CN102350497B

CN102350497B - 一种高压缩性水雾化铁粉及制备方法

Info

Publication number: CN102350497B
Application number: CN 201110275149
Authority: CN
Inventors: 李松林; 崔建民; 袁勇; 张德金; 徐从京; 于永亮
Original assignee: POWDER METALLURGY CO Ltd LAIWU IRON AND STEEL GROUP CORP; Central South University
Current assignee: POWDER METALLURGY CO Ltd LAIWU IRON AND STEEL GROUP CORP; Central South University
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102350497A

Abstract

本发明涉及一种水雾化法制备高压缩性铁粉的方法，该方法以废钢为原料，通过对原料选用时合金元素杂质含量控制、冶炼钢水成分控制、以及二次还原过程的气氛、时间和温度等因素的控制，使铁粉纯度提高到99.5％以上、粉末的显微硬度降低、粉末形貌改变，从而提高铁粉的压缩性，使得处理后的铁粉压缩性达到7.20g·cm^-3以上(600MPa下单轴向压制)。本发明以废钢或不合格水雾化铁粉为原料，生产出的高压缩性铁粉可广泛用于高密度、高强度的粉末冶金结构件的生产。

Description

一种高压缩性水雾化铁粉及制备方法

技术领域

本发明公开了一种高压缩性水雾化铁粉及制备方法，属于粉末冶金(金属材料)技术领域，适用于生产高性能形状复杂零件，如汽车中的高性能结构件：发动机部件、变速箱传动齿轮、链轮等。

背景技术

压缩性是钢铁粉末产品最重要的工艺性能之一，在压制压力、模具工装等条件不变的情况下，粉末压缩性直接决定着零件的密度及其力学性能。随着汽车、摩托车、家电、机械制造等行业的快速发展，对钢铁粉末的需求量急剧增加。现代粉末冶金制品正朝着高密度、高强度、形状复杂方向发展，对钢铁粉末产品及其原材料钢铁粉末提出了更高更严的要求。一般钢铁粉末经一次常规压制和烧结后能达到的密度为6.4～7.1g·cm^-3。通过增加压制压力、采用特殊的压制方法，可使粉末压制密度达到7.20g·cm^-3以上，如温压、复压后的制品其密度在7.20g·cm^-3以上，但这些压制方法需要添置新的设备，增加模具的成本和损耗，而且对压制的工件形状有一定的限制。我国目前采用水雾化方法生产的纯铁粉600MPa下单向压制密度为7.05～7.12g·cm^-3，铁粉经压制/烧结后的性能和应用范围受到较大限制。目前水雾化铁粉的基本生产工艺为原料选择处理→钢水冶炼→水雾化→脱水→干燥→磁选→筛分→二次还原→粉碎→碾磨→筛分→合批→检验。其中钢水冶炼和二次还原是决定最终产品性能最重要的工序。一般生产厂家在二次还原时采用分解氨作还原气氛，分解氨的露点小于-55℃，这样得到的铁粉中含有较多的氧、硫、氮等杂质。另外原料废钢中一般含有一定量的Si，Mn，P等杂质，原料中可能含有的Cr，Ni，Cu等金属元素也会对铁粉的压缩性产生不利影响。

