TW201718901A

TW201718901A - 以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法、其粉末和燒結體

Info

Publication number: TW201718901A
Application number: TW104138356A
Authority: TW
Inventors: Kuen-Shyang Hwang; ming-wei Wu; Yang-Liang Fan
Original assignee: Taiwan Powder Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-06-01
Also published as: JP2017095792A; TWI570245B; CN106735161A

Abstract

一種以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法、其粉末和燒結體，該方法先將一氧化鐵粉與一含金屬的粉末混合形成一混合粉末；對該混合粉末進行一噴霧造粒製程，使該混合粉末形成一球狀噴霧造粒粉；將該球狀噴霧造粒粉置於一還原環境並加熱至一低於700℃的還原溫度，以得到一多孔球狀鐵基合金粉。由該方法所製得的鐵基合金粉，具有低成本、高流動性、高壓縮性及優異燒結性等優點。

Description

以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法、其粉末和燒結體

本發明為有關一種製備鐵基合金粉的方法、其粉末和燒結體，尤指一種以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法、其粉末和燒結體。

粉末冶金(Powder Metallurgy)為金屬材料常見的製造技術之一，其中又以鐵為主原料之粉末的應用範疇最廣，其依據製備的方式大致可分為預合金粉末、擴散合金粉末、混合粉末或以上粉末之混合物等。

上述各種形式粉末的平均粒徑皆為大約70μm，屬於粗粉末，具有較大的顆粒間隙，顆粒間隙大將使得燒結成品中的孔隙的尺寸也較大，此大孔隙導致機械性質變差。另，相較於細粉末，粗粉末因擴散距離較大，導致在燒結階段時合金的均質性較差，此外，因粗粉末的表面積較小，使得燒結驅動力變低，導致燒結效率較差、燒結密度較低，進而影響該成品的品質。

當採用細鐵粉，以羰基鐵粉為例，雖粉末具有高比表面積，燒結性高，易燒至高密度，但此種粉末之流動性差，使得在乾壓成形時難以流入模穴，所以不易自動化；又因羰基鐵粉採用高溫、高壓之化學反應製程，所以其還具有高成本的缺點。而其他如水噴霧法，雖也可製作細鐵粉，但也有流動性差的問題，此外，傳統生產細鐵粉的良率低，成本仍偏高。

鑒於上述問題，本案發明人遂提供一解決方法，如中華民國發明專利公告第I294318以及德國專利公開第DE102006027851號所示之「燒結硬化粉末及其燒結體」，其揭示一種燒結硬化粉，該燒結硬化粉包含有鐵、碳、鎳、鉻、鉬，鐵為其主成分，且合金比例以重量百分比可表示為碳含量：0.1-0.8%，鎳含量：3.5-12.0%，鉻含量：0.1-7%，鉬含量：2.0%以下，該燒結硬化粉使用0.1~30μm的細粉，如羰基鐵粉，經噴霧造粒後的粉末具流動性可供乾壓成形用。

據此，可利用該燒結硬化粉以粉末冶金製程製得一具有高密度之燒結體，該燒結體可不經淬火之熱處理而僅以低溫回火處理，即可達到良好之機械性質。然而，該燒結硬化粉因使用羰基鐵粉，還是具有成本高的問題，若所用之羰基鐵粉含有碳時其硬度高，也會造成生胚密度低、模具易磨耗等問題，不利於工業上之應用。

