一種低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是水霧化鐵基粉末的制備方法。更具體地，本發(fā)明涉及生產(chǎn)低氧的 含錳水霧化鋼粉的還原工藝。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 錳是高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和奧氏體錳鋼的基礎(chǔ)合金元素。在粉末冶金領(lǐng)域，錳具備較高 的強(qiáng)化能力，且其成本遠(yuǎn)低于其它合金元素。同時水霧化制粉具有產(chǎn)量大，成本低的特點(diǎn)， 屬于粉末冶金行業(yè)的主要制備技術(shù)。錳作為合金元素有三種引入方式：元素粉末法、母合金 法和霧化法。水霧化是一種含錳低合金鋼粉末的低成本制備技術(shù)，其原理是在鐵金屬熔體 中添加 Mn等合金元素，充分合金化后應(yīng)用高壓水流直接擊碎合金液流（即霧化)，得到的生 粉再經(jīng)過高溫將粉末表面的氧化物還原，從而得到純度較高、合金元素分布均勻的鋼粉。
[0004] 氧含量是鋼鐵粉末重要的性能指標(biāo)，一直受到粉末冶金行業(yè)的重視。氧化物一般 會增加粉末硬度、損害壓制性能、降低燒結(jié)材料的延伸率和韌性。對于含錳低合金鋼材料， 燒結(jié)過程含錳氧化物一旦形成網(wǎng)絡(luò)將阻礙致密化，大幅降低材料性能。由于錳元素親氧性 強(qiáng)，粉末表面氧化是阻礙含錳水霧化預(yù)合金鋼粉發(fā)展的主要原因。
[0005] 粉末具有較高的比表面積，在水霧化以及后續(xù)的工藝中，不可避免的會導(dǎo)致粉末 的氧化，未經(jīng)還原的水霧化含錳鐵粉氧含量在0. 4%-1%之間，有研宄表明其大部分為鐵的 氧化物。為降低氧含量對壓制和燒結(jié)的不利影響，需要對粉末進(jìn)行還原退火。因?yàn)殄i易氧 化，較難還原，1200°C時不為氫氣還原，1100_1200°C時可被碳還原。在還原退火過程中易形 成錳的氧化。錳的氧化來源于兩個方面：一是還原氣氛中的水，還原氣氛在實(shí)際工業(yè)中不可 能達(dá)到100%的純凈，含有微量的水也會對錳造成氧化；二是錳與鐵的氧化物反應(yīng)，形成氧 化轉(zhuǎn)移。目前工業(yè)使用還原氣氛的露點(diǎn)通常在_50°C以下，遠(yuǎn)低于水霧化鐵粉中0. 4%-1%的 氧含量，因此還原退火中錳的氧化主要來源于氧化轉(zhuǎn)移。防止錳在還原燒結(jié)中的氧化轉(zhuǎn)移 是制備含錳水霧化鐵粉需解決的關(guān)鍵問題。
[0006] 水霧化含錳預(yù)合金鋼粉還原后表面氧化物的組成主要為鐵氧化物和熱力學(xué)更穩(wěn) 定的錳氧化物，其中錳氧化物主要以"氧島"的形式存在。鐵氧化物可以在低溫的氫氣氛中 還原。但是錳氧化物只能被碳還原，而不能被氫氣所還原。燒結(jié)后錳氧化物仍然存在于顆 粒與顆粒形成的頸部界面上，阻礙顆粒之間的連接。因此含錳粉末冶金鋼結(jié)構(gòu)件要具有良 好的可燒結(jié)性能，就必須要求粉末表面氧島的覆蓋率低于10%。
[0007] 很多研宄結(jié)果表明，由于錳氧化物與鐵氧化物熱力學(xué)非平衡以及擴(kuò)散速率的增 加，使得800°c - KKKTC之間是含錳粉末冶金件加熱過程中進(jìn)行氧化轉(zhuǎn)移最危險的階段， 因此應(yīng)盡可能避免在此區(qū)間長時間的加熱。
[0008] 瑞典赫加奈斯公布了《不銹鋼粉末》的制備工藝，其采用了至少在1120°C的退火工 藝。然而在1120°C以上退火將使粉末嚴(yán)重結(jié)塊，大大增加后續(xù)工藝的破碎難度，強(qiáng)制破碎也 易使粉末形成加工硬化，降低粉末的可壓縮性能。因此企業(yè)對水霧化鐵粉通常采用的最高 還原退火溫度為970°C。如上所述，970°C處于含錳合金鋼粉形成氧化轉(zhuǎn)移最危險的溫度范 圍之內(nèi)，隨粉末中錳含量的增加，還原后粉末表面氧島的覆蓋率也會快速的增加，因此只能 制備錳含量很低的鐵基粉末。
