CN110102771B - 一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，所述一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法包括以下步骤：（1）原料选取：选取一定质量份数的高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源备用；（2）低松比预合金粉的形成：通过采用水雾化法制备高纯低松比铜粉及铜锡锌合金粉，通过调节雾化工艺的参数。本发明中通过对生产工艺、配方技术、设备研制等方面的创新，固固扩散式锡锌铜粉制备技术，其产品稳定性高，与传统扩散工艺（铜粉、锡粉、锌粉混合扩散）相比，均匀性好，基本无偏析，生产成本低（锡粉、锌粉价格高昂），同时，本发明大大提高了产品产能和生产效率，大幅度降低了设备投资和能耗。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法。
背景技术
热扩散式锡锌铜粉（CuSn6Zn6）是近年发展起来的无铅铜合金粉，具有优良的成型性，高生坯强度、稳定的烧结尺寸变化等特点，市场前景广阔，国内外铜粉生产企业均将其作为重点研制对象，如日本福田金属箔粉工业株式会社、美国 ACuPowder International和中国有研粉末新材料有限公司等，但现有产品松装密度偏高、成分均匀性和稳定不佳，严重制约产品性能，为此，我们提出一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，所述一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法包括以下步骤：
（1）原料选取：选取一定质量份数的高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源备用；
（2）低松比预合金粉的形成：通过采用水雾化法制备高纯低松比铜粉及铜锡锌合金粉，通过调节雾化工艺的参数，使得颗粒形貌不规则，提高颗粒的空心度，产生的形状规则多孔状的，多空心度的松比密度低于 2.0g/cm³的预合金粉末；
（3）实现高生坯强度：通过“固-固”两相热扩散过程中加入适量的特种润滑剂，以提高产品的生坯性能，通过对热扩散过程中的物相转变机制与界面反应过程展开研究，为锡锌铜粉技术集成优化与示范，采用特殊润滑剂处理的合金粉其生坯成型压强可以达到12MPa 以上；
（4）降低偏析度提升性能：通过改变粉末成型过程中的晶内偏析性能与比重偏析性能两个关键因素来降低偏析性能，主要做法是采用动力学+热力学机制原理，改变晶粒原子的扩散间距来降低晶内偏析度；采用逆向顺序凝固法，改变母液与配比液的凝固顺序减小材料的比重偏析。
优选的，所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中低松比预合金粉采用固固扩散技术生产的锡锌铜粉在材料的选取上，使用 CuSnZn 合金粉+CuSn 合金粉+Cu 粉组合形式为基础材料，通过调节雾化工艺的参数，使得颗粒形貌不规则，提高颗粒的空心度，产生的形状规则多孔状的，多空心度的松比密度低于 2.0g/cm³的预合金粉末；
所述低松比预合金粉生产中工艺控制措施包括以下步骤：
（1）金属熔体的过热度：过热度越大，熔融金属表面张力小，第一次液滴越易形成，生成的颗粒细，但冷却需要的时间长，金属的不规则度降低，松比高；
（2）冷却水位：冷却水位低，颗粒在空中飞行的距离长，不规则度降低，当较低的过热度、雾化介质流量大时，影响不大，只要不影响雾化过程冷却水位尽可能高；
（3）喷嘴的结构与相关的尺寸：在其它条件相同情况下，喷嘴的结构形式不同，金属雾化时雾化介质与金属熔体的状况完全不同，直接影响雾化效果，对于自由落体式喷嘴，一般有“V”形板式、锥形、环孔、环缝等结构形式，使用“V”形板式喷嘴，在雾化时不能形成封闭的雾化区域，金属熔体雾化前呈波状带，雾化后粒度大，成分率低。环缝喷嘴加工困难，组合磨具结构在安装时要求高，同心度过低，造成雾化介质分布不均、不聚焦，不能进行有效雾化，因而环孔结构较为合理，要达到工艺目的，环孔结构要符合以下要求：A孔径小、孔分布均匀、孔充分聚焦，能形成封闭的雾化区域；B喷嘴环孔阻力小，在相同的雾化压力下，喷嘴出口雾化介质速度提高，细分率高，雾化充分；C雾化项角合理，雾化顶角大，射流距离小，不规则程度降低，粒度变化不明显，效率高，而雾化顶角过大，易堵塞喷嘴；
（4）雾化压力：即水射流速度。当雾化压力小于 7MPa 时，压力越大，粒度越小，当压力在于7MPa 时，压力对粒度的影响不大。但过热度较小时，雾化压力对粒度与不规则度都有影响，雾化压力大，粒度细、不规则提高。要提高水射流速度，一方面提高雾化压力，另一方面减少喷嘴阻力，通过减小喷嘴的长径比，提高喷嘴内表面光洁度实现；
