高温还原对水雾化铁粉压缩性的影响

伊红艳  

山东鲁银新材料科技有限公司 

摘要：铁粉作为粉末冶金工业消耗量最大的一类粉末，在推进冶金材料高密度、高强度、形状多样化发展进程方面扮演着重要角色，特别是以水雾化铁粉作为冶金材料，其节能与节材效果表现的尤为明显，但是，由于生产这一类铁粉多采用高温还原法，以至于对铁粉化学成分、松装密度、流动性以及压缩性等特性将产生诸多不良影响。因此，本文将采取实验论证的方法，对高温还原影响水雾化铁粉的流动性、松装密度、显微硬度及压缩性予以详细论述。

关键词：高温还原；水雾化；铁粉；压缩性

    目前，利用水雾化法生产铁粉的工艺在冶金领域得到普遍推广和应用，而高温还原作为水雾化铁粉生产流程中的一道关键工序，极易对铁粉的物理与化学性质产生诸多影响，尤其对铁粉压缩特性的影响，使得生产出的铁粉质量无法满足标准要求，在这种情况下，需要对水雾化铁粉的压缩性与影响因素进行深入探讨与研究，进而为制备高质量、高压缩性的铁粉提供真实确凿的参考依据。

1 水雾化铁粉的特点与制备工艺流程

相比于其它制备方法，利用水雾法制备的铁粉具有以下显著特点：第一，以水雾化铁粉作为原料能够制备多种成分的合金粉末，并且制备出的粉末具有较好的均匀性。第二，铁粉粉末颗粒的形状、大小及结构可以任意调整，而且铁粉的纯度较高。第三，利用水雾化铁粉能够生产大批量的冶金制品，并且，生产工艺流程简单，所需的制备原料价格低廉，这就给冶金企业节省了大量的生产成本。因此，水雾化铁粉的在粉末冶金领域得到广泛应用，水雾化铁粉制备工艺流程如图1所示。

图1：水雾化铁粉制备工艺流程

在制备铁粉时，需要精选铁块原料或者海绵铁原料，然后将原料在电弧炉中进行熔炼，经过熔炼以后形成钢液，需要在脱渣处理后被直接送入精炼炉，钢液在精炼炉中通过脱碳、除渣以后流入雾化站中间包，并将其雾化成为粉末体。利用水雾化法制备的铁粉成分均匀，易于成形，如果对还原温度进行有效控制，那么压坯强度将得到大幅改善。比如利用V型喷嘴来制备水雾化铁粉，如果提高水流压力与精还原温度，而其它工艺条件保持恒定，那么铁粉本身的强度将明显提升，如果压制力为600Mpa，并采取单向压制的方法，那么，得到的压制坯件的密度能够达到7.08g/cm3以上。

2 实验论证

    本文将通过实验论证的方法，来验证高温还原对水雾化铁粉压缩性等铁粉性质产生的不良影响。该实验选取8份水雾化铁粉样品，在实验开始以后，首先将样品置于钼丝炉中进行高温还原，此时的还原温度为900℃，然后将铁粉分别盛放在铁制的方舟当中，再将其推入还原炉进行高温处理，高温还原气体采用氢气，在保温1-2小时以后对样品进行还原处理，再对还原后的样品进行冷却，最后经过破碎、研磨与筛分处理，得到还原铁粉样品。通过对铁粉化学成分、压缩性、松装密度、流动性等指标的测定，来确定高温还原对铁粉这些物理与化学性质产生了哪些影响[1]。

3 高温还原对水雾化铁粉性质的影响

3.1 对粉末流动性与松装密度的影响

水雾化铁粉的流动性大小与粉末颗粒密度及松装密度有关，如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，粉末流动性越好，如果颗粒密度不变，随着相对密度的增加，粉末颗粒的流动性也显著提升，但是，如果颗粒密度小，相对密度大，那么铁粉的流动性也相对较差。而铁粉的松装密度则与粉末颗粒的性质有关，等轴性粉末、粗颗粒粉末流动性好，在粒度组成中，极细粉末所占的比例越高，粉末流动性越差。而经过高温还原处理后的铁粉，每50g铁粉的流动性提高1-2s，其松装密度也呈现出明显的升高态势。如果将这些铁粉再次破碎，粉末颗粒的形状将趋于规则，这时，粉末流动性与松装密度也有所提升。通过对铁粉高温还原前后形态的比对发现，铁粉经过高温还原以后，粉末间的聚集速度增加，粒度变大，这就使得粉末的压缩性得到大幅提升，究其原因是由于粗粉末质地较软，晶粒尺寸较大，使得位错滑移距离变长，在这种情况下对粉末进行加工，则很难实现硬化的目的。

