粉末冶金用铁基预混合粉及制备方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004](I)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。
[0005](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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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】
[0010]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。
[0011 ]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、尺寸稳定性差的冋题。
[0012]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%ο
[0013]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180μηι，粒径在45μηι以下的颗粒不超过10%，粒径在75μηι以上且不到150μηι的颗粒在65%以上，粒径在150μπι以上且不到180μπι的颗粒不超过10%。
[0014]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45μηι的颗粒，更优选的，粒径不超过ΙΟμπι;石墨粉末被有机粘结剂包覆。
[0015]所述的粘结剂为含有硅元素的有机硅树脂或者有机硅烷。
[0016]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< ΙΟμπι的颗粒，更优选的，粒径< Ιμπι。
[0017]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:
[0018](I)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。
[0019](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。
[0020](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。
[0021](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。
[0022]作为优选，上述步骤(I)中的石墨粉末，粒径不超过45μπι的颗粒，更优选的，粒径不超过ΙΟμπι。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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180μπι，粒径在45μηι以下的颗粒不超过10%，粒径在75μηι以上且不到150μηι的颗粒在65%以上，粒径在150μπι以上且不到180μπι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。
[0030]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。
[0031 ]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。
[0032]上述步骤(2)中，混合设备可选择V型混料机、双锥混料机等。
[0033]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^ ΙΟμπι的颗粒，更优选的，粒径 < Ιμπι。
[0034]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。
[0035]上述步骤(4)中，混合设备可选择V型混料机、双锥混料机等。
[0036]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。
[0037]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】
[0038]实施例1:
[0039]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。
[0040]原料是粒度分布相同的100目还