一种低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是水雾化铁基粉末的制备方法。更具体地，本发明涉及生产低氧的 含锰水雾化钢粉的还原工艺。
[0002]
【背景技术】
[0003] 锰是高强度结构钢和奥氏体锰钢的基础合金元素。在粉末冶金领域，锰具备较高 的强化能力，且其成本远低于其它合金元素。同时水雾化制粉具有产量大，成本低的特点， 属于粉末冶金行业的主要制备技术。锰作为合金元素有三种引入方式：元素粉末法、母合金 法和雾化法。水雾化是一种含锰低合金钢粉末的低成本制备技术，其原理是在铁金属熔体 中添加 Mn等合金元素，充分合金化后应用高压水流直接击碎合金液流（即雾化)，得到的生 粉再经过高温将粉末表面的氧化物还原，从而得到纯度较高、合金元素分布均匀的钢粉。
[0004] 氧含量是钢铁粉末重要的性能指标，一直受到粉末冶金行业的重视。氧化物一般 会增加粉末硬度、损害压制性能、降低烧结材料的延伸率和韧性。对于含锰低合金钢材料， 烧结过程含锰氧化物一旦形成网络将阻碍致密化，大幅降低材料性能。由于锰元素亲氧性 强，粉末表面氧化是阻碍含锰水雾化预合金钢粉发展的主要原因。
[0005] 粉末具有较高的比表面积，在水雾化以及后续的工艺中，不可避免的会导致粉末 的氧化，未经还原的水雾化含锰铁粉氧含量在0. 4%-1%之间，有研宄表明其大部分为铁的 氧化物。为降低氧含量对压制和烧结的不利影响，需要对粉末进行还原退火。因为锰易氧 化，较难还原，1200°C时不为氢气还原，1100_1200°C时可被碳还原。在还原退火过程中易形 成锰的氧化。锰的氧化来源于两个方面：一是还原气氛中的水，还原气氛在实际工业中不可 能达到100%的纯净，含有微量的水也会对锰造成氧化；二是锰与铁的氧化物反应，形成氧 化转移。目前工业使用还原气氛的露点通常在_50°C以下，远低于水雾化铁粉中0. 4%-1%的 氧含量，因此还原退火中锰的氧化主要来源于氧化转移。防止锰在还原烧结中的氧化转移 是制备含锰水雾化铁粉需解决的关键问题。
[0006] 水雾化含锰预合金钢粉还原后表面氧化物的组成主要为铁氧化物和热力学更稳 定的锰氧化物，其中锰氧化物主要以"氧岛"的形式存在。铁氧化物可以在低温的氢气氛中 还原。但是锰氧化物只能被碳还原，而不能被氢气所还原。烧结后锰氧化物仍然存在于颗 粒与颗粒形成的颈部界面上，阻碍颗粒之间的连接。因此含锰粉末冶金钢结构件要具有良 好的可烧结性能，就必须要求粉末表面氧岛的覆盖率低于10%。
[0007] 很多研宄结果表明，由于锰氧化物与铁氧化物热力学非平衡以及扩散速率的增 加，使得800°c - KKKTC之间是含锰粉末冶金件加热过程中进行氧化转移最危险的阶段， 因此应尽可能避免在此区间长时间的加热。
[0008] 瑞典赫加奈斯公布了《不锈钢粉末》的制备工艺，其采用了至少在1120°C的退火工 艺。然而在1120°C以上退火将使粉末严重结块，大大增加后续工艺的破碎难度，强制破碎也 易使粉末形成加工硬化，降低粉末的可压缩性能。因此企业对水雾化铁粉通常采用的最高 还原退火温度为970°C。如上所述，970°C处于含锰合金钢粉形成氧化转移最危险的温度范 围之内，随粉末中锰含量的增加，还原后粉末表面氧岛的覆盖率也会快速的增加，因此只能 制备锰含量很低的铁基粉末。
[0009] 在水雾化过程中，高温铁水与水发生氧化反应，在粉末表面形成氧化层，有研宄表 明其大部分为铁的氧化物。铁氧化物在800°C以下很容易被氢气还原。为了避开氧化转移 危险温度范围，在800°C以下对含锰水雾化铁粉进行了还原，然而效果并不理想。宄其原因， 锰固溶于高温铁水中，与水发生氧化反应，由于水雾化过程冷却速度非常快，反应时间短， 锰氧化物与铁氧化物难以形成分离的相，粉末表面的氧化态也仍为固溶态。锰氧化物在铁 氧化物中的固溶增加了铁氧化物的还原难度，并且随氧化层中氧化铁的还原，表面氧化层 中的锰氧化物的含量会进一步增加。从还原热力学可知，此时要么进一步提高还原温度，要 么进一步降低还原气体中水汽的含量。工业上难以进一步降低还原气体的露点，因此必须 提高还原温度才能促使表面氧化层的进一步还原，而提高还原温度又会带来后续加工困难 (如上所述)。因此，目前还没有找到一个较为理想的工艺能够制备锰含量更高氧含量更低 的水雾化钢粉。
[0010]
【发明内容】
[0011] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种低氧含锰水雾化钢粉 的还原工艺，本发明能够制备锰含量更高氧含量更低的水雾化钢粉。
[0012] 为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下： 一种低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，采用高温还原法对水雾化FeMn生粉进行还原， 高温还原温度为900-KKKTC，其特征在于：采用两步还原工艺，先从室温升至低温还原温 度，在低温还原温度下保温一定时间后再升到高温还原温度并保温一定时间，保温结束后 随炉冷却到500°C以下，再推至水冷区冷却到室温；其中低温还原温度为550-750°C，保温 时间为〇. 5-2h ;高温还原温度保温时间为1-2h。
[0013] 进一步地，从室温升至低温还原温度的升温速率为4-15°C /min ;从低温还原温度 升到高温还原温度的升温速率为4-20°C /min。
[0014] 其中还原气氛为H2气氛，露点不高于_40°C。
[0015] 优选的低温还原温度为650°C，保温45min ;高温还原温度为970°C，保温lh。