瑞典赫格纳斯和加拿大魁北克金属粉末公司曾披露了在600MPa压力下压缩性为7.15～7.25g·cm^-3的高压缩性铁粉的生产流程，生产流程为原料配制→水雾化→脱水→干燥→磁选→筛分→退火→粉碎→碾磨→筛分→合批→检验，但瑞典赫格纳斯采用的原料是瑞典特有的高纯度铁精矿石。而加拿大的魁北克金属粉末公司采用的原料为冶炼钛铁矿的副产品-高碳纯铁水，原料铁水的品质高、杂质含量低，魁北克金属粉末公司对原料的苛刻要求限制了其生产工艺不适合在我国进行规模化生产，且国内外目前对600MPa压力下压坯密度大于7.20g·cm^-3的高压缩性铁粉生产工艺和关键工序质量控制技术均没有公开报道。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术之不足而提供一种高压缩性水雾化铁粉及制备方法，本发明制备的高压缩性铁粉在600MPa压力下单轴向压制压缩性≥7.20g·cm^-3，适用于制造高密度、高强度、形状复杂的粉末冶金结构件。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉，按质量百分比，在铁基体中杂质含量为：C≤0.01％、O≤0.15％、S≤0.01％、Mn+P+Si≤0.20％、Cr+Ni+Cu≤0.1％；平均颗粒直径70～90μm，粒度大于50μm的颗粒质量占铁粉总质量的70％以上；颗粒的显微硬度≤90HV。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法，包括以下步骤：水雾化铁粉的选择、一次还原、一次磁选、脱水、烘干、二次磁选、二次还原、解碎、筛分、合批；其特征在于：所述水雾化铁粉的选择要求所选用的原料铁粉中S≤0.01％、Mn+P+Si≤0.20％，Cr+Ni+Cu≤0.1％；所述原料铁粉经一次还原、一次磁选、脱水、烘干、二次磁选后生粉的成分中C∶O≤1∶8；所述二次还原工艺为：还原温度：930℃～1000℃，还原时间：1～3h，还原剂：露点为-60℃～-75℃的氢气，还原剂流量：5～10L/min，炉内压力：0.02-0.03MPa；所述生粉经二次还原后随炉冷却至室温，进行解碎、筛分、合批，得到高压缩性水雾化铁粉。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法中，所述水雾化铁粉利用废钢原料冶炼后，采用水雾化制备；所述废钢原料中Cr+Ni+Cu≤0.1％；所述废钢原料冶炼后钢液的化学成分满足：C：0.18～0.25％，S≤0.015％，含氧量＜100ppm，Mn+P+Si≤0.20％，Cr+Ni+Cu≤0.1％。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法中，所述二次还原工艺为：还原温度：930℃～1000℃，还原时间：1～3h，还原剂：露点为-60℃～-75℃的氢气，还原剂流量：5～10L/min，炉内压力：0.02-0.03MPa。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法中，所述解碎、筛分、合批后，铁粉平均颗粒直径70～90μm，其中粒度大于50μm的颗粒质量占铁粉总质量的70％以上。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法中，所述铁粉形貌为类树枝状不规则形貌，颗粒的显微硬度≤90HV。

本发明一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法中，所述二次还原中，装料方式为散装装填，料层厚度＜30mm。

本发明由于采用上述工艺方法控制铁粉的杂质含量，所制备的高压缩性水雾化铁粉，在常规压机600MPa单向压制下所得的压坯密度≥7.20g·cm^-3；本发明相对于现有技术的主要技术特征在于二次还原前冶炼钢水成分、碳氧比和二次还原工艺参数范围的革新。

装料完成后通入氢气进行二次还原时生粉与气氛发生的主要反应如下：

为了适应制造高压缩性铁粉的工艺要求，本发明人对制造工艺条件，特别是二次还原前生粉的化学成分要求及二次还原工艺参数进行了研究评选。本发明所述的高压缩性水雾化铁粉制造方法所说的：选用的废钢原料中的Cr、Ni、Cu杂质总含量不高于0.1％；冶炼后钢液的化学成分应符合以下要求：C：0.18～0.25％，S≤0.015％，含氧量＜100ppm，Mn+P+Si≤0.20％，Cr+Ni+Cu≤0.1％；钢水冶炼的方法与常规炼钢相同，在初炼期脱去大部分杂质，精炼期调整成分，碳的调整采用添加碳粉等方法控制；经水雾化和两次磁选后生粉的成分中C∶O≤1∶8。

二次还原中，还原气氛始终为正压，还原后的气体在炉管另一端被燃烧去除。本发明选择低露点H₂代替现行高露点分解氨作二次还原的还原气氛，可以充分还原生粉中的杂质，提高铁粉纯度至99.5％以上，并降低粉末显微硬度，使铁粉压缩性提高。本发明所述高压缩性铁粉制造方法中的其他工序的操作条件可参照现有技术。

由于选用的原料和使用的工艺不同，本发明所述高压缩性铁粉的制造方法与国外现有技术相比更适应我国的原料和生产设备现状，适应我国现有粉末冶金行业的发展。

本发明的主要优点是：

①提出了制备600MPa下压制密度大于7.20g·cm^-3高压缩性铁粉对原料的要求和关键工序粉末成分的标准：冶炼后钢液的化学成分应符合以下要求：C：0.18～0.25％，S≤0.015％，含氧量＜100ppm，Mn+P+Si≤0.20％，Cr+Ni+Cu≤0.1％；经水雾化和两次磁选后生粉的成分中C∶O≤1∶8。

②提出了以低露点H₂作还原剂高温还原的方法。还原处理是以氢气作为还原剂，露点为-60℃～-75℃。通过低露点H₂在930℃～1000℃，1～3h高温还原，可以充分还原生粉中的杂质，降低铁粉中氧、硫、氮等杂质的含量，提高铁粉纯度至99.5％以上，并降低粉末显微硬度，使铁粉压缩性提高。

③提出粉末显微硬度≤90HV是获得高压缩性铁粉的另一关键。二次还原结束后的半成品粉只需进行适度破碎、保证筛分后铁粉中粒度大于50μm的颗粒占70％以上，显微硬度≤90HV，颗粒的形貌趋向于不规则的类树枝状。