（5）水流量：尽管实际用于生产分散的粉末颗粒的能量是雾化过程中所消耗能量的一小部分，较大的水流量能更好的降低破碎后粉末的湿度，减缓球化，降低松比，对粒度影响不大。
优选的，所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中高生坯强度合金粉的实现方法包括以下步骤：
（1）以高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源为原料，在感应电炉中熔化得到金属溶液，通过炉底吹氩工艺，对金属溶液进行除气排渣，然后静置打渣，使熔体中杂质含量小于 0.2%，金属溶液然后通过特制的喷嘴，采用水雾化法制备铜粉及铜锡锌合金粉；
（2）水雾化铜或铜合金粉末，表面均有少量氧化，所以采用氧化——还原工艺对水雾化铜粉及铜锡锌合金粉进行改性，进一步改善其性能。采用氧化-还原工艺：其中氧化温度为 300-500℃，氧化时间为 2-4h,根据氧化过程中，其中氧化过程中，氧化后，在氢气中进行还原，还原温度为 400-600℃，其化学反应方程：
氧化反应：2M(金属)+O2=2MO
还原反应：MO+H2=M+H2O
其中氧化还原过程符合热力学定理，根据热力学温度图谱，可以查阅，其中铜优先氧化，在铜合金中，其中由于氧化后，氧的体积在颗粒中占据一定的位置，导致颗粒的长大。然后通过还原后，其形成一种多孔结构，通过“固-固”两相热扩散过程中加入适量的特种润滑剂，以提高产品的生坯性能。针对这一过程中工艺参数对粉体性能的影响规律，热扩散过程中的物相转变机制与界面反应过程展开研究，为锡锌铜粉技术集成优化与示范。采用了特殊润滑剂处理的合金粉其生坯成型压强可以达到 12MPa 以上。
优选的，所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中降低偏析度提升性能的实现方法为比重偏析度降低方法 ：改变传统的凝固雾化工艺，采用自上而下的凝固雾化技术，通过调节雾化器的温度、角度等参数，对初生晶的组合顺序进行逆向凝固，先凝固熔点低的锡、锌，后凝固熔点高的铜，在融合时生成不同金属材料的晶粒融合体，通过热力学+动力学的机制原理，实现二次融合降低比重偏析。
本发明中通过对生产工艺、配方技术、设备研制等方面的创新，固固扩散式锡锌铜粉制备技术，其产品稳定性高，与传统扩散工艺（铜粉、锡粉、锌粉混合扩散）相比，均匀性好，基本无偏析，生产成本低（锡粉、锌粉价格高昂），同时，本发明大大提高了产品产能和生产效率，大幅度降低了设备投资和能耗。
具体实施方式
对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，所述一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法包括以下步骤：
（1）原料选取：选取一定质量份数的高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源备用；
（2）低松比预合金粉的形成：通过采用水雾化法制备高纯低松比铜粉及铜锡锌合金粉，通过调节雾化工艺的参数，使得颗粒形貌不规则，提高颗粒的空心度，产生的形状规则多孔状的，多空心度的松比密度低于 2.0g/cm³的预合金粉末；
（3）实现高生坯强度：通过“固-固”两相热扩散过程中加入适量的特种润滑剂，以提高产品的生坯性能，通过对热扩散过程中的物相转变机制与界面反应过程展开研究，为锡锌铜粉技术集成优化与示范，采用特殊润滑剂处理的合金粉其生坯成型压强可以达到12MPa 以上；
（4）降低偏析度提升性能：通过改变粉末成型过程中的晶内偏析性能与比重偏析性能两个关键因素来降低偏析性能，主要做法是采用动力学+热力学机制原理，改变晶粒原子的扩散间距来降低晶内偏析度；采用逆向顺序凝固法，改变母液与配比液的凝固顺序减小材料的比重偏析。
实施例二：
所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中低松比预合金粉采用固固扩散技术生产的锡锌铜粉在材料的选取上，使用 CuSnZn 合金粉+CuSn 合金粉+Cu 粉组合形式为基础材料，通过调节雾化工艺的参数，使得颗粒形貌不规则，提高颗粒的空心度，产生的形状规则多孔状的，多空心度的松比密度低于 2.0g/cm³的预合金粉末；
所述低松比预合金粉生产中工艺控制措施包括以下步骤：
（1）金属熔体的过热度：过热度越大，熔融金属表面张力小，第一次液滴越易形成，生成的颗粒细，但冷却需要的时间长，金属的不规则度降低，松比高；
（2）冷却水位：冷却水位低，颗粒在空中飞行的距离长，不规则度降低，当较低的过热度、雾化介质流量大时，影响不大，只要不影响雾化过程冷却水位尽可能高；
