CN105537580A

CN105537580A - 粉末冶金用铁基预混合粉及制备方法

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Publication number: CN105537580A
Application number: CN201511001395.8A
Authority: CN
Inventors: 李发长; 柳学全; 李�一; 李楠; 李金普; 丁存光
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2016-05-04

Abstract

一种粉末冶金用铁基预混合粉及制备方法，属于粉末冶金技术领域。该铁基混合粉以铁粉质量为100％计其组分的质量，混合粉组分的质量百分比为：铁粉100％；石墨粉0.6％-0.8％；粘结剂0.1％-0.6％；润滑剂0.1％-0.6％。该铁基预混合粉有机粘结剂包覆在石墨颗粒表面，石墨颗粒通过粘结剂粘附到铁基粉末颗粒的表面，这样得到无偏析石墨混合粉末，该无偏析石墨混合粉末具有较高的粘结效率和良好的流动性。在保证石墨粘结效率的前提下使得粘结剂使用量减少，并且不降低铁基预混合粉的其它性能，解决了传统机械混合粉末压制的压坯密度一致性、尺寸稳定性差的问题。

Description

粉末冶金用铁基预混合粉及制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别是涉及一种粉末冶金用铁基预混合粉及制备方法。

背景技术

粉末冶金用铁基预混合粉通常添加主体粉末铁粉、合金元素粉末、润滑剂等，以及按需添加的改善粉末冶金零件性能的添加剂粉末。传统的粉末冶金方法制备工艺中的混料是不同的原料粉配比之后通过机械混合的方法进行的，然而，原料粉的粒度、密度、形貌等的差异较大有可能使得机械混合并不能均匀地混合。在混合的过程中，原料的密度差异会引起粉末的扬尘，不仅使得生产环境恶化，还造成了合金元素粉末的浪费，由于合金元素粉末的价格相对较高，提高了生产成本。另外，在运输、存储过程中，颠簸造成合金元素粉末在混合粉中某一区域的富集，进而在压制、烧结工序中造成烧结制件性能和尺寸的差异增大。

预混合粉是粉末生产企业根据市场的特定需求开发出的一种粉末，它是将合金元素粉末通过粘结剂粘附在铁粉基体上，以此来改善合金元素粉末的偏析。目前将粘结剂和粉末混合的方法有两种：溶解法和热混法。

(1)溶解法：溶解法的基本工艺是将粘结剂溶解于适量的溶剂中，铁粉和合金元素粉末混合后的预混合粉再与粘结剂溶液混合，使溶剂挥发，干燥后得到预混合粉。

(2)热混法：其基本过程是将铁、合金元素等粉末干混，之后在加热的状态下将粘结剂加入后再混合均匀。

显然，当粘结剂以固态形式混入时，粘结剂在粉末中的分布难以达到微观程度的均匀，削弱了粘结效果；而粘结剂以液态形式混入时，粘结剂容易在粉末颗粒表面形成一层薄膜，分散更均匀，粘结效果较好。

针对粉末冶金方法制备的机械零件，孔隙对机械性能产生不利影响，因此我们关心零件的一个重要性能是致密度。虽然粘结剂在混粉过程中的粘结作用对最终零件的性能是有利的，并且很多粘结剂同时可以改善润滑性，从而有利于零件密度的提高，但是由于粘结剂的熔点较低，在烧结过程中挥发从零件内部以气态形式逸出，因此最终制件中并不含有粘结剂成分，而粘结剂的逸出会使得粘结剂在压制时所处的位置留下孔洞，从而影响最终零件的致密度。因此，在保证粘结效果的前提下，需要尽量减少粘结剂的使用量。

另外，粘结剂与润滑剂的添加顺序一般是先加润滑剂后加粘结剂，使得润滑剂也被粘结在铁粉颗粒上，可以增加预混合粉的松装密度和流动性。

但是，上述两种粘结剂与粉末的混合方法都是将铁粉、合金元素粉末和粘结剂一同进行机械混合，由于混合粉中绝大部分是铁粉，将所有原料粉末一同混合的结果就是粘结剂有很大的概率会粘附在铁粉颗粒表面而不是合金元素粉末颗粒表面，导致粘结效率降低，而增加粘结剂使用量必定会导致零件的密度及致密度的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末冶金用铁基预混合粉及制备方法，解决了上述粘结剂使用量与粘结效率之间的矛盾，在保证粘结效率的前提下减少粘结剂使用量。

该铁基预混合粉有机粘结剂包覆在石墨颗粒表面，石墨颗粒通过粘结剂粘附到铁基粉末颗粒的表面，这样得到无偏析石墨混合粉末，该无偏析石墨混合粉末具有较高的粘结效率和良好的流动性。在保证石墨粘结效率的前提下使得粘结剂使用量减少，并且不降低铁基预混合粉的其它性能，解决了传统机械混合粉末压制的压坯密度一致性、尺寸稳定性差的问题。

