水雾化钢铁粉末的发展及展望

顾金良19820210 · 发表于 2011-7-12 21:40:41

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　　水雾化钢铁粉末的生产是用高压水将熔融的钢液在雾化器内切断、分散、裂化而成为微小液滴，再经脱水、烘干、筛分、生粉高温还原、粉饼破碎、筛分、合批等工序精制而成。用该种方法生产水雾化铁粉始于二十世纪六十年代中期，美国A.0史密斯公司用高压水雾化技术雾化低碳钢液生产低碳钢粉。由于用该种方法生产的粉末颗粒具有内部密实、纯度高、易于合金化等优势引起粉末冶金界极大重视。但是，由于该种水雾化原生粉末的松装密度大、粉末表面光滑导致粉末成形性差，粉末生坯强度低，应用上存在困难，致使用高压水雾化技术生产的水雾化铁粉推广应用受到限制。到七十年代初期，德国曼内斯曼采用高温还原工艺，使水雾化铁粉在高温还原状态下产生局部烧结，改善了粉末颗粒形状，这一重大技术进步生产出了杂质含量低、压缩性高、成形性好的水雾化铁粉，用其制造的粉末冶金零件的密度、强度、形状复杂性都上了新台阶，为汽车使用高密度、高强度、高精度、形状复杂的粉末冶金件奠定了基础，由此，也使水雾化制取铁粉生产技术得到推广应用并迅猛发展。
　　水雾化法制取铁粉的技术特点
　　1水雾化法生产铁粉技术优势
　　与还原铁粉生产方法相比，用水雾化法生产铁粉的优势为：
　　①工序流程短，生产效率高，适于规模化生产；②可以用廉价原料(废钢)生产成份纯度高、组织均匀且工艺性能好的高附加值优质粉末；③用水雾化法生产的水雾化纯铁粉颗粒形状大小和粒度分布等均可在一定范围内调整。④用水雾化法生产的纯铁粉不仅压缩性值高、化学纯净度高，而且能用于生产高密度、高强度、高尺寸精度和耐磨、耐蚀性、形状复杂的粉末冶金结构件，优于用还原粉生产的同类型产品。
　　2水雾化铁粉生产的不足
　　①设备一次性投资大；②不利于生产低松装密度铁粉；
　　3水雾化铁粉生产的关键技术
　　(1)高压水雾化技术
　　高压水雾化技术的关键是通过高压水将钢液在雾化器内破碎成微小液滴，而喷咀是雾化装置中使雾化介质获得高能量、高速度的部件，也是对雾化效率和雾化过程稳定性起重要作用的关键性部件。好的喷咀设计要满足以下要求：①能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所需要的能量：②能保证雾化介质与金属液流之间形成最合理的喷射角度；③使金属液产生最大的紊流；④工作稳定性好，喷咀不易堵塞；⑤加工制造简单。
　　目前，在水雾化钢铁粉末生产中所用喷咀类型主要为环缝型喷咀和“V”型喷咀。
　　在水雾化过程中，钢液的出钢温度、雾化开始温度、雾化终止温度、钢液液流直径、钢液雾化速度、高压水水压、流量、喷射角度等构成了主要水雾化工艺参数。
　　(2)生粉高温还原技术
　　这项技术直接关系到成品粉末的主要化学成份(C、O含量)，影响着粉末颗粒形状，并对成品粉末的最终综合性能产生直接影响(粉末粒度组成、松装密度、流动性、压缩性、成形性)。
　　在还原过程中，既进行脱碳、脱氧、降低粉末颗粒硬度、提高粉末塑性的过程，又要进行粉末颗粒团聚过程，使细的粉末颗粒之间或细的粉末粘结于粗的粉末颗粒表面进行粉末颗粒团聚，使粉末颗粒表面复杂，类似海绵状，这是提高雾化铁粉成形性的关键，也是生产高质量水雾化铁粉的重要方法之一。
　　(3)粉饼无加工硬化、无氧破碎技术
　　生粉经高温还原生成的粉饼通过多级破碎方可制成最终产品粉末。但是，在多级破碎过程中，粉末既不能再氧化，又不能因受冲击作用产生加工硬化而影响粉末的成形性，并且粉末颗粒本身及粉末颗粒形貌、密实度、尺寸大小、粒度组成、松装密度、压缩性、流动性等都应达到生产高密度、高强度、形状复杂的制品性能要求。
　　水雾化钢铁粉末生产概况
　　1国外水雾化钢铁粉末生产概况
　　目前世界水雾化铁粉和钢粉产量约70万吨，占其钢铁粉末总产量的55%以上。目前，比较大的几家水雾化钢铁粉末生产企业有瑞典赫格纳斯、加拿大魁北克、日本川崎制铁、日本神户制钢、美国赫格纳斯。