（3）喷嘴的结构与相关的尺寸：在其它条件相同情况下，喷嘴的结构形式不同，金属雾化时雾化介质与金属熔体的状况完全不同，直接影响雾化效果，对于自由落体式喷嘴，一般有“V”形板式、锥形、环孔、环缝等结构形式，使用“V”形板式喷嘴，在雾化时不能形成封闭的雾化区域，金属熔体雾化前呈波状带，雾化后粒度大，成分率低。环缝喷嘴加工困难，组合磨具结构在安装时要求高，同心度过低，造成雾化介质分布不均、不聚焦，不能进行有效雾化，因而环孔结构较为合理，要达到工艺目的，环孔结构要符合以下要求：A孔径小、孔分布均匀、孔充分聚焦，能形成封闭的雾化区域；B喷嘴环孔阻力小，在相同的雾化压力下，喷嘴出口雾化介质速度提高，细分率高，雾化充分；C雾化项角合理，雾化顶角大，射流距离小，不规则程度降低，粒度变化不明显，效率高，而雾化顶角过大，易堵塞喷嘴；
（4）雾化压力：即水射流速度。当雾化压力小于 7MPa 时，压力越大，粒度越小，当压力在于7MPa 时，压力对粒度的影响不大。但过热度较小时，雾化压力对粒度与不规则度都有影响，雾化压力大，粒度细、不规则提高。要提高水射流速度，一方面提高雾化压力，另一方面减少喷嘴阻力，通过减小喷嘴的长径比，提高喷嘴内表面光洁度实现；
（5）水流量：尽管实际用于生产分散的粉末颗粒的能量是雾化过程中所消耗能量的一小部分，较大的水流量能更好的降低破碎后粉末的湿度，减缓球化，降低松比，对粒度影响不大。
实施例三：
所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中高生坯强度合金粉的实现方法包括以下步骤：
（1）以高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源为原料，在感应电炉中熔化得到金属溶液，通过炉底吹氩工艺，对金属溶液进行除气排渣，然后静置打渣，使熔体中杂质含量小于 0.2%，金属溶液然后通过特制的喷嘴，采用水雾化法制备铜粉及铜锡锌合金粉；
（2）水雾化铜或铜合金粉末，表面均有少量氧化，所以采用氧化——还原工艺对水雾化铜粉及铜锡锌合金粉进行改性，进一步改善其性能。采用氧化-还原工艺：其中氧化温度为 300-500℃，氧化时间为 2-4h,根据氧化过程中，其中氧化过程中，氧化后，在氢气中进行还原，还原温度为 400-600℃，其化学反应方程：
氧化反应：2M(金属)+O2=2MO
还原反应：MO+H2=M+H2O
其中氧化还原过程符合热力学定理，根据热力学温度图谱，可以查阅，其中铜优先氧化，在铜合金中，其中由于氧化后，氧的体积在颗粒中占据一定的位置，导致颗粒的长大。然后通过还原后，其形成一种多孔结构，通过“固-固”两相热扩散过程中加入适量的特种润滑剂，以提高产品的生坯性能。针对这一过程中工艺参数对粉体性能的影响规律，热扩散过程中的物相转变机制与界面反应过程展开研究，为锡锌铜粉技术集成优化与示范。采用了特殊润滑剂处理的合金粉其生坯成型压强可以达到 12MPa 以上。
实施例四：
所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中降低偏析度提升性能的实现方法为比重偏析度降低方法 ：改变传统的凝固雾化工艺，采用自上而下的凝固雾化技术，通过调节雾化器的温度、角度等参数，对初生晶的组合顺序进行逆向凝固，先凝固熔点低的锡、锌，后凝固熔点高的铜，在融合时生成不同金属材料的晶粒融合体，通过热力学+动力学的机制原理，实现二次融合降低比重偏析。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，其特征在于：所述一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法包括以下步骤：
（1）原料选取：选取一定质量份数的高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源备用；
（2）低松比预合金粉的形成：通过采用水雾化法制备高纯低松比铜粉及铜锡锌合金粉，通过调节雾化工艺的参数，使得颗粒形貌不规则，提高颗粒的空心度，产生的形状规则多孔状的，多空心度的松比密度低于 2.0g/cm³的预合金粉末；
（3）实现高生坯强度：通过“固-固”两相热扩散过程中加入适量的特种润滑剂，以提高产品的生坯性能，通过对热扩散过程中的物相转变机制与界面反应过程展开研究，为锡锌铜粉技术集成优化与示范，采用特殊润滑剂处理的合金粉其生坯成型压强可以达到 12MPa以上；
（4）降低偏析度提升性能：通过改变粉末成型过程中的晶内偏析性能与比重偏析性能两个关键因素来降低偏析性能，主要做法是采用动力学+热力学机制原理，改变晶粒原子的扩散间距来降低晶内偏析度；采用逆向顺序凝固法，改变母液与配比液的凝固顺序减小材料的比重偏析。