本发明涉及一种粉末冶金用铁基混合粉，以铁粉质量为100％计其组分的质量，混合粉组分的质量百分比为：铁粉100％；石墨粉0.6％‐0.8％；粘结剂0.1％‐0.6％；润滑剂0.1％‐0.6％。

所述的铁粉为还原铁粉，还原铁粉的氧含量小于等于0.3％，且还原铁粉的最大粒径不超过180μm，粒径在45μm以下的颗粒不超过10％，粒径在75μm以上且不到150μm的颗粒在65％以上，粒径在150μm以上且不到180μm的颗粒不超过10％。

所述的石墨粉末是用于改善铁基混合粉制品强度；粒度相对于基体粉末铁粉较小，优选粒径不超过45μm的颗粒，更优选的，粒径不超过10μm；石墨粉末被有机粘结剂包覆。

所述的粘结剂为含有硅元素的有机硅树脂或者有机硅烷。

所述的润滑剂可选自硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸酰胺或硬脂酸的一种或几种。润滑剂优选粒径≤10μm的颗粒，更优选的，粒径≤1μm。

本发明的粉末冶金用铁基预混合粉的制备方法的步骤如下：

(1)制备有机粘结剂包覆的石墨粉末。有机粘结剂溶解于溶剂中制成处理液，将石墨粉末与处理液充分混合后进行干燥除去溶剂得到粘结剂包覆的石墨粉末。

(2)石墨粉末与铁粉混合。石墨粉末包覆了有机粘结剂后与铁粉进行初步的机械混合得到混合粉。

(3)制备润滑剂处理液。润滑剂溶解于溶剂中或分散于分散剂中，得到润滑剂处理液。

(4)混合粉中添加润滑剂。将润滑剂处理液与混合粉混合，干燥除去溶剂或分散剂得到最终预混合粉成品。

作为优选，上述步骤(1)中的石墨粉末，粒径不超过45μm的颗粒，更优选的，粒径不超过10μm。

作为优选，上述步骤(2)中的有机粘结剂为含有硅元素的有机硅树脂或者有机硅烷。

有机硅树脂的分子量选择在200,000‐300,000范围内。有机硅树脂分子量过低不能起到粘结的作用，过高的粘结剂粘度过大，不易溶解或分散，并且引起预混合粉流动性的恶化。

铁粉颗粒表面吸附有羟基，因此铁粉表面具有亲水性，而石墨中的碳原子均系以非极性共价键结合，因此石墨表面具有疏水性。有机硅烷可以看作是一种表面处理剂，有机硅烷与水反应，与硅原子连接的官能团水解形成羟基，可以与铁粉颗粒表面的羟基发生缩合反应与铁粉颗粒相连，而有机硅烷的分子中同时带有的非极性端可以定向吸附于石墨颗粒表面。因此可以通过有机硅烷实现铁粉与石墨粉的连接。并且，有机硅烷分子间也可以通过硅原子所连接的羟基发生缩合反应实现交联，以包覆于铁粉颗粒表面。

发明专利US7604678指出，选择含有硅基的有机润滑剂，可以在烧结过程中原位反应生成碳化硅，增强烧结体的强度，提高压坯的烧结密度。

作为优选，上述步骤①中选择易挥发的非水溶性的溶剂或分散剂。

作为优选，上述步骤①中溶剂或分散剂的使用量为粘结剂质量的10～50倍，低于10倍，可能造成溶解不完全或分散不均匀，高于50倍，则会延长干燥时间。

本发明研究发现铁粉粒度分布影响预混合粉的松装密度和粘结效率，上述步骤②的铁粉为还原铁粉，其氧含量小于等于0.3％，且上述还原铁粉的最大粒径不超过180μm，粒径在45μm以下的颗粒不超过10％，粒径在75μm以上且不到150μm的颗粒在65％以上，粒径在150μm以上且不到180μm的颗粒不超过10％。优选粒度分布均匀的还原铁粉，可以达到较好的粘结效果，获得松装密度较高的预混合粉。

上述步骤(2)所述的铁粉为还原铁粉，还原铁粉颗粒形貌不规则，表面多孔呈海绵状，本发明发现在混粉过程中可利用还原铁粉颗粒形貌不规则这一特点，使得颗粒较小的石墨粉末镶嵌在铁粉颗粒表面的孔隙中，并通过粘结剂增强与铁粉颗粒的粘附作用。

