銅置換包覆鐵粉末的工藝及機(jī)理研究.pdf

1、包覆粉末是一種新型的多相復(fù)合的粉末合金材料，它品種眾多、性能獨(dú)特，已廣泛地用于國防工業(yè)、機(jī)械制造、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。包覆粉末在微觀上具有多相性，包覆完整，可按不同需求突出各組分的特點(diǎn)；在宏觀上具有均一性，可使產(chǎn)品金相結(jié)構(gòu)均勻，大大減少或消除混合不均勻所造成的產(chǎn)品成分組織不一、性能不穩(wěn)定的弊病。另外，包覆粉末還可以改變粉末的表面特性，從而改善粉末的工藝性能，制備性能更優(yōu)異的粉末冶金材料和制品。 攀鋼轉(zhuǎn)爐污泥鐵粉屬氣霧化成粉，粉末多為

2、近光滑球形，傳統(tǒng)的壓制和燒結(jié)粉末冶金工藝應(yīng)用困難，使用范圍受到了一定的限制。為此，本課題針對攀鋼轉(zhuǎn)爐污泥鐵粉的實(shí)際，采用化學(xué)置換鍍的方法，在其鐵粉表面包覆一層金屬銅，既對原攀鋼轉(zhuǎn)爐污泥鐵粉進(jìn)行表面改性，又制備質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的粉末冶金用銅包鐵復(fù)合粉末。 本文采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、金相顯微鏡、化學(xué)滴定等測試手段和方法對包覆層斷面顯微組織、表面形貌、覆層中的元素進(jìn)行了分析；通過正交實(shí)驗(yàn)，研究了添加劑對鍍層質(zhì)量的影響

3、，優(yōu)化了工藝參數(shù)；通過對比試驗(yàn)，研究了不同鈍化劑對銅鍍層的鈍化效果；通過動力學(xué)試驗(yàn)，研究了溫度、攪拌速率、初始銅濃度以及溶液pH值對置換速率的影響，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了銅離子的擴(kuò)散系數(shù)。 研究表明，隨著丙稀基硫脲、十二烷基硫酸鈉、聚乙二醇及乙酸鈉加入量的增加先好后差，即四種添加劑的加入量均有一個(gè)極值。得出最優(yōu)加入量為：乙酸鈉15g/L，丙稀基硫脲0.5g/L，十二烷基硫酸鈉1g/L，聚乙二醇5g/L。通過金相斷面分析知，要獲得一個(gè)

4、良好的置換鍍層，Cu的沉積速度不能過快，在原始鍍液中加入適量的復(fù)合添加劑，能夠獲到與基體結(jié)合好、連續(xù)完整的銅鍍層。 為了保護(hù)銅鍍層在一定時(shí)期內(nèi)不被氧化，通過耐蝕試驗(yàn)得出BTA-OP-10系復(fù)配鈍化劑對銅包鐵粉的鈍化效果優(yōu)良，并得出其最優(yōu)加入量為：BTA0.5﹪，OP-101～3g/L。 采用本包覆工藝、添加劑和鈍化劑，對200kg攀鋼污泥鐵粉末進(jìn)行銅包覆批試，獲得了滿意的包覆效果，其銅包覆量和工藝性能達(dá)到了使用的要求。經(jīng)

5、濟(jì)和社會效益十分可觀。 文中還通過熱力學(xué)和動力學(xué)的分析得知，在置換包覆過程中，當(dāng)k＜＜D/δ時(shí)，速度為k·A·(Me12+)，過程為化學(xué)反應(yīng)所控制；當(dāng)k＞＞D/δ時(shí)，速度為 (D/δ)·A·(Me12+)，過程為擴(kuò)散環(huán)節(jié)所控制。在粉末表面異相形核所需的形核功比均相形核的形核功小，在同等條件下，異相形核優(yōu)于均相形核。置換反應(yīng)速度隨鍍液濃度、溫度的增大而增大。過程為化學(xué)反應(yīng)控制時(shí)，攪拌不影響置換速度；當(dāng)為擴(kuò)散所控制時(shí)，隨著溫

6、度升高，置換速度增加。鍍液pH值過大，會發(fā)生析氫反應(yīng)，過小會使某些金屬離子水解降低置換速度。另外，在鍍液中加入添加劑能改善鍍層的質(zhì)量。動力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，硫酸銅溶液中、銅被置換包覆在鐵粉的體系中，置換速率明顯受到溫度、攪拌速率、初始銅濃度以及溶液pH值的影響。置換速率隨溫度、攪拌速率和初始銅濃度的增加而增加。溶液pH值在弱酸性時(shí)，有利于置換反應(yīng)的進(jìn)行。該體系的置換反應(yīng)機(jī)理符合擴(kuò)散控制機(jī)理。動力學(xué)數(shù)據(jù)服從一級反應(yīng)速率的規(guī)律。速率常數(shù)k與攪拌的