[0009] 在水霧化過程中，高溫鐵水與水發(fā)生氧化反應(yīng)，在粉末表面形成氧化層，有研宄表 明其大部分為鐵的氧化物。鐵氧化物在800°C以下很容易被氫氣還原。為了避開氧化轉(zhuǎn)移 危險溫度范圍，在800°C以下對含錳水霧化鐵粉進(jìn)行了還原，然而效果并不理想。宄其原因， 錳固溶于高溫鐵水中，與水發(fā)生氧化反應(yīng)，由于水霧化過程冷卻速度非?？欤磻?yīng)時間短， 錳氧化物與鐵氧化物難以形成分離的相，粉末表面的氧化態(tài)也仍為固溶態(tài)。錳氧化物在鐵 氧化物中的固溶增加了鐵氧化物的還原難度，并且隨氧化層中氧化鐵的還原，表面氧化層 中的錳氧化物的含量會進(jìn)一步增加。從還原熱力學(xué)可知，此時要么進(jìn)一步提高還原溫度，要 么進(jìn)一步降低還原氣體中水汽的含量。工業(yè)上難以進(jìn)一步降低還原氣體的露點(diǎn)，因此必須 提高還原溫度才能促使表面氧化層的進(jìn)一步還原，而提高還原溫度又會帶來后續(xù)加工困難 (如上所述)。因此，目前還沒有找到一個較為理想的工藝能夠制備錳含量更高氧含量更低 的水霧化鋼粉。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種低氧含錳水霧化鋼粉 的還原工藝，本發(fā)明能夠制備錳含量更高氧含量更低的水霧化鋼粉。
[0012] 為解決上述技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，采用高溫還原法對水霧化FeMn生粉進(jìn)行還原， 高溫還原溫度為900-KKKTC，其特征在于：采用兩步還原工藝，先從室溫升至低溫還原溫 度，在低溫還原溫度下保溫一定時間后再升到高溫還原溫度并保溫一定時間，保溫結(jié)束后 隨爐冷卻到500°C以下，再推至水冷區(qū)冷卻到室溫；其中低溫還原溫度為550-750°C，保溫 時間為〇. 5-2h ;高溫還原溫度保溫時間為1-2h。
[0013] 進(jìn)一步地，從室溫升至低溫還原溫度的升溫速率為4-15°C /min ;從低溫還原溫度 升到高溫還原溫度的升溫速率為4-20°C /min。
[0014] 其中還原氣氛為H2氣氛，露點(diǎn)不高于_40°C。
[0015] 優(yōu)選的低溫還原溫度為650°C，保溫45min ;高溫還原溫度為970°C，保溫lh。
[0016] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明采用了兩階段還原工藝，在升溫過程中的低溫階段，適當(dāng)增加低溫還原時間，對 鐵氧化物進(jìn)行還原，去除更多的氧，并盡量減少錳氧化物的形成，以降低高溫階段錳的氧化 轉(zhuǎn)移。與單純在970°c退火還原相比，兩階段法可使粉末表面氧島含量明顯下降，總氧含量 也降低到0. 2%以下，與單純970°C退火還原相比，氧含量降低幅度達(dá)61%。
[0017] 采用水霧化法和兩步還原法結(jié)合，能夠有效抑制網(wǎng)狀氧化物的形成，獲得合金元 素分布均勻的FeMn預(yù)合金鋼粉。在錳含量為2. Owt. %時，燒結(jié)件力學(xué)性能最好，拉伸強(qiáng)度 為68IMPa，相較高出7. 4%，延伸率為3. 22%。
[0018]
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，采用高溫還原法對水霧化FeMn生粉進(jìn) 行還原，現(xiàn)有技術(shù)是直接升溫到高溫還原溫度，高溫還原溫度通常為900-KKKTC。本發(fā)明 采用兩步還原法，即先從室溫升至低溫還原溫度，在低溫還原溫度下保溫一定時間后再升 到高溫還原溫度并保溫一定時間，保溫結(jié)束后隨爐冷卻到500°C退火，再推至水冷區(qū)冷卻到 室溫，破碎篩分后得到還原粉。其中低溫還原溫度為550-750°C，保溫時間為0. 5-2h ;高溫 還原溫度保溫時間為l_2h。優(yōu)選低溫還原溫度為600-700°C，保溫時間為0. 5-lh ;更優(yōu)選 650°C，保溫45min。高溫還原溫度優(yōu)選930-980°C，保溫I. 5-2h，更優(yōu)選970°C，保溫2h。還 原過程的還原氣氛為H2氣氛，氣體流量2L/min，露點(diǎn)不高于-40°C。