本發明的主要目的，在於解決習知粉末冶金製程中，使用細鐵粉製作具高密度、高機械性質、均勻顯微組織之粉末冶金鐵基合金工件成本過高的問題。

為達上述目的，本發明提供一種以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，包含下列步驟：

步驟1：將一氧化鐵粉與一含金屬的粉末混合形成一混合粉末；

步驟2：對該混合粉末進行一噴霧造粒製程，使該混合粉末形成一球狀噴霧造粒粉；以及

步驟3：將該球狀噴霧造粒粉置於一還原環境並加熱至一低於700℃的還原溫度，以得到一多孔球狀鐵基合金粉，該多孔球狀鐵基合金粉具有一大於0.9 m2/g的比表面積。

為達上述目的，本發明還提供一種多孔球狀鐵基合金粉，係以前述方法製造得到。

為達上述目的，本發明更提供一種鐵基合金燒結體，係使用前述方法得到之多孔球狀鐵基合金粉經由一燒結製程得到。

本發明無意間發現在低於700℃的還原溫度對該球狀噴霧造粒粉進行還原後，可得到外觀為球狀且具有大量孔洞之多孔球狀鐵基合金粉，其中，球狀之特性可提高流動性，以利乾壓成形時容易進入模穴；而多孔結構可提供高比表面積，可幫助燒結反應，因而得到高燒結密度。由於本發明採用該氧化鐵粉，其成本較羰基鐵粉或其他細鐵粉為低，且還原溫度低，故可達到降低成本之功效。

另一方面，當該含有金屬的粉末採用一合金元素粉時，因還原溫度較低，該合金元素粉不會擴散至鐵粉的內部，無法均質化，故可保留還原後鐵粉之低硬度及高壓縮性，較容易得到高生胚密度，而高生胚密度又有助於得到高燒結密度。此外，又因為本發明方法的還原溫度低，可添加一些碳粉，如石墨粉或碳黑粉，這些碳有助於一部分的氧化鐵粉及金屬氧化物粉還原，且不會擴散至鐵粉的內部，故也可避免壓縮性降低的問題。相對地，使用高溫還原時雖還原速度快，但卻會造成粉末硬度提高，導致壓縮性降低，以及燒結性變差，無法燒結至高密度等問題。

有關本發明的詳細說明及技術內容，請參閱『圖1』所示一實施例的步驟流程圖。如圖所示，本發明為一種以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法、其粉末和燒結體，該方法包含下列步驟：

步驟1：將一氧化鐵粉與一含金屬的粉末混合形成一混合粉末。該氧化鐵粉可為三氧化二鐵(Fe2O3)或四氧化三鐵(Fe3O4)，且平均粒徑介於0.1μm至5μm之間，該含金屬的粉末可為一金屬元素粉、一金屬合金粉、一金屬氧化物粉或其組合，該金屬元素粉可為鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、銅(Cu)或其組合，該金屬合金粉為包括至少一合金用金屬的一鐵系合金粉，該合金用金屬可為鉻(Cr)、矽(Si)、釩(V)、錳(Mn)、鈮(Nb)或其組合，而該金屬氧化物粉可為氧化鎳(NiO)、氧化鉬(MoO3) 、氧化鎢(WO3)、氧化銅(CuO)、氧化亞銅(Cu2O)或其組合。

步驟2：對該混合粉末進行一噴霧造粒製程，使該混合粉末形成一球狀噴霧造粒粉。

步驟3：將該球狀噴霧造粒粉置於一還原環境並加熱至一還原溫度，該還原溫度低於700℃，以得到一多孔球狀鐵基合金粉，該多孔球狀鐵基合金粉具有一大於0.9 m2/g的比表面積，於本發明之一實施例中，該多孔球狀鐵基合金粉的比表面積係介於0.9m2/g和20m2/g之間。

該還原環境可為一純氫氣氣氛、一裂解氨氣氣氛或其他含氫氣氛，該還原溫度較佳地介於500℃至700℃之間，該多孔球狀金屬粉的粒徑介於5μm至80μm之間，且該多孔球狀鐵基合金粉的比表面積大於1m2/g。於本發明之一實施例中，該多孔球狀鐵基合金粉可進一步含有重量百分比小於7 wt.%的鎳以及至少一重量百分比分別小於1 wt.%的強化元素，而其餘為鐵(Fe)。該強化元素可為鉬、鉻、釩、鎢、碳、銅、錳、鈮或矽等元素，其中，鉬、鉻、釩、鎢、碳、銅、鈮、錳或矽的重量百分個別小於1 wt.%，如此一來，可提供強化的功效。於本發明中，該多孔球狀鐵基合金粉的成份可為各種商用鐵基合金，並根據該氧化鐵粉與該含金屬的粉末的比例以及所選用的該含金屬的粉末的種類調配得到。

