一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料及其製備方法
2023-06-16 02:24:16
專利名稱：一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料及其製備方法，屬於粉末冶金技術領域。
背景技術：
工業生產中越來越多的金屬部件採用粉末冶金方法來製備，以達到節能、節材、少加工的目的，其中絕大部分為鐵基粉末冶金材料。傳統粉末冶金工藝是將各種粉末如鐵基粉末、石墨、潤滑劑等經過機械混合均勻，然後經壓制工序獲得所需要的產品形狀，最後燒結緻密化得到具有特定形狀、尺寸和性能的成品。粉末冶金工業中，為了使得鐵基粉末冶金材料滿足使用所要求的力學性能，通常向鐵粉和預合金鐵基粉末中添加合金元素以改善其性能。傳統的合金元素有Cu、N1、Mo等，這些有色金屬元素存在價格高，回收利用困難(如Cu)、有毒性(如Ni)等問題，因此含有新合金元素的鐵基材料的開發成為熱點。Mn對鐵基體的強化作用明顯、價格便宜、儲量大、容易獲取，近年這類含錳鐵基粉末冶金材料的應用越來越廣泛。燒結成品的密度、力學性能及尺寸穩定性對粉末冶金製品的應用起到關鍵性作用，這些差異往往源於粉末混合物料的不均勻。因為粉末的粒徑細小、粒徑形貌不同，不同粉末(如鐵、石墨)密度差異較大，採用機械混合不可能達到粉末混合物料微觀均勻，導致最終燒結成品的尺寸與性能不一致。混合物料中不同粉末之間粒徑、密度、形貌的差異也會導致粉末混合物料在輸運、存儲、壓制等一系列過程中發生合金元素在基體中某一區域的富集即偏析，進一步加劇粉末成分不均勻和最終產品性能及尺寸的差異。粉末冶金企業採用粘結劑將合金元素與鐵基粉末粘結，促使石墨及其他合金元素與鐵粉或鐵基預合金粉末均勻混合，稱為預混合技術，可以解決因機械混合導致的各種不均勻問題。如美國專利5069714、4483905、4676831、4834800、5298055報導採用聚乙烯吡咯烷酮、妥爾油、聚酯樹脂、聚環氧烷等粘結劑製備鐵基預混合料。這些粘結劑處理鐵基粉末都可一定程度上促進合金元素粉末混合均勻，使得燒結產品的密度、力學性能及尺寸穩定性提高。但預混合工藝均沒有詳細報導，而且上述粘結劑存在共同的弊端是壓坯在燒結前期的脫除過程中，粘結劑在高溫熱分解速度慢，導致粘結劑脫除時間長，從而延長了製備周期。含錳鐵基粉末中，錳與氧親和力強，導致常規機械混合含錳鐵基粉末在存儲、運輸、壓制等過程中易被潮溼空氣氧化。若將含錳鐵基粉末製成預混合料，則具有以下優勢:避免錳在儲存、運輸、壓制過程中的氧化；提高壓坯，燒結體密度的一致性；提高燒結體尺寸的穩定性。目前國內外尚未有針對粉末冶金用含錳鐵基預混合料的預混合工藝及其所用粘結劑的專利報導。若使用普通預混合鋼粉的粘結劑製取含錳鐵基預混合料，其壓製成型後的壓坯在高溫下脫脂時間長，增加了脫脂過程中壓坯與含氧氣氛的接觸時間，導致壓坯氧化嚴重，燒結性能下降，因此粘結的選擇至關重要。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術之不足而提供一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料及其製備方法。本發明工藝方法解決了由常規粘結劑製取的鐵基預混合料經壓製成型的壓坯在高溫脫脂過程中脫脂時間過長的問題，克服了由傳統機械混合粉末製成的壓坯和燒結成品密度一致性、尺寸穩定性較差的難題。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其組分以質量百分比計為:鐵基粉末95_98% ；含Mn 合金粉 0.5-2% ；石墨粉0.5-2%;粘結劑0.05-0.4% ;潤滑劑0.5-1.0%;其中粘結劑為聚丙烯酸酯類聚合物。