CN114309594A

CN114309594A - 一种铜铁复合粉体及其制备方法

Info

Publication number: CN114309594A
Application number: CN202111672413.0A
Authority: CN
Inventors: 班丽卿; 王蕊; 杨心语; 王林山; 王�忠; 梁雪冰; 石韬; 李楠楠; 付东兴; 潘旭
Original assignee: Beijing Youyan Powder New Materials Research Institute Co ltd
Current assignee: Beijing Youyan Powder New Materials Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明涉及一种铜铁复合粉体及其制备方法。一种铜铁复合粉体，包括铜铁复合物；所述铜铁复合物呈铜包覆铁的核壳结构，包覆完整均一；所述铜铁复合粉体中铜重量百分比占5％～30％；所述铜铁复合粉体在300MPa压制压力下，粉体压坯密度为6.1g/cm³以上，压坯强度为20～40MPa。本发明解决了铁盐废水难处理以及粉体压缩性和成形性差的问题。

Description

一种铜铁复合粉体及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种铜铁复合粉体及其制备方法。

背景技术

铜铁复合粉末作为一种新兴的高技术含量的有色金属新材料，是含油轴承制品、刹车片、电碳制品、金刚石工具等制造领域的原材料，部分取代了铜锡合金粉末、纯铜粉，不仅大幅降低了原材料成本，而且在制品性能提高方面(如更好的强度、抗黏结性能等)发挥了很大作用。

现有技术中，铜铁复合粉末工艺主要以硫酸铜溶液为原料，通过与铁粉发生化学置换反应，经多次洗涤、过滤、再还原干燥处理制备。这种方法生产过程工序长，且产生大量含FeSO₄的污水，直接排放将污染环境。同时铁离子无法回收，造成资源浪费的同时加剧生产过程损耗，增加生产成本。生产后期需处理废水废渣，进一步大幅增加成本。另外，利用以上工艺制备的铜铁复合粉的压缩性和成形性差。

为此，提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜铁复合粉体及其制备方法，其解决了铁盐废水难处理以及粉体压缩性和成形性差的问题。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种铜铁复合粉体，包括铜铁复合物；所述铜铁复合物呈铜包覆铁的核壳结构，且铁的包覆率≥90％；所述铜铁复合粉体中铜重量百分比占5％～30％；

所述铜铁复合粉体在300MPa压制压力下，粉体压坯密度为6.1g/cm³以上，压坯强度为20～40MPa。

与化学置换反应制备的铜铁复合粉体相比，本发明的产品在压缩性和成形性方面有明显改善，在300MPa压制压力下，粉体压坯密度达到6.1g/cm³以上，压坯强度达到20～40MPa，显示出良好的压缩性和成形性。

另外，本发明的铜铁复合粉体在其他方面也有所改善，列举如下。

进一步地，所述铜铁复合粉体的松装密度为2.2～3.0g/cm³，流动性≤36s/50g。

进一步地，所述铜铁复合粉体的松装密度为2.2～2.7g/cm³，流动性≤33s/50g。

进一步地，所述铜铁复合粉体的粒度组成：大于80目的占10wt.％以下，小于325目的占10-30wt％，80目～325目之间为余量。

本发明的铜铁复合粉体的粒径主要处于80目～325目范围，具有合适的粒径。

进一步地，所述铜铁复合粉体的粒度组成：大于80目的占5wt％以下，例如0.8wt％以下，0.6wt％以下，0.3wt％以下。

进一步地，所述铜铁复合粉体的径向收缩率≤0.3％，高度收缩率≤0.5％。径向收缩率和高度收缩率处于较低水平，说明本发明到的产品具有更好的尺寸稳定性。径向收缩率是指粉末压坯烧结后径向尺寸变化率，其测量公式：径向收缩率＝(压坯烧结前径向尺寸-压坯烧结后径向尺寸)/压坯烧结前径向尺寸；高度收缩率是指粉末压坯烧结前高度尺寸变化率，其测量公式：高度收缩率＝(压坯烧结前高度尺寸-压坯烧结后高度尺寸)/压坯烧结前高度尺寸。

进一步地，所述铜铁复合粉体在400MPa压制压力下，粉体压坯密度为6.4g/cm³以上，压坯强度为30～60MPa。

本发明还提供了上述铜铁复合粉体的制备方法，其包括下列步骤：

将粉状铁源和粉状铜源混合后在还原气氛中烧结，烧结温度为500～900℃，破碎，得到铜铁复合粉体。

与现有技术相比，本发明所采用的原料都是固态粉，并且在固相中反应生成复合粉体，不涉及溶剂或铁盐、铜盐等，避免了由此带来的污染、高成本等问题。

进一步地，所述粉状铁源包括还原铁粉、雾化铁粉、一次还原铁粉中的至少一种，并且Fe元素的质量分数≥98％；

和/或，

所述粉状铜源包括氧化铜粉、氧化亚铜粉、电解铜粉、雾化铜粉、超细铜粉、低松比铜粉中的至少一种，且纯度≥97％，此处的纯度指化合物或单质的纯度。超细铜粉通常指粒径在D50≤10μm的铜粉，低松比铜粉通常指松比在0.8-1.2g/cm³的铜粉。