3.2 对粉末显微硬度与压缩性的影响

粉末的显微硬度是铁粉最为基本的一项物理指标，如果铁粉颗粒的显微硬度高，那么，粉末的压缩性将明显下降，即坚硬的粉末颗粒在压制过程中不易发生变形，导致压制密度降低。而显微硬度低的粉末，在压制时容易发生塑性变形，粉末颗粒之间的间隙减少，进而使压坯密度大幅提升。一般情况下，经过一次还原的铁粉，其显微硬度介于65-98HV之间，而经过二次还原的铁粉，其显微硬度则明显降低，而压制密度则提高0.2-0.5g/cm3，究其原因是由于经过二次高温还原以后，粉末缺陷得以消除，粉末表面的杂质去除，进而使粉末当中的碳、氧、硫、氮的含量大幅降低，在这种情况下，晶粒形态将变大，使得粉末的压缩性得到有效改善。另外，在一次还原与二次高温还原时，将产生脱氧、脱碳、脱硫等固-气多相反应，经过这些化学反应以后，铁粉本身的纯度大幅提升

[2]。

通过对铁粉还原样品的分析发现，影响粉末显微硬度的因素包括杂质含量以及晶格缺陷数量，从粉末显微硬度与铁粉压缩性之间的关系对比图中可以看出，经过高温还原后铁粉，其显微硬度多在69-89HV之间，而在高温还原之间，铁粉的显微硬度介于89-124HV之间，这一数据足以说明，铁粉在经过高温还原处理后，显微硬度明显下降，而粉末的压制密度却提升了0.1g/cm3以上，如果在600Mpa的压力下对铁粉进行压制处理，压制密度都可以达到7.15g/cm3以上。如果对批量铁粉样品的显微硬度与压制密度进行分析，可以得出以下结论：即粉末的压缩性随着显微硬度的升高而下降，这一结论也验证了粉末压缩性与显微硬度之间存在的密切关系，只有显微硬度发生大的变化，粉末的压缩性才能发生明显改变。

3.3 高温还原过程中粉末氧含量的影响因素

    铁粉经过高温还原以后，铁粉内部的氢元素以及其它元素的含量也将大幅降低，在实验过程中，通过对其中一份样品还原前后化学成分的含量进行比对发现，还原以后的样品，铁含量明显增加，这是由于氢耗量增大，而其它杂质元素的含量并未出现大的波动。尤其在经过脱氧、脱碳、脱硫等化学反应之后，铁粉的纯度显著提升，才使得高温还原后的铁粉的显微硬度呈现出下降趋势，以其中一份实验样品为例，高温还原后，样品本身的显微硬度由原来的103下降至67，这时，粉末的压缩性得到有效改善，即压制密度由原来的7.00 g/cm3增加至7.15 g/cm3。从粉末氢耗含量与显微硬度的关系图中可以看出，在粉末缩孔、固溶、氧化的共同作用下，氢耗含量也受到严重影响，随着氢耗含量的变化，粉末本身的显微硬度也随之改变，其影响趋势是粉末氢耗含量的增加，使粉末的显微硬度大幅提升，在这种情况下，铁粉的压缩性将快速下降。但是，由于氢耗的组分中除了含有氢氧化物以外，还含有大量的杂质，比如硅、锰等杂质，这些杂质对粉末的显微硬度也会产生不同程度的影响。由此可以看出，高温还原过程中粉末氧含量的多少也会直接影响的铁粉的压缩性。

结束语：

    通过实验论证的方法可以对高温还原影响水雾化铁粉的压缩性做出更加确切的判断，即经过高温还原后的铁粉，其显微硬度将从原来的89-124HV下降至69-89HV，铁粉的压缩性将提升0.1g/cm3以上，如果压制力在600Mpa以下，那么，铁粉的压制密度将由原来的7.00g/cm3上升至7.15g/cm3。而经过高温还原后的铁粉再经过破碎处理，铁粉的流动性，每50g将提高1-2s，而松装密度将提高0.1 g/cm3。由此可以看出，经过高温还原的铁粉，流动性、松装密度、显微硬度在发生变化的同时，铁粉的压缩性也将受到不同程度的影响。

参考文献：

[1]李上,鲍瑞,李凤仙,李韶雨,易健宏.铁粉压缩性主要影响因素概述[J].热加工工艺,2016,45(19):6-9+5.

[2]王仕东,孙世清,程世超,刘家鹏,邹卫武.MIM用粉现状及其雾化制粉工艺的发展[J].内燃机与配件,2017(17):55-57.