2.根据权利要求1所述的一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，其特征在于：所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中低松比预合金粉采用固固扩散技术生产的锡锌铜粉在材料的选取上，使用 CuSnZn 合金粉+CuSn 合金粉+Cu 粉组合形式为基础材料，通过调节雾化工艺的参数，使得颗粒形貌不规则，提高颗粒的空心度，产生的形状规则多孔状的，多空心度的松比密度低于 2.0g/cm³的预合金粉末；
所述低松比预合金粉生产中工艺控制措施包括以下步骤：
金属熔体的过热度：过热度越大，熔融金属表面张力小，第一次液滴越易形成，生成的颗粒细，但冷却需要的时间长，金属的不规则度降低，松比高；
冷却水位：冷却水位低，颗粒在空中飞行的距离长，不规则度降低，当较低的过热度、雾化介质流量大时，影响不大，只要不影响雾化过程冷却水位尽可能高；
喷嘴的结构与相关的尺寸：在其它条件相同情况下，喷嘴的结构形式不同，金属雾化时雾化介质与金属熔体的状况完全不同，直接影响雾化效果，对于自由落体式喷嘴，一般有“V”形板式、锥形、环孔、环缝等结构形式，使用“V”形板式喷嘴，在雾化时不能形成封闭的雾化区域，金属熔体雾化前呈波状带，雾化后粒度大，成分率低；
环缝喷嘴加工困难，组合磨具结构在安装时要求高，同心度过低，造成雾化介质分布不均、不聚焦，不能进行有效雾化，因而环孔结构较为合理，要达到工艺目的，环孔结构要符合以下要求：A孔径小、孔分布均匀、孔充分聚焦，能形成封闭的雾化区域；B喷嘴环孔阻力小，在相同的雾化压力下，喷嘴出口雾化介质速度提高，细分率高，雾化充分；C雾化项角合理，雾化顶角大，射流距离小，不规则程度降低，粒度变化不明显，效率高，而雾化顶角过大，易堵塞喷嘴；
雾化压力：即水射流速度；
当雾化压力小于 7MPa 时，压力越大，粒度越小，当压力在于7MPa 时，压力对粒度的影响不大；
但过热度较小时，雾化压力对粒度与不规则度都有影响，雾化压力大，粒度细、不规则提高；
要提高水射流速度，一方面提高雾化压力，另一方面减少喷嘴阻力，通过减小喷嘴的长径比，提高喷嘴内表面光洁度实现；
水流量：尽管实际用于生产分散的粉末颗粒的能量是雾化过程中所消耗能量的一小部分，较大的水流量能更好的降低破碎后粉末的湿度，减缓球化，降低松比，对粒度影响不大。
3.根据权利要求1所述的一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，其特征在于：所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中高生坯强度合金粉的实现方法包括以下步骤：
（1）以高纯度铜、锌及铜锡合金边角料等二次资源为原料，在感应电炉中熔化得到金属溶液，通过炉底吹氩工艺，对金属溶液进行除气排渣，然后静置打渣，使熔体中杂质含量小于 0.2%，金属溶液然后通过特制的喷嘴，采用水雾化法制备铜粉及铜锡锌合金粉；
（2）水雾化铜或铜合金粉末，表面均有少量氧化，所以采用氧化——还原工艺对水雾化铜粉及铜锡锌合金粉进行改性，进一步改善其性能；
采用氧化-还原工艺：其中氧化温度为 300-500℃，氧化时间为 2-4h,根据氧化过程中，其中氧化过程中，氧化后，在氢气中进行还原，还原温度为 400-600℃，其化学反应方程：
氧化反应：2M(金属)+O2=2MO
还原反应：MO+H2=M+H2O
其中氧化还原过程符合热力学定理，根据热力学温度图谱，可以查阅，其中铜优先氧化，在铜合金中，其中由于氧化后，氧的体积在颗粒中占据一定的位置，导致颗粒的长大；
然后通过还原后，其形成一种多孔结构，通过“固-固”两相热扩散过程中加入适量的特种润滑剂，以提高产品的生坯性能；
针对这一过程中工艺参数对粉体性能的影响规律，热扩散过程中的物相转变机制与界面反应过程展开研究，为锡锌铜粉技术集成优化与示范；
采用了特殊润滑剂处理的合金粉其生坯成型压强可以达到 12MPa 以上。
4.根据权利要求1所述的一种高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉的制备方法，其特征在于：所述高生坯高稳定性环保扩散式锡锌铜粉中降低偏析度提升性能的实现方法为比重偏析度降低方法：改变传统的凝固雾化工艺，采用自上而下的凝固雾化技术，通过调节雾化器的温度、角度等参数，对初生晶的组合顺序进行逆向凝固，先凝固熔点低的锡、锌，后凝固熔点高的铜，在融合时生成不同金属材料的晶粒融合体，通过热力学+动力学的机制原理，实现二次融合降低比重偏析。
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