上述步骤(2)中，混粉时间应不低于2h，混粉时间的延长有利于石墨粉末更加均匀地分布，考虑到生产成本，混粉时间优选在2.5h～4h之间。

上述步骤(2)中，混合设备可选择V型混料机、双锥混料机等。

上述步骤(2)中所述的润滑剂可选自硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸酰胺或硬脂酸的一种或几种。润滑剂的颗粒越小越容易溶解或分散，优选粒径≤10μm的颗粒，更优选的，粒径≤1μm。

上述步骤(4)中，润滑剂处理液用喷洒的方式混入混合粉中，并进行混合，混合时间在15‐30min之间。

上述步骤(4)中，混合设备可选择V型混料机、双锥混料机等。

作为优选，上述步骤①和③中选用同一种溶剂或分散剂，在步骤④中，溶剂可以溶解部分粘结剂，溶液状态下，粘结剂可以在混合过程中进一步促进石墨粉末与铁粉的粘附。

作为优选，上述步骤④中的溶剂或分散剂的使用量为润滑剂质量的10～50倍，低于10倍，可能造成溶解不完全或分散不均匀，高于50倍，则会延长干燥时间，并且削弱混合过程中粘结剂的粘结效果。

具体实施方式

实施例1：

设置两种不同混粉工艺，比较混粉工艺对预混合粉性能的影响。

原料是粒度分布相同的100目还原铁粉，铁粉质量0.6％的石墨粉，平均粒径0.5μm，铁粉质量0.6％的硬脂酸锌作为润滑剂，粘结剂为有机硅树脂。

混粉工艺一：石墨粉与铁粉质量0.1％的有机硅树脂的溶液进行混合，溶剂为二甲苯，有机硅树脂与二甲苯的质量比为1:30，充分混合后置于干燥箱中进行干燥处理。干燥后的石墨粉与铁粉在混料机中进行混合，频率为15Hz，混粉时间为2h；混粉同时，将润滑剂硬脂酸锌的二甲苯溶液均匀喷洒在预混合粉中，硬脂酸锌与二甲苯的质量比为1:50，混粉完成后，将混合粉置于干燥箱中70℃干燥0.5h，过筛180μm后得到预混合粉A。

混粉工艺二：铁粉、石墨粉和硬脂酸锌在混料机中进行混合，频率为15Hz，混粉时间为2h，混粉同时，将铁粉质量0.6％的有机硅树脂溶液均匀喷洒在预混合粉中，有机硅树脂与二甲苯的质量比为1：30，混粉完成后，将混合粉置于干燥箱中70℃干燥0.5h，过筛180μm后得到预混合粉B。

对上述两种预混合粉A、B分别在500MPa下以相同工艺进行压制，压制的模具尺寸为30mm×12mm的矩形，压制压坯各20个，然后在90/10的N₂/H₂气氛下烧结，烧结工艺为500℃脱蜡0.5h，1120℃烧结0.5h。

测量两种预混合粉压坯的高度，结果为预混合粉A压坯的高度分布标准差为0.01287mm，预混合粉B压坯的高度分布标准差为0.01539mm，预混合粉A压坯的尺寸一致性较预混合粉B压坯提高了16.37％。

对比预混合粉A和预混合粉B的混粉工艺可以看出，预混合粉A减少了粘结剂使用量，为预混合粉B的1/6。因此，预混合粉A的压坯及烧结件的密度更大，预混合粉A压坯及烧结件的平均密度分别为6.674g/cm³和6.713g/cm³，预混合粉B压坯及烧结件的平均密度分别为6.666g/cm³和6.689g/cm³，预混合粉A压坯及烧结件的平均密度比预混合粉B分别提高了0.12％和0.36％。预混合粉A压坯及烧结件密度的标准差分别为0.00972g/cm³和0.00794g/cm³，预混合粉B压坯及烧结件密度的标准差分别为0.011g/cm³和0.01893g/cm³，预混合粉A的压坯及烧结件比预混合粉B在密度分布的一致性分别提高了11.63％和58.06％。

实施例2：

设置两种不同的铁粉粒度分布，比较铁粉粒度分布对预混合粉性能的影响。

原料是100目还原铁粉，但是各粒度区间的铁粉比例不同，铁粉质量0.8％的石墨粉，平均粒径0.5μm，铁粉质量0.6％的硬脂酸锌作为润滑剂，粘结剂为有机硅树脂。

两种铁粉的颗粒最大粒径均不超过150μm。预混合粉C中，原料铁粉的粒度分布为：<45μm占10％，45～75μm占25％，75～106μm占40％，106～125μm占20％，125～150μm占5％，粒度区间分布较为均匀。预混合粉D中，原料铁粉的粒度分布为：<45μm占20％，45～75μm占10％，75～106μm占15％，106～125μm占40％，125～150μm占15％，较小粒径(<45μm)和较大粒径(>160μm)所占的比例较大，为75％。