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，所述鐵基粉末為純鐵粉或低合金鋼粉，鐵基粉末的粒徑為100-200 μ m，優選為100-150 μ m，鐵基粉末中氧的質量百分含量小於等於0.25%。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料,所述含Mn合金粉為FeMn合金粉，FeMn合金粉中Mn的質量百分含量為30_70%，優選為45_70%，氧的質量百分含量小於等於1.5%，鐵錳之外的其它元素的總質量百分含量控制在3%以下；FeMn合金粉的粒徑範圍為10-30 μ m,優選為 10-20 μ m。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料,所述石墨粉的粒徑範圍為10-40 μ m,優選為 10-30 μ m,更優選為 10-20 μ m。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，所述粘結劑為分子量(400000的非交聯聚丙烯酸酯類聚合物，分子量優選為10000-100000。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，所述潤滑劑選自硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸中的至少一種。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，包括下述步驟:步驟一:混料 按含Mn鐵基預混合料各組分的質量百分比分別配取鐵基粉末95-98%，FeMn合金粉0.5-2.0%，石墨粉0.5-2.0%，粘結劑0.05-0.4%，潤滑劑0.5-1.0% ;其中粘結劑為非交聯聚丙烯酸酯類聚合物；將粘結劑溶解到有機溶劑中形成粘結劑溶液備用；其中溶劑的質量為粘結劑質量的10-50倍；將所配取的鐵基粉末、FeMn合金粉、石墨粉、潤滑劑機械混合均勻，得到粉末幹混料；然後將混料機內的相對真空度調節至-0.05 -0.1MPa，待混料機內部真空度穩定後，關閉真空閥，將粘結劑溶液以噴霧的形式均勻的噴灑至幹混料中，機械混合均勻，得到預混合料；步驟二:脫除溶劑對步驟一製得的預混合料進行乾燥脫除溶劑，乾燥溫度為50-100°C ；步驟三:分級
將步驟二所得乾燥後的預混合料置于振動篩中進行振動分級；振動篩的孔徑為45-180 u m,頻率為40-60次/分鐘,分級後合批,合批後得到產品。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，步驟一中，幹混時，混料器的轉動速度為9-20轉/分鐘，幹混的時間為15-30min ;製備預混合料時，混料器轉動速度為15-40轉/分鐘，混料時間為30-60min。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，步驟一中所述有機溶劑選自甲烷氯代烴、甲苯、丙酮，甲基乙基酮中的一種。本發明提及的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，步驟二中，乾燥脫除溶劑在混料器中進行，乾燥時間為40-70min。