　　(1)从产量上看
　　瑞典赫格纳斯目前在瑞典、美国、比利时、巴西等均有自己的水雾化制粉厂，水雾化钢铁粉末年生产能力50万吨，2004年产量约17—20万吨；加拿大魁北克主要以冶炼钛铁矿的副产品——高碳铁水做原料，生产水雾化铁粉和钢粉，此外本世纪初，收购德国曼内斯曼水雾化铁粉厂，2004年生产量约25万吨；日本川崎制铁是以转炉钢液为原料，用精炼炉进行化学成份处理及提温，每炉制取铁水量约100吨，用两个喷咀同时雾化，每次雾化时问约3小时，生粉生产能力大，2004年生产量约8万吨；日本神户制钢所用设备主要有30吨电炉及相应的雾化、脱水、烘干、筛分、还原设备等，2004年实际产量约7万吨；美国赫格纳斯在美国和德国均有自己的水雾化制粉厂，2004年产量约7万吨。
　　(2)从品种上看
　　上述水雾化钢铁粉末生产企业不仅生产规模大，而且产品品种多，并根据产品性能自成系列，较出名的产品类型为：
　　(1)高压缩性水雾化铁粉
　　从二十世界八十年代中期至九十年代，国外主要水雾化钢铁粉末生产企业通过对水雾化制粉工艺的改进和完善，不仅能制备化学成份更纯的水雾化纯铁粉，而且其流动性、填充性更好，压缩性更高、性能更一致。如瑞典赫格纳斯公司牌号为ASCl00.29水雾化铁粉不仅化学纯净度高，而且在600MPa压制压力下，可获得7.20g／cm3的密度；而极优化学纯度的ABCl00.30粉在600MPa压制压力下，可获得7.40g／cm3的密度。
　　(2)水雾化扩散型合金钢粉
　　水雾化扩散型合金钢粉是用扩散粘结法生产的，其生产是用高压缩性的水雾化纯铁粉或还原铁粉作母粉，添加合金元素(或其氧化物)经均匀混合后，在电炉内用氢气(或氨分解气)作保护性气体进行扩散处理，其特点为：
　　①具有较高的压缩性；②合金元素在制品烧结过程中能进一步完全合金化；③在运输和混合处理过程中不产生合金元素成份偏析，避免了因成份偏析造成的件与件之间具有不同的化学组成，使其在烧结过程中造成尺寸变化，能保持尺寸公差稳定，便于获得显微结构均匀的铁基合金产品；④细的合金元素粉颗粒粘结到铁粉颗粒表面上能减少隆起或团聚，在随后用石墨和润滑剂混合过程中添加的合金元素粉均匀分布，更有效的改善烧结件的机械性能。
　　扩散粘结法是目前生产高性能钢铁粉末原料的重要发展方向。
　　目前扩散型合金钢粉较出名的种类有：
　　DistoloyAB粉，他的基础粉末是ASCl00.29，扩散粘结1.75%Ni，0.5%Mo，1.5%Cu，经一次压制烧结法后密度可达7.20g／cm3，抗拉强度可达650MPa，经热处理后，强度可提高到1000MPa。
　　DistoloyAE粉，是以ASCl00.29粉作母粉，添加4.0%Ni，0.5%Mo，1.5%Cu，经一次压制烧结后密度可达7.20g／cm3，可用于生产淬硬性高的材料。
　　KIPSIGMALOY2010粉扩散粘结了2.0%Ni，1.0%Mo，经复压复烧密度超过7.40g/cm3，抗拉强度达到2000MPa，冲击功值达到60J，适于生产高强度粉末冶金件。
　　KIPSIGMALOY415粉扩散粘结了2.0%Ni，0.5%Mo，1.5%Cu，经复压复烧密度超过7.40g/cm3，抗拉强度达到1300MPa，冲击功值达到40J，适于生产高强度粉末冶金件。
　　(3)无偏析混合粉
　　无偏析混合粉是用粘结化处理混粉工艺生产的。该种混粉工艺是20世纪80年代研究开发出的一种制备高性能待压混合粉的新工艺。混粉时加入一种特定的粘结剂，可使混合粉中的各种添加元素均匀分散且固定在基体铁粉上，减少粉末污染和成份偏析，少或无碳损失，提高粉末流动性、模具填充性、质量控制能力和粉末压缩性及生坯强度等；减少零件的尺寸变化程度和减少待压粉末化学成分的波动，从而减少了粉末冶金零件内部和零件之间的物理性能差异。