於本發明之一實施例中，該氧化鐵粉與該含金屬的粉末還可進一步和一碳粉混合，該碳粉可為一石墨粉或一碳黑粉，將有助於一部分的該氧化鐵粉或該金屬氧化物粉還原，因該還原溫度較低，碳將不會擴散至鐵粉的內部，故可避免壓縮性降低的問題。

進一步具體說明本發明以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法之內容，請續參閱下述依據本發明方法進行之實驗例以及非採本發明方法進行之比較例，表1所示為各實驗例及比較例之化學組成，表2所示為各實驗例和比較例的製程條件、還原得到之多孔球狀鐵基合金粉的粒徑、比表面積、生胚密度(%)和燒結密度(%)。在以下各實驗例和比較例中，該還原環境係採用氫氣氣氛。表1 各實驗例和比較例所使用的化學組成(wt.%) 表2 實驗例1至4和比較例1至3的製程條件、粒徑、比表面積和生胚密度與燒結密度

實驗例1~2：係採用組成1之混合粉末，其中三氧化二鐵粉末的平均粒徑為0.3μm，316L不鏽鋼粉含有17wt.%的鉻、 10.4wt.%的鎳、2.2wt.%的鉬、1.6wt.%的錳、0.6wt.%的矽，且其平均粒徑為8μm，鉬粉的平均粒徑為3μm，此混合粉末加入黏結劑、塑化劑及水後，經該噴霧造粒製程後得到球狀的噴霧造粒粉，經由剖面檢查無中空大孔洞。將此噴霧造粒粉末分別於600℃、650℃的還原溫度下，經過3小時進行還原，所得到之多孔球狀鐵基合金粉，比表面積分別為4.55m2/g和3.20m2/g，生胚密度在70﹪以上，壓縮性佳，而燒結密度分別達98.9%和97.9%。『圖2』為實驗例1之多孔球狀鐵基合金粉的電子顯微鏡照片，由照片可清楚看到，該多孔球狀鐵基合金粉係呈良好的球狀，且具有大量的微細孔洞，保留了大量的表面積，亦即保留了大量的燒結驅動力。經由剖面檢查此微細孔洞與還原後之細鐵粉均勻分佈，心部無中空大孔，所以流動性佳，適合乾壓成形用。

實驗例3：係採用組成2之混合粉末，於600℃的還原溫度下，經過3小時進行還原，所得到之多孔球狀鐵基合金粉，比表面積為2.56 m2/g，生胚密度在70﹪以上，壓縮性佳，而燒結密度達94.6%。由高倍率電子顯微鏡可清楚看到該多孔球狀鐵基合金粉係呈良好的球狀，且具有大量的孔洞。

實驗例4：係採用組成3之混合粉末，於700℃的還原溫度下，經過3小時進行還原，所得到之多孔球狀鐵基合金粉，比表面積為1.26m2/g，而燒結密度達95.6%。該多孔球狀鐵基合金粉係呈良好的球狀，且具有大量的孔洞。

比較例1~2：係採用組成1之混合粉末，於750℃、800℃的還原溫度下，經過3小時進行還原所得到之鐵基合金粉，比表面積僅為0.20m2/g和0.08m2/g，生胚密度分別為79.2%及79.4%，比實驗例高，但燒結密度卻僅91.5%和89.7%。該鐵基合金粉雖略呈球狀，但幾乎不具孔洞，所以比表面積小，燒結驅動力低。