發明的原理和優勢本發明對含Mn鐵基預混合料的預混合工藝作了詳細報導，為以後含Mn鐵基預混合料的生產和研究提供了科學依據，本發明在預混合工藝中採用聚丙烯酸酯類作為粘結齊U，由於所用聚丙烯酸酯類粘結劑分子量適中，在溶劑中的分散效果好，當所配製的粘結劑有機溶液以噴霧的形式加入到幹混料中時，在混料機的機械攪拌作用下，一方面粘結劑均勻分散到幹混料中，另一方面由於合金元素粉末尺寸細小，粘結劑對其的粘附力適中，在粘結劑的作用下細小的合金元素粉末顆粒粘附到鐵基粉末大顆粒上，隨著攪拌的進行，部分鐵基粉末大顆粒上的多層合金元素粘結層外層脫粘，重新粘結到其它鐵基粉末大顆粒上，從而實現合金元素粉末顆粒的均勻粘結。預混合料壓制所得壓坯與傳統機械混合粉末製得的壓坯相比較，在密度的一致性、尺寸的穩定性方面均有明顯的提高。本發明所採用的聚丙烯酸酯類粘結劑由其單體引發聚合而成，在350-500°C發生熱分解，此溫度區間熱分解的絕大部分產物為所用粘結劑聚合物的單體，因此生成的氣態總量少，能夠在燒結氣氛的氣流作用下迅速排出燒結爐，避免了由於粘結劑分解脫除時間長而導致的基體中錳元素的氧化，又由於合金元素粉末顆粒均勻粘結在鐵基體粉末上，從而使燒結產品獲得了穩定的尺寸和高的力學性能。綜上所述本發明製備工藝簡單、便於工業化生產；所製得的含Mn鐵基預混合料避免了在儲存、運輸、壓制過程中出現的偏析現象以及錳的氧化現象；由於本發明所用粘結劑在燒結時能夠迅速分解，並將合金元素粉末顆粒均勻粘結在鐵基體粉末上，使得燒結產品具有穩定的尺寸性能和高的力學性能。下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1含Mn鐵基混合物的組成:98wt%的鐵基粉末，鐵含量大於99.6wt%，粒徑為100-150 u m ；0.5wt%的FeMn合金，錳含量為70wt%，平均粒徑為10 y m ；0.5wt%的石墨，平均粒徑為20 ii m ；0.2wt%的顆粒狀聚丙烯酸甲酯，其分子量為10000 ；0.8wt%的硬脂酸鋅。採用聚丙烯酸甲酯作為預混合的粘結劑。為了說明本發明所用粘結劑脫除速度快的優勢，採用其它常規鐵基粉末預混合使用的粘結劑聚乙烯吡咯烷酮作為比較。當所用粘結劑為聚丙烯酸甲酯時預混合工藝為:按含Mn鐵基混合物的組成稱取鐵粉、FeMn合金粉末、石墨、硬脂酸鋅粉末幹混15min，幹混時混料器的轉動速度為9轉/分鐘；幹混的同時將稱取的聚丙烯酸乙酯溶解在甲苯中得到粘結劑溶液，聚丙烯酸乙酯與甲苯的質量比為1:10 ;幹混後將混料機內的相對真空度調節至-0.05MPa，關閉真空閥後將粘結劑溶液以噴霧的形式均勻的噴灑至幹混料中，同時調節混料器轉速至15轉/分鐘，機械混合30min後，停止混料器的轉動，打開進氣閥，加熱混料器至50°C，保溫40min脫除溶齊U，然後對脫除溶劑的混合物進行振動分級，振動篩的孔徑為45-180 u m,合批，得到預混合料；當粘結劑為聚乙烯吡咯烷酮時，預混合工藝與前述完全相同，僅僅把有機溶劑替換為甲醇。對上述兩種預混合料進行壓制，壓制所用設備為自動液壓機，在相同壓制工藝條件下壓制直徑為20mm圓柱體壓坯各100個，自動液壓機程序控制每次餵料質量相同。對上述兩種壓坯進行脫脂，脫脂工藝如下=H2氣氛；室溫至250°C升溫速率為5°C /min，此階段進行潤滑劑硬脂酸鋅的脫除；250°C至500°C升溫速率為2_5°C /min，此階段進行粘結劑的脫除。對脫脂後樣品進行表面觀察，統計發現，當粘結劑為聚乙烯吡咯烷酮時，脫脂後樣品表面出現裂紋、鼓泡，起皮等缺陷的比率達到5-40%;粘結劑為聚丙烯酸乙酯時，無任何缺陷。實施例2含Mn鐵基混合物的組成:97.55wt%的鐵基粉末，鐵含量大於99.60wt%,粒徑為130-180 u m ；1.0wt°/c^^FeMn合金，錳含量為50wt%，平均粒徑15iim ;0.9wt%的石墨，平均粒徑15 ii m ；0.05wt%的顆粒狀聚丙烯酸乙酯，其分子量為100000 ；0.5wt%的硬脂酸鋰。