[0020] 實(shí)際升溫時，從室溫升至低溫還原溫度的升溫速率為4-15°C /min ;從低溫還原溫 度升到高溫還原溫度的升溫速率為4-20°C /min。優(yōu)選地，從室溫升至低溫還原溫度的升溫 速率為5°C /min ;從低溫還原溫度升到高溫還原溫度的升溫速率為5°C /min。
[0021] 下面結(jié)合對比實(shí)施例對本發(fā)明及其效果作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0022] 具體進(jìn)行對比試驗(yàn)時，選取錳含量為2. 5wt. %的水霧化低合金生粉，設(shè)計四組不 同還原工藝進(jìn)行對比分析，其升溫程序分別為：A1-5°C /min升至970°C，保溫2h ;A2- 5°C /min 升至 650°C，保溫 2h ;A3 -5°C /min 升至 650°C，保溫 45min 后，再 5°C /min 升至 970°C，保溫 2h ;A4 -5°C /min 升至 650°C，保溫 2h 后，再 5°C /min 升至 970°C，保溫 2h。各 組試驗(yàn)都在112氣氛中進(jìn)行還原，氣氛露點(diǎn)-35°C，氣體流量2L/min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻 到500°C，再推至水冷區(qū)冷卻到室溫。
[0023] 經(jīng)不同工藝還原后粉末的主要元素含量如表1所示，未經(jīng)還原的Fe-2. 5Mn合金 生粉含氧量為3. 29%。升溫速度為5°C /min，970°C保溫還原2h后，粉末的氧含量降低到了 0. 36%〇
[0024] 表1 Fe-2. 5Mn生粉經(jīng)不同工藝還原后粉末的元素含量
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，采用高溫還原法對水霧化FeMn生粉進(jìn)行還 原，高溫還原溫度為900-KKKTC，其特征在于：采用兩步還原工藝，先從室溫升至低溫還原 溫度，在低溫還原溫度下保溫一定時間后再升到高溫還原溫度并保溫一定時間，保溫結(jié)束 后隨爐冷卻到500°C以下，再推至水冷區(qū)冷卻到室溫；其中低溫還原溫度為550-750°C，保 溫時間為〇. 5-2h ;高溫還原溫度保溫時間為1-2h。
2. 如權(quán)利要求1所述的低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，其特征在于：從室溫升至低 溫還原溫度的升溫速率為4-15°C /min ;從低溫還原溫度升到高溫還原溫度的升溫速率為 4-2CTC /min〇
3. 如權(quán)利要求1所述的低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，其特征在于：還原氣氛為H 2 氣氛，露點(diǎn)不高于-40°C。
4. 如權(quán)利要求1所述的低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，其特征在于：優(yōu)選的低溫還 原溫度為650°C，保溫45min ;高溫還原溫度為970°C，保溫lh。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低氧含錳水霧化鋼粉的還原工藝，采用高溫還原法對水霧化FeMn生粉進(jìn)行還原，先從室溫升至低溫還原溫度，在低溫還原溫度下保溫一定時間后再升到高溫還原溫度并保溫一定時間。其中低溫還原溫度550-750℃，保溫時間0.5-2h；高溫還原溫度900-1000℃，保溫時間1-2h。本發(fā)明采用兩階段還原工藝，在低溫階段，適當(dāng)增加低溫還原時間，對鐵氧化物進(jìn)行還原，去除更多的氧，并盡量減少錳氧化物的形成，以降低高溫階段錳的氧化轉(zhuǎn)移。與單純在970℃退火還原相比，兩階段法可使粉末表面氧島含量明顯下降，總氧含量也降低到0.2%以下，與單純970℃退火還原相比，氧含量降低幅度達(dá)61%。
【IPC分類】B22F9-22
【公開號】CN104858444
【申請?zhí)枴緾N201510318414
【發(fā)明人】李春林, 李松林, 龍安平
【申請人】四川理工學(xué)院, 中南大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年6月11日