混粉工艺：铁粉、石墨粉和硬脂酸锌在混料机中进行混合，频率为15Hz，混粉时间为2h，混粉同时，将铁粉质量0.6％的有机硅树脂溶液均匀喷洒在预混合粉中，有机硅树脂与二甲苯的质量比为1：30，混粉完成后，将混合粉置于干燥箱中70℃干燥0.5h，过筛180μm后得到预混合粉。

预混合粉C的松装密度为3.17g/cm³，流动性为22.4s/50g；预混合粉D的松装密度为2.92g/cm³，流动性为25.8s/50g。C相对于D来说，松装密度提高了8.6％，流动性提高了13.2％。

利用自制的粘结效率测量装置测量预混合粉C、D中石墨的粘结效率，预混合粉C石墨的粘结效率为98.3％，预混合粉D石墨的粘结效率为94.9％，预混合粉C石墨的粘结效率比预混合粉D提高了3.4％。

实施例3：

比较用粘结剂处理的预混合粉与未添加粘结剂的机械混合粉的压坯性能。

原料是粒度分布相同的100目还原铁粉，铁粉质量0.6％的石墨粉，平均粒径0.5μm，铁粉质量0.1％的硬脂酸锌作为润滑剂，粘结剂为有机硅树脂。

预混合粉的混粉工艺：石墨粉与铁粉质量0.1％的有机硅树脂的溶液进行混合，溶剂为二甲苯，有机硅树脂与二甲苯的质量比为1:30，充分混合后置于干燥箱中进行干燥处理。干燥后的石墨粉与铁粉在混料机中进行混合，频率为15Hz，混粉时间为2h；混粉同时，将润滑剂硬脂酸锌的二甲苯溶液均匀喷洒在预混合粉中，硬脂酸锌与二甲苯的质量比为1:50，混粉完成后，将混合粉置于干燥箱中70℃干燥0.5h，过筛180μm后得到预混合粉。

机械混合粉的混粉工艺：铁粉、石墨粉与硬脂酸锌在混料机中进行混合，混粉工艺与预混合粉相同。

对上述两种粉分别在500MPa下以相同工艺进行压制，压制的模具尺寸为30mm×12mm的长方形，压制压坯各20个。

测量上述两种粉压制的压坯的高度，结果为预混合粉的压坯高度的标准差为0.01287mm，机械混合粉的压坯高度的标准差为0.01652mm，预混合粉的压坯尺寸一致性提高了22.09％。

测量上述两种粉压制的压坯的密度，结果为预混合粉的压坯平均密度为6.674g/cm³，压坯密度的标准差为0.00972g/cm³，机械混合粉的压坯平均密度为6.430g/cm³，压坯密度的标准差为0.01528g/cm³，预混合粉的压坯密度提高了3.79％，压坯密度一致性提高了36.39％。

Claims

1.一种粉末冶金用铁基预混合粉，其特征在于，以铁粉质量为100％计其组分的质量，混合粉组分的质量百分比为：铁粉100％；石墨粉末0.6％-0.8％；粘结剂0.1％-0.6％；润滑剂0.1％-0.6％。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于：所述的铁粉为还原铁粉，还原铁粉的氧含量小于等于0.3％，且最大粒径不超过180um。

3.根据权利要求2所述的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于：所述的还原铁粉的粒径在45um以下的颗粒不超过10％，粒径在75um以上且不到150um的颗粒在65％以上，粒径在150um以上且不到180um的颗粒不超过10％。

4.根据权利要求1的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于：石墨粉末的粒径不超过45um的颗粒。

5.根据权利要求1的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于：石墨粉末被有机粘结剂包覆。

6.根据权利要求1的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于，所述的粘结剂为含有硅元素的有机硅树脂或者有机硅烷。

7.根据权利要求1的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于，所述的润滑剂选自硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸酰胺或硬脂酸的一种或几种。

8.根据权利要求1的粉末冶金用铁基混合粉，其特征在于，所述的润滑剂粒径≤10um的颗粒。

9.一种权利要求1-8任何一项所述粉末冶金用铁基混合粉的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)制备有机粘结剂包覆的石墨粉末：有机粘结剂溶解于溶剂中制成处理液，将石墨粉末与处理液混合后进行干燥除去溶剂得到粘结剂包覆的石墨粉末；

(2)石墨粉末与铁粉混合：石墨粉末包覆了有机粘结剂后与铁粉进行机械混合得到混合粉；

(3)制备润滑剂处理液：润滑剂溶解于溶剂中或分散于分散剂中，得到润滑剂处理液。

(4)混合粉中添加润滑剂：将润滑剂处理液与混合粉混合，干燥除去溶剂或分散剂得到最终预混合粉成品。