一种利用含锰还原铁粉制备铁基粉末冶金材料的方法

摘要

一种利用含锰还原铁粉制备铁基粉末冶金材料的方法，是根据设计的铁基粉末冶金材料组分及配比称取各组分，同时，向所述组分中添加金属铜-钛合金粉，混合均匀；然后，烧结，冷至常温，即得到本发明利用含锰还原铁粉制备的铁基粉末冶金材料。本发明利用铜-钛合金中钛的活度降低，而金属钛的化学活性比锰高，当烧结温度超过铜钛合金的液相线温度后，铜合金粉末熔化并与铁粉颗粒发生反应溶解于铁粉颗粒中。当温度达到金属钛与锰氧化物的反应温度后，发生还原反应将金属锰还原出来并溶解在铁颗粒中实现对铁基体的固溶强化。本发明工艺方法简单，操作方便，成本低，适于工业化生产，使含锰铁鳞作为铁基粉末冶金材料制造原料成为可能。

说明书

技术领域

本发明公开了一种利用含锰还原铁粉制备铁基粉末冶金材料的方法；属于粉末冶金材料制备技术领域。

背景技术

传统铁基粉末冶金材料的制造原料主要有还原铁粉和雾化铁粉。密度低于6.8g/cm³的铁基粉末冶金材料通常采用价格较低廉的还原铁粉作原料。铁粉企业通常采用低硅锰的轧钢铁鳞作为还原铁粉的原料。但随着工业领域对钢的强度要求日愈提高，基于锰是钢铁材料中强化效果最好的合金元素之一与最廉价的金属合金元素，在高强度钢中锰是钢铁材料中最常见的合金元素。因此，钢铁公司的轧钢铁鳞中锰是经常存在的元素。采用含锰的铁鳞作还原铁粉的原料会带来还原铁粉的压制性能大幅度降低，进而导致最终的铁基粉末冶金材料的力学性能大幅度恶化。而铁鳞中的锰一般以氧化物形式存在，且较均匀地分布在铁氧化物中，即使铁被还原后，也不可能通过磁选将锰氧化物分离而提高铁粉纯度。因此，在以轧钢铁鳞为原料制取的还原铁粉中通常含锰量达到0.45％左右。采用这样纯度的还原铁粉制造的粉末冶金材料密度一般在6.5g/cm³左右，力学性能很低，应用领域十分有限。所以，在现有的技术水平下，由含锰铁鳞制备的还原铁粉在粉末冶金材料制造领域没有太多的工业应用价值。为了开发这类含锰铁鳞的潜在经济价值和满足铁基粉末冶金材料行业对还原铁粉的日益增长的需要，开发利用含锰还原铁粉变得极为紧迫。

发明目的

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单，操作方便、成本低的利用含锰还原铁粉制备铁基粉末冶金材料的方法，本发明不仅可有效利用含锰铁鳞中的锰元素，提高含锰铁鳞制备的铁基粉末冶金材料强度；而且，使含锰铁鳞作为铁基粉末冶金材料制造原料成为可能。

本发明一种利用含锰还原铁粉制备铁基粉末冶金材料的方法，包括下述步骤：

第一步：配料

根据设计的铁基粉末冶金材料组分及配比称取各组分，同时，向所述组分中添加Cu-Ti合金粉末，所述Cu-Ti合金粉末添加量根据组分中还原铁粉中的锰含量按质量比∶Mn∶Cu∶Ti＝1∶(3-5)∶(0.4-0.6)的比例添加，混合均匀；