比較例3：係採用組成2之混合粉末，於750℃的還原溫度下，經過3小時進行還原，所得到之鐵基合金粉，比表面積僅為0.86 m2/g，生胚密度為73.1%，燒結密度僅92.6%。

綜上所述，本發明係無意間發現在低於700℃的還原溫度對該球狀噴霧造粒粉進行還原後，可得到外觀為球狀且具有大量孔洞之多孔球狀鐵基合金粉，其中，球狀且心部無中空大孔洞之特性可提高流動性，以利乾壓成形時容易進入模穴；而多孔性可提供高比表面積，可幫助燒結反應，因而得到高燒結密度。此外，因還原溫度低，合金元素及碳尚未與鐵反應形成合金，所以粉末硬度仍低，壓縮性佳。其次，由於本發明採用該氧化鐵粉，經本發明之製程後其整體成本仍遠較較常用之羰基鐵粉或其他細鐵粉為低，故可達到降低成本之功效。

另一方面，當該含有金屬的粉末採用一合金元素粉時，因還原溫度較低，該合金元素粉無法均質化，故可保留該氧化鐵粉之低硬度及高壓縮性，較容易得到高生胚密度，而高生胚密度又有助於得到高燒結密度。此外，又因為本發明方法的還原溫度低，可添加一些碳粉，如石墨粉或碳黑粉，這些碳有助於一部分的氧化鐵粉及金屬氧化物粉還原，且不會擴散至鐵粉的內部，故可避免壓縮性降低的問題。相對地，使用高溫還原時雖還原速度快，但卻會造成粉末硬度提高，導致壓縮性降低，燒結密度偏低的問題。

以上已將本發明做一詳細說明，凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

1-3‧‧‧步驟

『圖1』，為本發明一實施例的步驟流程圖。『圖2』，為實驗例1之多孔球狀鐵基合金粉的電子顯微鏡照片。

1-3‧‧‧步驟

Claims

一種以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，包含下列步驟：步驟1：將一氧化鐵粉與一含金屬的粉末混合形成一混合粉末；步驟2：對該混合粉末進行一噴霧造粒製程，使該混合粉末形成一球狀噴霧造粒粉；以及步驟3：將該球狀噴霧造粒粉置於一還原環境並加熱至一低於700℃的還原溫度，以得到一多孔球狀鐵基合金粉，該多孔球狀鐵基合金粉具有一大於0.9 m2/g的比表面積。
如申請專利範圍第1 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該氧化鐵粉為三氧化二鐵或四氧化三鐵。
如申請專利範圍第1 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該氧化鐵粉具有一介於0.1μm至5μm之間的平均粒徑。
如申請專利範圍第1 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該含金屬的粉末擇自於一金屬元素粉、一金屬合金粉以及一金屬氧化物粉所組成的群組。
如申請專利範圍第4 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該金屬元素粉擇自於鎳、鉬、鎢以及銅所組成的群組。
如申請專利範圍第4 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該金屬合金粉為包括至少一合金用金屬的一鐵系合金粉，該合金用金屬擇自於鉻、矽、釩、錳以及鈮所組成的群組。
如申請專利範圍第4 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該金屬氧化物粉擇自於氧化鎳、氧化鉬、氧化鎢以及氧化銅所組成的群組。
如申請專利範圍第1 項所述之以還原反應製備多孔球狀鐵基合金粉的方法，其中該多孔球狀鐵基合金粉包括重量百分比小於7 wt.%的鎳以及至少一重量百分比分別小於1 wt.%的強化元素，其餘為鐵，其中，該強化元素擇自於鉬、鉻、釩、鎢、碳、銅、鈮、錳及矽所組成的群組。
一種多孔球狀鐵基合金粉，係以申請專利範圍第1項至第8項任一項的方法製造得到。
一種鐵基合金燒結體，係使用申請專利範圍第1項至第8項任一項的方法得到之多孔球狀鐵基合金粉經由一燒結製程得到。