預混合工藝為:將按含Mn鐵基混合物的組成稱取的鐵粉、FeMn合金粉末、石墨、硬脂酸鋅粉末幹混20min ;幹混時混料器的轉動速度為15轉/分鐘；幹混的同時將稱取的聚丙烯酸乙酯溶解在二氯甲烷中得到粘結劑溶液，聚丙烯酸乙酯與二氯甲烷的質量比為1:25 ;幹混後將混料機內的相對真空度調節至-0.08MPa，關閉真空閥後將粘結劑溶液以噴霧的形式均勻的噴灑至幹混料中，同時調節混料器轉速至30轉/分鐘，機械混合45min後，停止混料器的轉動，打開進 氣閥，加熱混料器至70°C，保溫60min脫除溶劑，然後對脫除溶劑的混合物進行振動分級，振動篩的孔徑為45-180 u m,合批，得到預混合料。未經粘結劑處理的傳統機械混合(幹混)粉末採用的混料參數與含Mn鐵基幹混料的製備參數完全一樣，其各組分的重量與Mn鐵基幹混料各組分的重量完全一致。未經粘結劑處理的傳統機械混合(幹混)粉末的流動性為26s/50g，預混合料的流動性為24.4s/50g，預混合料的流動性提高了 5.77%。對採用預混合，傳統機械混合製得的混合粉末原料分別在600Ma進行壓制，壓制所用設備為自動液壓機。然後在H2氣氛370°C脫脂、1180°C燒結lh。兩種混合料，在相同壓制工藝條件下壓制截面尺寸為50mmX IOmm的長方體壓還各100個，自動液壓機程序控制每次餵料質量相同。對壓制所得壓坯的密度一致性進行測試分析，測試結果為預混合料壓坯密度分布的標準差為0.034g/cm3，傳統機械混合料壓坯密度分布的標準差為0.045g/cm3，預混合料壓坯密度分布的一致性提高24.5%。對兩種不同混料工藝最終燒結成品的尺寸穩定性進行測試。兩種工藝同樣各選取100個燒結樣品作為研究對象，測試獲取樣品的高度數據。測試結果為預混合工藝燒結樣品的高度分布標準差為0.017_，傳統機械混合工藝燒結樣品的高度分布標準差為0.026_。預混合工藝燒結樣品的尺寸穩定性提高31%。實施例3
含Mn鐵基混合物的組成:95wt%的鐵基粉末，鐵含量大於99.0wt%,粒徑為150-180 u m ；2wt%的FeMn合金，錳含量為30wt%，平均粒徑為20 y m ; 1.8wt%的石墨，其平均粒徑為10 ii m ；0.4wt%的顆粒狀聚丙烯酸丁酯，其分子量為400000 ；0.8wt%的硬脂酸。預混合工藝為:將按含Mn鐵基混合物的組成稱取的鐵粉、FeMn合金粉末、石墨、硬脂酸鋅粉末幹混20min，幹混時混料器的轉動速度為20轉/分鐘；幹混的同時將稱取的聚丙烯酸乙酯溶解在四氯甲烷中得到粘結劑溶液，聚丙烯酸乙酯與四氯甲烷的質量比為1:50 ;幹混後將混料機內的相對真空度調節至-0.1MPa，關閉真空閥後將粘結劑溶液以噴霧的形式均勻的噴灑至幹混料中，同時調節混料器轉速至40轉/分鐘，機械混合60min後，停止混料器的轉動，打開進氣閥，加熱混料器至100°C，保溫70min脫除溶劑，然後對脫除溶劑的混合物進行振動分級，振動篩的孔徑為45-180 u m,合批，得到預混合料。未經粘結劑處理的傳統機械混合(幹混)粉末採用的混料參數與含Mn鐵基幹混料的製備參數完全一樣，其各組分的重量與Mn鐵基幹混料各組分的重量完全一致。未經粘結劑處理的傳統機械混合料的流動性為26.3s/50g,預混合料的流動性為24.60s/50g，預混合料的流動性提高了 6.5%。兩種混合料600Ma模壓成型；H2氣氛370°C脫脂、1180°C燒結lh。對採用預混合，傳統機械混合製得的混合料進行壓制，壓制所用設備為自動液壓機。兩種混合料，在相同壓制工藝條件下壓制直徑為20_圓柱體壓還各100個，自動液壓機程序控制每次餵料質量相同。對壓制所得壓坯的密度一致性進行測試分析，測試結果為預混合料壓坯密度分布的標準差為0.030g/cm3，傳統機械混合料壓坯密度分布的標準差為