第二步：烧结

将第一步所得混合物加热至1100-1150℃烧结45-60分钟，冷至常温，即得到本发明利用含锰还原铁粉制备的铁基粉末冶金材料。

本发明中，所述还原铁粉由含锰铁鳞直接还原制得。

本发明中，所述烧结为真空烧结、分解氨保护气氛烧结、氮气保护气氛烧结中的一种。

本发明由于采用上述工艺方法，利用铜-钛合金中钛的活度降低，而金属钛的化学活性比锰高，当烧结温度超过铜钛合金的液相线温度后，铜合金粉末随即熔化并迅速与铁粉颗粒发生固液合金化反应溶解于铁粉颗粒中，减小金属钛与烧结气氛中氧的接触机会。当温度达到金属钛与锰氧化物的反应温度后，发生还原反应将金属锰还原出来。还原出的金属锰溶解在铁颗粒中实现对铁基体的固溶强化。由于金属钛活性很高、容易氧化，采用铜钛合金粉末的形式加入，利用铜-钛合金中钛的活度降低，可大幅度减轻在烧结过程中钛的氧化。另外，钛与其它活性强的元素相比价格更为低廉。本发明不仅充分利用了合金元素锰对铁基体的强硬化效果，而且使含锰铁鳞作为铁基粉末冶金材料制造原料成为可能。

本发明的主要优点和积极效果是：

1、利用金属钛比金属锰与氧之间的更高的亲合力，在铁基零件烧结过程中将金属锰还原铁粉中的锰氧化物还原，金属锰对铁基体实现了强化。

2、含0.45％Mn的还原铁粉在铁基粉末冶金材料制造领域因压制性能很差而不具备工业应用价值，而本发明利用了其中锰元素对铁基体的强化提高了铁基粉末冶金的强度，解决了这类资源量大的铁鳞在粉末冶金材料中的应用难题，提高了这类铁鳞的使用价值。

3、由本发明制造的铁基粉末冶金材料(Fe-1.5Ni-2Cu-0.45Mn-0.5C)的强度与Fe-3Ni-2Cu-0.6C相当，而材料成本降低20％，且节省了稀有金属Ni的消耗。

综上所述，本发明工艺方法简单，操作方便、成本低，适于工业化生产，充分利用合金元素锰对铁基体的强硬化效果，而且使含锰铁鳞作为铁基粉末冶金零件制造原料成为可能。

具体实施方式

实施例1：

制备的粉末冶金材料为：Fe-1.5Ni-2Cu-0.45Mn-0.5C-0.22Ti；

第一步：配料

将-100目由含锰铁鳞直接还原制得的含0.45％Mn的还原铁粉与金属镍粉、Cu-10Ti合金粉、石墨粉按设计成份配制，其中Mn∶Cu∶Ti＝0.45∶2∶0.22；添加0.6％的硬脂酸锌作润滑剂，混合均匀；

第二步：烧结

将第一步所得混合物在分解氨保护气氛烧结炉加热至1100℃烧结45分钟，冷至常温，即得到本发明利用含锰还原铁粉制备的铁基粉末冶金材料。

经测试，本实施例制备的烧结铁基材料的抗拉强度为417MPa，硬度为HRB66。而成份为Fe-3Ni-2Cu-0.6C材料的抗拉强度为310MPa，硬度为HRB63。因此，Fe-1.5Ni-2Cu-0.45Mn-0.5C-0.22Ti材料强度比Fe-3Ni-2Cu-0.6C材料提高了34.5％，镍粉使用量减少了50％，材料成本降低20％。

实施例2

制备的粉末冶金材料为：Fe-1.5Ni-3Cu-0.45Mn-0.5C-0.22Ti；

第一步：配料

将-100目由含锰铁鳞直接还原制得的含0.45Mn的还原铁粉与金属镍粉、Cu-10Ti合金粉、石墨粉按设计成份配制，其中Mn∶Cu∶Ti＝0.45∶3∶0.3；添加0.6％的硬脂酸锌作润滑剂，混合均匀；

第二步：烧结

将第一步所得混合物在真空烧结炉加热至1120℃烧结50分钟，冷至常温，即得到本发明利用含锰还原铁粉制备的铁基粉末冶金材料。

经测试，本实施例制备的烧结铁基材料的抗拉强度为423MPa，硬度为HRB68。而成份为Fe-3Ni-2Cu-0.6C材料的抗拉强度为310MPa，硬度为HRB63。因此，Fe-1.5Ni-3Cu-0.45Mn-0.5C-0.22Ti材料强度比Fe-3Ni-2Cu-0.6C材料提高了36.45％，镍粉使用量减少了50％，材料成本降低18％。