|
1 前言
粉末冶金技术具有低能耗、高材料利用率和生产率等显著特点,已为机械制造特别是汽车工业提供了大量质优价廉的铁基粉末冶金零件[1]。目前,工业用粉末冶金铁粉主要包括还原铁粉和雾化铁粉[2,3]。还原铁粉末的颗粒形状复杂且表面粗糙,具有很好的成形性能,适合壁薄、形状较复杂的中低密度铁基粉末冶金零件的制造。而雾化铁粉的颗粒形状较规则、表面较光滑,粉末压缩性高,适合用作几何形状较简单的中高密度零件的制造原料。随着我国粉末冶金工业的迅速发展,对铁粉的需求量日益增长。
转炉在吹炼炼钢过程中,氧枪的氧压及氧与钢中杂质元素间的剧烈氧化反应所造成的扰动,导致钢液飞溅,形成铁粒。其成粉机理和颗粒形状与雾化铁粉之间存在相似之处。转炉烟尘铁粒随其它烟气一道进入集尘系统,在沉降池变成转炉污泥。由于在吹炼后添加合金元素才构成具体的钢种,故其成分不会随钢种而改变,而取决于铁矿类型。据分析,污泥中含有约20%铁粒。然而,铁粒颗粒形状规则,颗粒表面光滑,且表面附着硅酸盐薄膜。这些特征决定了转炉烟尘中的铁粒的成形性极差,不可能直接用作粉末冶金的原料。日本曾在二十世纪八十年代中期开展过利用转炉烟尘铁粒制取粉末冶金用铁粉的尝试,但因无法解决其成形性和处理介质带来环保问题而未取得实质性进展。如何改善其成形性能成为左右转炉烟尘铁粒转变成粉末冶金原料铁粉的关键技术。我国每年产生转炉烟尘铁粒约二十万吨。这种铁粒经回收后一般用于小型钢铁厂的炼钢原料(售价约100元/吨)或烧结球团的原料,限制了其更大的潜在价值。若能在技术上取得突破,使之转化成附加值高的粉末冶金原料铁粉,其技术和环保意义将十分显著。
2 转炉烟尘铁粒制取粉末冶金铁粉的工艺过程
该技术方法的工艺过程大致如下:转炉污泥→湿式磁选→转炉铁粒→干燥→除表面硅酸盐处理→磁选→铁粒→表面改性处理→铁颗粒表面特征稳定化处理→破碎→筛分→成品铁粉。该工艺过程由两个主要阶段构成,即转炉烟尘铁粒的回收和铁粒的表面处理。转炉烟尘铁粒的回收过程的关键工序是去除其中的硅酸盐和非铁氧化物杂质,确保粉末的化学纯度,是该技术得以实现的基础。而后者则为了使铁颗粒表面粗糙化和降低诸如Ｓ、Ｏ、Ｃ此类杂质,进一步提高粉末的化学纯度。处理后,铁粉的化学组成如表1所示。
由表1可以看到,铁粉的总铁量达98 5%,化学成分符合粉末冶金用铁粉的要求
3 试验结果及分析
3 1 铁粒表面的改性
粉末成形性表征着粉末经压制后颗粒间的结合强度。铁粉改性的基本出发点是保持颗粒的形状大致不变,以保持其高的压缩性能。而对于成形性能,则必须设法使铁粒表面粗糙化,具有发达的表面,便于在压制后提高颗粒间的结合强度,从而达到改善粉末成形性能的目的。为了不增加能耗和加工成本,采用在室温下使铁颗粒表面活化和进一步粗糙化的方法来改善粉末成形性能。图1为表面处理时间对铁粉松装密度的影响规律。从图1中可以看到,粉末经表面改性后,其松装密度由原始铁粉的3 82ｇ/ｃｍ3降低到2 72ｇ/ｃｍ3。采用这一处理方法,根据具体要求可在1 9～3 1ｇ/ｃｍ3范围内灵活调整铁粉的松装密度。大幅度地提高了铁粉的成形性能。当铁粉松装密度为2 72ｇ/ｃｍ3时,粉末流速为29 3ｓ/50ｇ。该粉末在压力为420ＭＰａ的条件下压制,所得压坯密度为6 68ｇ/ｃｍ3,压坯强度高达12 68ＭＰａ,比松装密度相近的还原铁粉在相同压制条件获得的压坯强度提高40%,即改性后的转炉烟尘铁粉的成形性能和压缩性能较普通还原铁粉有所提高。与还原铁粉相比较,其根本原因在于颗粒表面层形成了多孔结构,而颗粒内部仍保持着致密结构。铁粉颗粒表面上的多孔状态为提高粉末经压制后颗粒间的结合强度创造了条件。图2中的扫描电镜照片示出了改性过程铁颗粒表面状态的变化情况。