0.040g/cm3,預混合料壓坯密度分布的一致性提高25%。對兩種不同混料工藝最終燒結成品的尺寸穩定性進行測試。兩種工藝同樣各選取100個燒結樣品作為研究對象，測試獲取樣品的高度數據。測試結果為預混合工藝燒結樣品的高度分布標準差為0.015_，傳統機械混合工藝燒結樣品的高度分布標準差為0.021_。預混合工藝燒結樣品的尺寸穩定性提高28.6%。實施例4含Mn鐵基混合物的組成:97.5wt%的Fe-Mo粉末，含Mo量0.4-0.6wt%,粒徑為150-180 um ；1.0wt%的FeMn合金，錳含量為55wt%,其平均粒徑為30 y m ；0.6wt%的石墨，其平均粒徑為40 ii m ；0.3wt%的顆粒狀聚丙烯酸丁酯，其分子量為200000 ；0.4wt%的硬脂酸鋅、0.2%的硬脂酸。預混合工藝為:將按含Mn鐵基混合物的組成稱取的鐵粉、FeMn合金粉末、石墨、硬脂酸鋅粉末幹混30min，幹混時混料器的轉動速度為20轉/分鐘；幹混的同時將稱取的聚丙烯酸乙酯溶解在甲基乙基酮中得到粘結劑溶液，聚丙烯酸乙酯與甲基乙基酮的質量比為I:50 ;幹混後將混料機內的相對真空度調節至-0.07MPa，關閉真空閥後將粘結劑溶液以噴霧的形式均勻的噴灑至幹混料中，同時調節混料器轉速至40轉/分鐘,機械混合60min後，停止混料器的轉動，打開進氣閥，加熱混料器至50°C，保溫70min脫除溶劑，然後對脫除溶劑的混合物進行振動分級，振動篩的孔徑為45-180 u m,合批，得到預混合料。未經粘結劑處理的傳統機械混合(幹混)粉末採用的混料參數與含Mn鐵基幹混料的製備參數完全一樣，其各組分的重量與Mn鐵基幹混料各組分的重量完全一致。預混合料的流動性為26.5s/50g。未經粘結劑處理的傳統機械混合料的流動性為24.7s/50g。預混合料的流動性提高了 6.8%。兩種混合料600Ma模壓成型；H2氣氛370°C脫脂、1180°C燒結lh。對採用預混合，傳統機械混合製得的混合料進行壓制，壓制所用設備為自動液壓機。兩種混合料，在相同壓制工藝條件下壓制截面尺寸為50mmX10mm的長方體壓還各100個，自動液壓機程序控制每次餵料質量相同。對壓制所得壓坯的密度一致性進行測試分析，測試結果為預混合料壓坯密度分布的標準差為0.023g/cm3，傳統機械混合料壓坯密度分布的標準差為0.031g/cm3，預混合料壓坯密度分布的一致性提高25.8%。對兩種不同混料工藝最終燒結成品的尺寸穩定性進行測試。兩種工藝同樣各選取100個燒結樣品作為研究對象，測試獲取樣品的高度數據。測試結果為預混合工藝燒結樣品的高度分布標準差為0.029mm，傳統機械混合工藝燒結樣品的高度分布標準差為0.042mm。預混合工藝燒結樣品的尺寸穩定性提高31%。
權利要求
1.一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其組分以質量百分比計為: 鐵基粉末95-98% ； 含Mn合金粉0.5-2% ； 石墨粉0.5-2% ；粘結劑 0.05-0.4% ；潤滑劑0.5-1.0% ； 其中粘結劑為聚丙烯酸酯類聚合物。
2.根據權利要求1所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其特徵在於:所述鐵基粉末為純鐵粉或低合金鋼粉，鐵基粉末的粒徑為100-200 μ m,鐵基粉末中氧的質量百分含量小於等於0.25%。
3.根據權利要求1所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其特徵在於:所述含Mn合金粉為FeMn合金粉，FeMn合金粉中Mn的質量百分含量為30_70%、氧的質量百分含量小於等於1.5%、鐵錳之外的其它元素總的質量百分含量小於等於3% ；FeMn合金粉的粒徑範圍為 10-30 μ m。
