合，利用高压水雾化法制备含纳米陶瓷相的铁粉。

2.根据权利要求1所述一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，其特征在于，含有的纳米陶瓷相为氧化铝陶瓷Al₂O₃、氧化锆陶瓷ZrO₂、碳化硅陶瓷SiC、氮化硅陶瓷Si₃N₄、氮化硼陶瓷BN、碳化钨陶瓷WC中的任意一种或几种。

3.根据权利要求1所述一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述高能机械球磨是利用球磨的转动或振动，使硬球对陶瓷材料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把粉末粉碎成为纳米级微粒，高能球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部组成。

4.根据权利要求1所述一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述筛分优选是利用振动筛逐级筛选高能机械球磨后的粉末，颗粒粗大的重新进行高能机械球磨，最终选取纳米级陶瓷粉末。

5.根据权利要求1所述一种含纳米陶瓷相雾化铁粉的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述高压水雾化设备由金属熔炼炉、中间包、雾化器、收粉器、干燥炉组成。