　　粘结化处理混粉工艺不同的企业采用的粘结剂和技术工艺是不同的，但其目的是一致的。如美国赫格纳斯公司采用的是粘结剂ANCORBOND商标混粉技术；瑞典赫格纳斯公司的粘结化处理混合粉命名为STARMIX；日本神户制钢使用粘结化处理混合粉命名为Segregation-less powder；川崎制铁公司的粘结化处理混合粉命名为Cleanmix powder。加拿大魁北克粉末公司使用粘结化处理混合粉命名为FLOMET Powder。
　　粘结化处理混合粉中的添加剂，特别是润滑剂也是近几年研究的重点。新开发的具有增强润滑作用的润滑剂取代传统的硬脂酸锌，不仅增加了润滑效果，降低了润滑剂的添加量，提高压缩性和压坯强度，降低脱模力，而且烧结环境比用硬脂酸锌要洁净的多。
　　(4)预合金钢粉
　　该种粉末的生产是将合金元素(镍、铝、铜、铬、锰等)在钢水冶炼过程或雾化前与铁熔融，采用高压水雾化技术生产而成。它的主要优点是：①能更有效地利用合金元素；②粉末颗粒组成中合金元素分布及显微结构均匀，具有高的强度和好的耐磨性。用预合金钢粉生产的材料比用扩散型合金钢粉或无偏析混合粉生产的材料显微结构均匀，具有更高的硬度和尺寸稳定性。
　　在预合金钢粉生产中所加合金主要是为了提高材料机械性能。添加Ni能提高粉末冶金材料强度，如添加1.5%Ni能提高材料的抗拉强度150N／mm2；镍含量增加，其材料抗拉强度会更高；添加Mo能有效提高铁基粉末性能，因Mo在钢水冶炼过程中能更有效地溶入铁中进行合金化，因此在生产高压缩性预合金钢粉时Mo被作为首选合金元素。其代表产品有含0.85%Mo、1.5%Mo的预合金钢粉。该种粉末美国赫格纳斯公司和瑞典赫格纳斯公司均大批量生产，其牌号分别为Ancorsteel85HP和Astaloy85Mo、Ancorsteel 150HP和AstaloyMo。Ancorsteel85HP和Ancorsteell50HP水雾化预合金钢粉添加4.0%Ni、1.0%Cu和石墨(使烧结后碳含量约0.5%)，在600MPa压力下压制压坯，1120℃时烧结，冷速l℃／sec时烧结密度可达7.15g／cm3，烧结材料抗拉强度可达950N／mm2；在1316℃烧结时，密度增加0.1g／cm3，强度达到1100N／mm2。
　　过去预合金钢粉生产主要以添加Ni、Mo合金为主，这是因为Ni、Mo合金与氧的亲和力小且不易氧化，但是Ni、Mo是贵重金属，价格高，Cr、Mn虽然价格低，用少量的Cr、Mn合金就能达到改进烧结坯机械性能的目的，但是Cr、Mn与氧的亲和力大，在水雾化过程中易氧化且在氢气条件下很难还原，由此限制了Cr、Mn合金在预合金粉生产中的应用。
　　对于含Cr、Mn预合金钢粉的生产，粉末氧化是必须首先解决的大问题。起初Sumitomo metal用油作为雾化介质，虽能解决这一问题，但生产成本高，产品价格没有竞争力。川崎制铁是用水雾化真空退火工艺生产Fe-Cr-Mn预合金钢粉，该种类型粉末氧含量低，如KIP4100VS就是用这种工艺生产的，其粉末含0.001%N、0.10%O、0.02%C；在690MPa压制压力下生坯密度可达7.15g／cm3，烧结件抗拉强度824MPa，再经过热处理后，抗拉强度可达1270MPa。目前川崎制铁用真空退火工艺生产的水雾化预合金钢粉主要有Fe-Cr-Mn、Fe-Cr-Mo系列产品，年产量超过2000吨。
　　合金元素能以不同的组合来提高烧结钢材料的淬透性，如锰对淬透性的影响效果最显著，其次是钼、铬、镍。采用淬透性系数较高而且价格低廉的锰和铬代替一定量的钼和镍是烧结硬化工艺用合金钢粉研究的新方向，加拿大魁北克金属粉末公司开发的水雾化预合金钢粉ATOMET-4701粉含0.45%Mn、1.0%Mo、0.9%Ni、0.45%Cr，是专为烧结硬化工艺设计的。
　　(5)温压粉末
　　温压粉末是温压技术的核心和获得高密度铁基粉末冶金零部件的技术关键。目前最常用的温压粉末为铁基粉末，主要由瑞典赫格纳斯加拿大魁北克生产该类型粉，而国内尚没有生产温压用粉的报道。
　　温压粉末的制备是以扩散型合金钢粉或高压缩性水雾化铁粉做母粉，添加所需合金元素粉、聚合物润滑剂、石墨等，采用粘结化处理混粉工艺精制而成。对聚合物润滑剂的要求通常要具有较低的摩擦系数、高于温压温度的熔点、防止粉末氧化、分解温度较宽等特点。