④可以直接选取杂质含量低的优质废钢作为原料，也可以以二次还原的不合格水雾化铁粉为原料，变废为宝。

本发明针对我国原料的特点，通过选择原料、设定冶炼钢水的成分标准和改变二次还原工艺获得了在600MPa下单向压制密度达7.20g·cm^-3以上的高压缩性水雾化铁粉。

本发明所生产的铁粉在常规的压制下密度达到7.20g·cm^-3，使粉末冶金制品企业在原有压制、烧结设备及工艺的基础上生产出密度和性能更高的粉末冶金制品，提高钢铁粉末冶金零部件产品的附加值，拓展其应用范围。

采用本发明所述原料制造的高压缩性铁粉的各项技术指标如下：

通过加强磁选，直接选取杂质含量低的优质废钢作为原料，通过钢水冶炼和水雾化工艺的控制得到满足要求的二次还原原料。所制备的铁粉产品性能如下：

松装密度：2.95～3.05g·cm^-3

流动性(50g)：22～28s

压缩性(600MPa单轴向压制)：7.20g·cm^-3～7.25g·cm^-3

化学成分：化学成分中C≤0.01％、O≤0.15％、S≤0.01％、Mn+P+Si≤0.20％、Cr+Ni+Cu≤0.1％、Fe≥99.5％。

平均颗粒直径70～90μm，粒度大于50μm的颗粒占70％以上。颗粒的显微硬度≤90HV。

具体实施方式

选用冶炼后钢液成分符合本发明原料成分要求的钢液，经水雾化制备得到原料铁粉，原料铁粉经一次还原、一次磁选、脱水、烘干、二次磁选后得到生粉，然后，将生粉均匀盛于铁舟中，料层厚度30mm，推入钼丝炉的高温区进行二次还原，随炉升温，还原气氛为H₂气氛，H₂流量为6～8L·min^-1，炉内压力：0.02-0.03MPa，炉管另一端始终处于燃烧状态。保温时间1～3h，随炉冷却至室温后取出。二次还原后将所得的粉末进行解碎、筛分、合批，得到高压缩性铁粉。

本发明实施例中钢液化学成分为：

二次还原前生粉成分为：

二次还原工艺条件为：

制备的高压缩性铁粉产品化学成分为：

制备的高压缩性铁粉产品物理工艺性能为：

从产品物理工艺性能参数表可以看出，本发明制备的铁粉与现有技术制备的铁粉相比粉末中各种杂质元素含量更低，铁粉纯度提高(≥99.5％)，显微硬度降低(≤90HV)；在粉末粒度分布相似的条件下，本发明制备的铁粉其松装密度、流动性与现有技术相当，铁粉用户在压制时无需更改任何设备；铁粉压缩性提高，在600MPa下压制压坯密度达到7.20g·cm^-3以上。

Claims

1.一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法，包括以下步骤：水雾化铁粉的选择、一次还原、一次磁选、脱水、烘干、二次磁选、二次还原、解碎、筛分、合批；其特征在于：所述水雾化铁粉的选择要求所选用的原料铁粉中S≤0.01%、Mn+P+Si≤0.20%，Cr+Ni+Cu≤0.1%；所述原料铁粉经一次还原、一次磁选、脱水、烘干、二次磁选后生粉的成分中C：O≤1：8；所述二次还原工艺为：还原温度：930℃～1000℃，还原时间：1～3h，还原剂：露点为-60℃～-75℃的氢气，还原剂流量：5～10L/min，炉内压力：0.02-0.03MPa；所述生粉经二次还原后随炉冷却至室温，进行解碎、筛分、合批，得到高压缩性水雾化铁粉，所述高压缩性水雾化铁粉按质量百分比，在铁基体中杂质含量为：C≤0.01%、O≤0.15%、S≤0.01%、Mn+P+Si≤0.20%、Cr+Ni+Cu≤0.1%；平均颗粒直径70～90μm，粒度大于50μm的颗粒质量占铁粉总质量的70%以上；颗粒的显微硬度≤90HV。

2.根据权利要求1所述的一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法，其特征在于：所述水雾化铁粉利用废钢原料冶炼后，采用水雾化制备；所述废钢原料中Cr+Ni+Cu≤0.1%；所述废钢原料冶炼后钢液的化学成分满足：C：0.18～0.25%，S≤0.015%，含氧量＜100ppm，Mn+P+Si≤0.20%，Cr+Ni+Cu≤0.1%。

3.根据权利要求2所述的一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法，其特征在于：所述二次还原中，装料方式为散装装填，料层厚度<30mm。

4.根据权利要求3所述的一种高压缩性水雾化铁粉的制备方法，其特征在于：所述铁粉形貌为类树枝状不规则形貌。