进一步地，所述粉状铁源的粒径≤80μm。

进一步地，所述粉状铜源的粒径≤5μm。进一步地，还原性气氛为分解氨气气氛。进一步地，所述混合为惰性气氛下的机械混合，混合条件优选800r/min以上。

综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)采用绿色环保工艺制备了一种新的铜铁复合粉体，粉体压缩性、成形性好，压制件尺寸稳定性好，径向和高度收缩率小，可代替市面现有的以硫酸铜溶液和铁粉为原料制备的铁粉铜铁复合粉末，弥补其环保性差、生产成本高、产品压缩性和成形性差的不足，起到保护环境、提高零件性能的作用。

(2)该铜铁复合粉体的制备工艺简单易操作，无污染，能耗小，易于产业化生产。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1采用本发明的实施例2制备得到的样品的扫描电镜形貌图；

图2采用本发明的实施例3制备得到的样品的扫描电镜形貌图；

图3采用本发明的实施例3和采用化学置换法制备得到样品的压缩性曲线图；

图4采用本发明的实施例3和采用化学置换法制备得到样品的成形性曲线图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原药、试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品或者可以根据现有技术制备得到。

实施例1-8

表1给出了所制备铜铁复合粉的性能和包覆铜的比例。通过改变原料中包覆铜的比例，在其他制备条件不变的情况下(指原料化学组成相同的情况下，原料化学组成不同时，生成工艺略有差异，下文将详细说明)，可以制备出不同铜包覆量的样品。表1中所述的“包覆量”指铜铁复合粉体中铜的重量百分比。

实施例1和5至7采用的原料化学组成相同，采用的生产工艺类似，除表1中所列举的区别外，其余条件均相同，以实施例1为例介绍生产过程。

实施例1

一种铜铁复合粉体材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将还原铁粉与电解铜粉按照表中质量比混合后进行机械混合(氮气气氛保护)，得到预处理的金属粉末，机械混合速度为800r/min，混合时间为120min。

(2)将步骤(1)中得到的预处理的金属粉末在分解氨气氛中进行高温还原扩散，反应温度为800℃，反应时间为6h，得到复合粉体烧结料。

(3)将步骤(2)中得到的复合粉体烧结料经破碎、筛分，得到复合粉体。

实施例2

一种铜铁复合粉体材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将雾化铁粉与氧化铜粉按照表1质量比混合后进行机械混合，得到预处理的金属粉末，机械混合速度为1000r/min，混合时间为75min。

(2)将步骤(1)中得到的预处理的金属粉末在分解氨气氛中进行高温还原扩散，反应温度为500℃，反应时间为2h，得到复合粉体烧结料。

实施例3

一种铜铁复合粉体材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将还原铁粉(形貌如图1所示)与雾化铜粉按照表1质量比混合后进行机械混合，得到预处理的金属粉末，机械混合速度为600r/min，混合时间为40min。

(2)将步骤(1)中得到的预处理的金属粉末在氮氢混合气氛中进行高温还原扩散，反应温度为850℃，反应时间为4h，得到复合粉体烧结料。

(3)将步骤(2)中得到的复合粉体烧结料经破碎、筛分，得到复合粉体，形貌如图2所示。

实施例4与实施例8的制备方法相同，区别在于表1中列举。

实施例8

一种铜铁复合粉体材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将一次还原铁粉与雾化铜粉按照表1质量比混合后进行机械混合，得到预处理的金属粉末，机械混合速度为2500r/min，混合时间为45min。

(2)将步骤(1)中得到的预处理的金属粉末在氮氢混合气氛中进行高温还原扩散，反应温度为900℃，反应时间为12h，得到复合粉体烧结料。

表1 不同产品的原料及其性能

表1给出了不同铜包覆量的松装密度、流动性和粒度分布，其表明本发明得到的铜铁复合粉体松装密度为2.2-3.0g/cm³，流动性≤36s/50g，粒度组成：+80目≤5％，-325目≤10-30％，-80～+325目余量。