3 2 铁粉的压制、烧结性能
3 2 1 Ｆｅ Ｃｕ Ｃ系
图3与图4分别为Ｆｅ-1 5Ｃｕ-0 5Ｃ粉末(另加0 6%硬脂酸锌)的压坯密度、弹性后效与压制压力间关系。可以看出,该混合粉在588ＭＰａ的压力下压制时,压坯密度达6 82ｇ/ｃｍ3,较普通还原铁粉有所提高。从图中还可以看到,由改性铁粉制取的Ｆｅ-1 5Ｃｕ-0 5Ｃ混合粉的弹性后效比普通还原铁粉(0 4%左右)低得多,而与雾化铁粉接近。这说明改性铁粉适合于制造精度较高的铁基粉末冶金零件。图5表示上述粉末压坯在1150℃烧结1ｈ后,烧结收缩与压制压力间的关系。从图中可以发现,烧结收缩值随压制压力的增加而增大。普通铁粉在相同条件下烧结时,压坯密度高的通常烧结收缩将减小,在某些情况下甚至还会出现膨胀现象。而该铁粉的烧结收缩却表现出反常现象。究其原因,铁粉颗粒的表面极度粗糙,在压制过程中铁粉颗粒表面的皱褶间的接触程度随压制压力的增加而增大。这些接触区在烧结过程中形成数量较多的烧结颈,提高物质迁移通道,加速烧结过程,从而表现出与普通粉末冶金用铁粉不同的烧结收缩规律。
3 2 Ｆｅ Ｎｉ Ｃｕ Ｃ系
图6与图7分别为Ｆｅ-1 5Ｎｉ-1 5Ｃｕ-0 5Ｃ粉末(其中铁与镍间为部分预合金化)的压坯密度、弹性后效与压制压力间的关系。可以清楚地看到,当压制压力为588ＭＰａ时,压坯密度达6 93ｇ/ｃｍ3。与图3与图4比较,压坯密度有所增加。其差异是前者的铁与镍之间产生了部分预合金化,改善了粉末的压缩性。一般认为,造成这一现象的原因是粉末内应力在扩散处理过程中得以消除的结果[4]。而作者认为,由于预合金化区域铁晶格发生了畸变,导致系统能量升高,将未合金化区域中的间隙元素的原子如Ｃ、Ｎ、Ｏ等间隙原子吸引到合金化区域,使该区域产生了纯化效果,从而表现出铁粉颗粒的整体塑性得到改善。图8表明,弹性后效对压制压力不很敏感,且维持相对较低的回弹水平。
图8、图9为粉末烧结行为与压制压力间的关系。可以发现,当压制压力为588ＭＰａ时,烧结密度达7 06ｇ/ｃｍ3,接近普通复压复烧工艺所达到的下限密度水平。因而,其技术意义是十分显著的。烧结收缩值随压制压力的增加而降低,与图5比较,两者变化规律相反。
图10为粉末压坯的烧结硬度。可以清楚地看到,烧结硬度随压制压力的增加而升高。烧结密度提高,试样硬度升高。
3 3 用作温压粉末原料的初步研究
温压工艺是粉末冶金技术领域中一项新型成形技术。由于温压用铁粉原料的售价较普通粉末冶金铁粉昂贵,在一定程度上制约了该项技术推广应用,因而寻找经济的铁粉原料来源将对温压技术和温压铁基粉末冶金零件的推广应用起积极作用。
图11是以转炉烟尘铁粉为原料制备的Ｆｅ-1 5Ｎｉ-0 5Ｍｏ-0 5Ｃｕ-0 6Ｃ温压铁粉的温压行为与粉末加热温度对温压密度的影响。可以清楚地发现,在686兆帕压制时的密度为7 36ｇ/ｃｍ3,比国外某公司产温压铁粉(以雾化铁粉为原料)原料[5]在相近压力下所达到的压坯密度7 32ｇ/ｃｍ3稍高,而石墨添加量提高了0 1%。制造成本为后者的40%左右。若能解决相关技术问题并实现产业化,其社会经济效益将是十分显著的。
4 结论
1)转炉烟尘铁粒经过纯化与改性处理,其化学组成符合粉末冶金用铁粉的基本要求。
2)转炉烟尘铁粉经纯化与改性处理后其压缩性能居于普通还原铁粉与雾化铁粉之间,而成形性能较还原铁粉有所提高。
3)转炉烟尘铁粉可作为温压原料铁粉。
|