4.根據權利要求1所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其特徵在於:所述石墨粉的粒徑範圍為10-40 μ m。
5.根據權利要求1所述 的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其特徵在於:所述粘結劑為分子量< 400000的非交聯聚丙烯酸酯類聚合物。
6.根據權利要求1所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料，其特徵在於:所述潤滑劑選自硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸中的至少一種。
7.一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，包括下述步驟: 步驟一混料 按含Mn鐵基預混合料各組分的質量百分比分別配取鐵基粉末95-98%，FeMn合金粉0.5-2.0%，石墨粉0.5-2.0%，粘結劑0.05-0.4%，潤滑劑0.5-1.0% ;其中粘結劑為非交聯聚丙烯酸酯類聚合物； 將粘結劑溶解到有機溶劑中形成粘結劑溶液，備用；其中溶劑的質量為粘結劑質量的10-50 倍； 將所配取的鐵基粉末、FeMn合金粉、石墨粉、潤滑劑機械混合均勻，得到粉末幹混料；然後，將混料機內的相對真空度調節至-0.05 -0.1MPa，待混料機內部真空度穩定後，將粘結劑溶液以噴霧的形式均勻的噴灑至幹混料中，機械混合均勻，得到預混合料； 步驟二脫除溶劑 對步驟一製得的預混合料進行乾燥，脫除溶劑；乾燥溫度為50-100°C ； 步驟三分級 將步驟二所得乾燥後的預混合料置于振動篩中進行振動分級，振動篩的孔徑為45-180 μ m,振動分級後合批得到成品。
8.根據權利要求7所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，其特徵在於:步驟一中，粉末幹混時，混料器的轉動速度為9-20轉/分鐘，幹混時間為15-30min ;預混合時，混料器轉動速度為15-40轉/分鐘，混料時間為30-60min。
9.根據權利要求7所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，其特徵在於:所述有機溶劑選自甲烷氯代物、甲苯、丙酮，甲基乙基酮中的一種。
10.根據權利要求7所述的一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料的製備方法，其特徵在於:步驟二中，乾燥 脫除溶劑在混料器中進行，乾燥時間為40-70min。
全文摘要
本發明提供了一種粉末冶金用含Mn鐵基預混合料及其製備方法，屬於粉末冶金技術領域。本發明對預混合工藝作了詳細報導，本發明不僅解決了由常規粘結劑製取的鐵基預混合料壓製成型的壓坯在高溫脫脂過程中脫脂時間長的問題，而且還解決了傳統機械混合粉末壓制的壓坯及燒結成品密度一致性、尺寸穩定性較差的難題。本發明所述的含Mn鐵基預混合料，其組分以質量百分比計為鐵基粉末95-98%，含Mn合金粉0.5-2%，石墨粉0.5-2%，粘結劑0.05-0.4%，潤滑劑0.5-1.0%；其中粘結劑為聚丙烯酸酯類聚合物。
文檔編號B22F1/00GK103143704SQ20131011520
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者李松林, 王行, 周忠誠, 李志友, 劉詠 申請人:中南大學