还比较了上述实施例与化学置换法(见对比例1-2)的效果区别。

对比例1-2

(1)用去离子水配制0.30mol/L浓度的硫酸铜溶液，并调整溶液pH值到3，加入EDTA、硫脲添加剂，混合均匀；

(2)将还原铁粉加入到步骤(1)的硫酸铜溶液中(铜与铁的质量比参照表2)，混合反应，所得到的沉淀物用去离子水洗涤；

(3)洗净后的粉末经脱水后，还原处理，还原温度600℃，还原时间2h；

(4)粉末进行轻微破碎、筛分，得到最终铜铁复合粉体。

表2显示本发明产品的外径变化率和高度变化率均下于化学置换法，说明本发明的铜铁复合粉具有更好的尺寸稳定性。

表2 本发明与化学置换法的比较

本发明还比较了实施例3与铜包覆比例为15％的化学置换复合粉末的压缩性和成形性。其中，“压缩性”代表粉末在压制过程中被压紧的能力，在标准的模具中，在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密度表示。成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末得以成形的最小单位压制压力表示，或者用压坯的强度来衡量。

如图3和4所示，显示：①压缩性曲线表明，随着压制压力由200MPa提高至400MPa，采用本发明的实施例3的压坯密度呈现上升趋势，由5.60g/cm³增大至6.40g/cm³，且在相同压制压力下，采用本发明的实施例3的压坯密度均高于采用化学置换法制备得到的铜铁复合粉的压坯密度，压坯密度差在0.14～0.22g/cm³之间。在300MPa压制压力下，采用本发明的实施例3的压坯密度达6.12g/cm³，采用化学置换法制备得到的铜铁复合粉在相同压力下的压坯密度为5.90g/cm³；在400MPa压制压力下，采用本发明的实施例3的压坯密度达6.40g/cm³，采用化学置换法制备得到的铜铁复合粉在相同压力下的压坯密度为6.25g/cm³。很明显，本发明的铜铁复合粉具有更好的压缩性。②成形性曲线表明，随着压坯密度由5.40g/cm³提高至6.20g/cm³，采用本发明的实施例3的压坯强度呈现上升趋势，由19MPa增大至53MPa，且在相同压坯密度下，采用本发明的实施例3的压坯强度均高于采用化学置换法制备得到的铜铁复合粉的压坯强度，采用本发明实施例3的压坯强度比化学置换复合粉末的压坯强度高近50％。压坯密度为5.80g/cm³时，采用本发明的实施例3的压坯强度为30MPa，压坯密度为6.00g/cm³时，采用本发明的实施例3的压坯强度为43MPa，符合压坯密度≥5.90g/cm³时，压坯强度(成形性)位于20-40MPa之间，采用化学置换法制备得到的铜铁复合粉在相同压坯密度下的压坯强度位于15-25MPa之间；压坯密度为6.20g/cm³时，采用本发明的实施例3的压坯强度为53MPa，符合压坯密度≥5.90g/cm³时，压坯强度(成形性)位于20-60MPa之间，采用化学置换法制备得到的铜铁复合粉在相同压坯密度下的压坯强度为32MPa。很明显，本发明的铜铁复合粉具有更好的成形性。

由于压坯强度取决于粉末颗粒之间的联结力作用。在粉末成形过程中，粉末颗粒之间由于位移和变形可以互相楔住和勾连，这种机械啮合力是使压坯具有强度的主要联结力。相较于化学置换复合粉末，本发明机械工艺制备的复合粉末表面存在大量细小的Cu颗粒，表面更加粗糙，在压制过程中粉末之间彼此啮合得更紧密，压坯的强度也越高。

另外，本发明所有实施例得到粉末都显示出良好的包覆均匀性，具有包覆完整均一的特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种铜铁复合粉体，其特征在于，包括铜铁复合物；所述铜铁复合物呈铜包覆铁的核壳结构，包覆完整均一；所述铜铁复合粉体中铜重量百分比占5％～30％；

2.根据权利要求1所述的铜铁复合粉体，其特征在于，所述铜铁复合粉体的松装密度为2.2～3.0g/cm³，流动性≤36s/50g。

3.根据权利要求1或2所述的铜铁复合粉体，其特征在于，所述铜铁复合粉体的粒度组成：大于80目的占10wt.％以下，小于325目的占10-30wt.％，80目～325目之间为余量。

4.根据权利要求3所述的铜铁复合粉体，其特征在于，所述铜铁复合粉体的粒度组成：大于80目的占5wt.％以下。

5.根据权利要求1或2所述的铜铁复合粉体，其特征在于，所述铜铁复合粉体的径向收缩率≤0.3％，高度收缩率≤0.5％。

6.根据权利要求1或2所述的铜铁复合粉体，其特征在于，所述铜铁复合粉体在400MPa压制压力下，粉体压坯密度为6.4g/cm³以上，压坯强度为30～60MPa。

7.权利要求1-6任一项所述的铜铁复合粉体的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粉状铁源包括还原铁粉、雾化铁粉、一次还原铁粉中的至少一种，并且Fe元素的质量分数≥98％；

和/或，

所述粉状铜源包括氧化铜粉、氧化亚铜粉、电解铜粉、雾化铜粉、超细铜粉、低松比铜粉中的至少一种，且纯度≥97％。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述粉状铁源的粒径≤80μm。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述粉状铜源的粒径≤5μm。