[0016] 相比于现有技术，本发明具有如下优点： 本发明采用了两阶段还原工艺，在升温过程中的低温阶段，适当增加低温还原时间，对 铁氧化物进行还原，去除更多的氧，并尽量减少锰氧化物的形成，以降低高温阶段锰的氧化 转移。与单纯在970°c退火还原相比，两阶段法可使粉末表面氧島含量明显下降，总氧含量 也降低到0. 2%以下，与单纯970°C退火还原相比，氧含量降低幅度达61%。
[0017] 采用水雾化法和两步还原法结合，能够有效抑制网状氧化物的形成，获得合金元 素分布均匀的FeMn预合金钢粉。在锰含量为2. Owt. %时，烧结件力学性能最好，拉伸强度 为68IMPa，相较高出7. 4%，延伸率为3. 22%。
[0018]
【具体实施方式】
[0019] 本发明低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，采用高温还原法对水雾化FeMn生粉进 行还原，现有技术是直接升温到高温还原温度，高温还原温度通常为900-KKKTC。本发明 采用两步还原法，即先从室温升至低温还原温度，在低温还原温度下保温一定时间后再升 到高温还原温度并保温一定时间，保温结束后随炉冷却到500°C退火，再推至水冷区冷却到 室温，破碎筛分后得到还原粉。其中低温还原温度为550-750°C，保温时间为0. 5-2h ;高温 还原温度保温时间为l_2h。优选低温还原温度为600-700°C，保温时间为0. 5-lh ;更优选 650°C，保温45min。高温还原温度优选930-980°C，保温I. 5-2h，更优选970°C，保温2h。还 原过程的还原气氛为H2气氛，气体流量2L/min，露点不高于-40°C。
[0020] 实际升温时，从室温升至低温还原温度的升温速率为4-15°C /min ;从低温还原温 度升到高温还原温度的升温速率为4-20°C /min。优选地，从室温升至低温还原温度的升温 速率为5°C /min ;从低温还原温度升到高温还原温度的升温速率为5°C /min。
[0021] 下面结合对比实施例对本发明及其效果作进一步详细描述。
[0022] 具体进行对比试验时，选取锰含量为2. 5wt. %的水雾化低合金生粉，设计四组不 同还原工艺进行对比分析，其升温程序分别为：A1-5°C /min升至970°C，保温2h ;A2- 5°C /min 升至 650°C，保温 2h ;A3 -5°C /min 升至 650°C，保温 45min 后，再 5°C /min 升至 970°C，保温 2h ;A4 -5°C /min 升至 650°C，保温 2h 后，再 5°C /min 升至 970°C，保温 2h。各 组试验都在112气氛中进行还原，气氛露点-35°C，气体流量2L/min。保温结束后随炉冷却 到500°C，再推至水冷区冷却到室温。
[0023] 经不同工艺还原后粉末的主要元素含量如表1所示，未经还原的Fe-2. 5Mn合金 生粉含氧量为3. 29%。升温速度为5°C /min，970°C保温还原2h后，粉末的氧含量降低到了 0. 36%〇
[0024] 表1 Fe-2. 5Mn生粉经不同工艺还原后粉末的元素含量
【主权项】
1. 一种低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，采用高温还原法对水雾化FeMn生粉进行还 原，高温还原温度为900-KKKTC，其特征在于：采用两步还原工艺，先从室温升至低温还原 温度，在低温还原温度下保温一定时间后再升到高温还原温度并保温一定时间，保温结束 后随炉冷却到500°C以下，再推至水冷区冷却到室温；其中低温还原温度为550-750°C，保 温时间为〇. 5-2h ;高温还原温度保温时间为1-2h。
2. 如权利要求1所述的低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，其特征在于：从室温升至低 温还原温度的升温速率为4-15°C /min ;从低温还原温度升到高温还原温度的升温速率为 4-2CTC /min〇
3. 如权利要求1所述的低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，其特征在于：还原气氛为H 2 气氛，露点不高于-40°C。
4. 如权利要求1所述的低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，其特征在于：优选的低温还 原温度为650°C，保温45min ;高温还原温度为970°C，保温lh。
【专利摘要】本发明公开了一种低氧含锰水雾化钢粉的还原工艺，采用高温还原法对水雾化FeMn生粉进行还原，先从室温升至低温还原温度，在低温还原温度下保温一定时间后再升到高温还原温度并保温一定时间。其中低温还原温度550-750℃，保温时间0.5-2h；高温还原温度900-1000℃，保温时间1-2h。本发明采用两阶段还原工艺，在低温阶段，适当增加低温还原时间，对铁氧化物进行还原，去除更多的氧，并尽量减少锰氧化物的形成，以降低高温阶段锰的氧化转移。与单纯在970℃退火还原相比，两阶段法可使粉末表面氧島含量明显下降，总氧含量也降低到0.2%以下，与单纯970℃退火还原相比，氧含量降低幅度达61%。
【IPC分类】B22F9-22
【公开号】CN104858444
【申请号】CN201510318414
【发明人】李春林, 李松林, 龙安平
【申请人】四川理工学院, 中南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月11日