　　2国内水雾化钢铁粉末发展及概况
　　(1)在生产规模上
　　国内水雾化铁粉生产技术是1987年鞍钢粉材厂引进德国曼内斯曼4320吨／年水雾化铁粉生产线开始的。1994年瑞典赫格纳斯公司控股在上海建成3000吨水雾化铁粉生产线，之后浙江建德易通粉末冶金有限公司、莱钢集团粉末冶金有限公司相继建成水雾化铁粉生产线，生产水雾化纯铁粉、预合金钢粉等。鞍钢粉材厂水雾化制粉生产线年生产能力约1.0万吨，2004年产量近8000吨，2005年可望达到1.0万吨；莱钢集团粉末冶金有限公司在原5000吨水雾化制粉生产线的基础上，2003年新建一条4.0万吨／年水雾化制粉生产线，2004年水雾化铁粉和钢粉产量约8000吨，2005年超过1.0万吨；浙建德易通粉末冶金有限公司现有两台1.5中频感应炉(冶炼设备)和相应雾化、脱水、烘干、筛分、还原设备，年生产能力近1.0万吨，2004年产量约6000吨，2005年预计产量可达8000吨。
　　(2)在产品品种上
　　国产水雾化纯铁粉从化学成分指标，松装密度、流动性、粒度组成、氢损值等与国外同类型产品相比差别不大，但其压缩性值在高压制压力(如600MPa)下其数值以7.10～7.15g／cm3为主，高于7.20g／cm3的较少；预合金钢粉品种类型主要有Fe-Ni-Mo、Fe-Mo、Fe-Mn-Mo-Co-V、Fe-Ni-Mo-Mn-Cr-Cu、Fe-Ni-Mo-Cr-Cu-V等，产品没有形成系列化，且产品压缩性值低于国外同类产品。至于扩散型合金钢粉、无偏析混合粉等虽然鞍钢粉材厂、莱钢集团粉末冶金有限公司等企业已经生产，但总体生产量少，应用范围窄。烧结硬化粉、温压用粉还没见有国内企业批量生产的报道。
　　综合上述情况，国产水雾化铁粉、扩散型合金钢粉、无偏析混合粉、预合金钢粉等与国外主要同类型企业相比，无论是从产量、产品品种数量、性能上对比都存在较大差距，需国内水雾化制粉企业奋起直追才能缩小与国外的差距。
　　关于我国水雾化钢铁粉末发展的几点建议
　　为适应我国粉末冶金工业发展的需要，积极参与国内外粉末冶金市场竞争，促进我国钢铁粉末工业尽快达到国际先进水平，特提出如下建议：
　　(1)提升装备水平，完善生产条件，为生产高品质粉末提供保障，具体要求为：
　　①在冶炼装备上要确保钢水化学成分可控，使影响产品性能的有害元素含量如Si、S、P及其他合金元素得到有效控制，降低钢水中气体含量尤其是钢水氧含量；②在雾化生粉生产上，要加强雾化用水处理及质量控制工作，加强脱水烘干效果控制，降低生粉氧含量；③再还原工序中，要做好颗粒硬度控制工作，目前国产粉末颗粒硬度高，这是制约其压缩性提高的主要因素之一。
　　(2)加大科研经费投入，做好新产品、新工艺、新技术的研究开发工作。
　　①加大雾化喷嘴结构研究，做好粉末颗粒形貌、生粉颗粒形状、粒度分体控制工作，提高雾化生粉收集率及雾化效率。②研究开发化学纯度高，粒度分布合理，粉末颗粒形状复杂，成形性好，压缩性高，松装密度满足用户需要的水雾化铁粉，为生产高压缩性的扩散型合金钢粉、无偏析混合粉、温压用粉提供保障。③积极推进国内粉末冶金制品企业需要的预合金钢粉系列产品，尤其是含Cr、Mn预合金钢粉的研究开发和性能提高工作。④加强无偏析混合粉生产技术、温压用粉生产技术、烧结硬化技术等研究开发及推广工作。
　　(3)做为制粉企业既要做好粉末性能研究工作，同时又要积极开展粉末冶金制品性能的研究，使所生产的粉末更好的满足制品性能需要，及时对粉末生产工艺加以改进，为制品生产做好服务。
　　(4)要充分利用好自身资源优势，抓住机遇，适时扩大生产规模，快速实现规模化高效率生产，降低生产成本，实现钢铁粉末价格合理、质量稳定、与用户双赢的目的，并积极参与国内外钢铁粉末竞争，促进我国粉末冶金工业整体快速发展。【MechNet】
文章关键词：水雾化钢铁粉末

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