粉末冶金用含Mn混合钢粉及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种粉末冶金用含Mn混合钢粉及制备方法，所述含Mn混合钢粉由水雾化纯铁粉、含Mn水雾化预合金钢粉、FeMn合金粉、石墨粉、润滑剂组成，其中：Mn的质量百分含量小于等于3%；制备方法是配取各组分机械混合均匀。本发明制备的混合钢粉压制性能和烧结密度优于相同成分的含Mn水雾化预合金钢粉；烧结成品与由相同成分常规含Mn机械混合粉烧结所得成品相比氧含量低、烧结成品密度高。Mn含量可达到3%。本发明组分配比合理、Mn含量较高；所制备的含Mn混合钢粉结合了含Mn预合金钢粉中Mn元素分布均匀，以及常规含Mn机械混合粉压制性能好的优势，压制性能好，烧结成品氧含量低、密度高。适于工业化生产。
【专利说明】粉末冶金用含Mn混合钢粉及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种粉末冶金用含Mn混合钢粉及制备方法，属于粉末冶金【技术领域】。【背景技术】
[0002]粉末冶金技术因其具有节能、节材、近净成形的优势，在工业生产中被广泛用来进行金属部件的制备，其中铁基粉末冶金材料占绝大部分。因工业应用的需要，简单的采用水雾化纯铁粉作为铁基粉末冶金材料的生产原料无法达到最终的性能要求，因此通常以机械混合或预合金的方式向水雾化纯铁粉中添加合金元素以改善其性能。水雾化纯铁粉中含有少量的Mn，Mn由铁矿石中带入，其含量一般不高于0.15%，由于含量少，不足以对铁基体起到强化效果，因此需要额外添加合金元素。传统的合金元素如Cu、N1、Mo等，存在价格高，回收利用困难或有潜在毒害性等不足，含有新型合金元素的铁基粉末冶金材料成为开发和应用的方向。Mn价格便宜、容易获取，当Mn含量超过0.35%后，其对铁基体的强化效果变得明显，且锰含量越高其对铁的强化作用越强，因此近年来含Mn铁基粉末冶金材料的开发、应用越来越广泛。
[0003]Mn加入铁基粉末体系的方式对最终压制和烧结材料的性能有很大影响。若采用熔炼水雾化法使Mn和铁形成预合金粉，将在熔炼工序促使Mn元素在含Mn水雾化预合金钢粉基体中充分扩散，因此Mn元素在基体中无偏析、均匀分布，这对烧结后制品的力学性能有积极贡献。但该方法也存在以下问题=Mn元素在熔炼水雾化制备工序中易与氧结合，Mn含量高时导致含Mn水雾化预合金钢粉氧含量高，并且由于Mn元素对预合金钢粉的强化作用导致含Mn水雾化预合金钢粉硬度高、压制性能低于相同成分的含Mn机械混合粉，即达到与含Mn机械混合粉相同的压制密度需要更大的压制压力，这对压机及压制模具要求更高，增加生产成本。Mn含量越高，这些负面影响越大。因此目前工业上可用的含Mn水雾化预合金钢粉中Mn的最高质量百分含量不超过2%。若采用机械混合的方式将Mn以FeMn合金(Mn质量百分含量30-70%)或电解锰粉的形式加入到水雾化纯铁粉中，其压制性能好，与水雾化纯铁粉相当。但在工业生产条件下，由于烧结气氛露点较高(_30°C?-25°C)，FeMn合金或电解锰粉活性较高，有研究报道，当Mn的质量百分含量超过2%时，机械混合粉压制成的压坯内部FeMn合金或电解锰粉所在位置在高温烧结前的脱脂升温过程中Mn蒸发、氧化沉积到近邻的铁基粉末颗粒上，易连接形成含Mn氧化物网络，含Mn氧化物网络一旦形成，在后续的高温烧结过程中，烧结气氛无法渗透扩散到氧化物网络内部发挥对内部氧化物的还原作用，导致最终所得烧结产品氧含量高，高氧含量对烧结致密化和制品的力学性能均存在负面影响，严重时含Mn氧化物可割裂基体，承载时脆断，造成不可估量的严重后果。因此含Mn机械混合钢粉中Mn的质量百分含量一般控制在2%以内。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、Mn含量较高的粉末冶金用含Mn混合钢粉及制备方法；本发明所制备的含Mn混合钢粉具有压制性能好，烧结成品密度高、氧含量低的优势。
[0005]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其组分以质量百分比计为:
[0006]水雾化纯铁粉28.13-58.21% ；
[0007]含Mn水雾化预合金钢粉40-70% ；
[0008]FeMn 合金粉 0.43-3.6% ；
[0009]石墨粉0.5-2% ；
[0010]润滑剂0.5-0.8%;
[0011]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，所述水雾化纯铁粉的粒径为100-200 μ m,优选为100-150 μ m，水雾化纯铁粉中氧的质量百分含量小于等于0.15%。
[0012]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，所述含Mn水雾化预合金钢粉中Mn的质量百分含量为1_3%，粉末平均粒径为100-200 μ m，优选为100-150 μ m，含Mn预合金钢粉中氧
的质量百分含量小于等于0.44%ο
[0013]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉,所述FeMn合金中Mn的质量百分含量为30-70%，优选为45-70%，氧的质量百分含量小于等于1.5%，铁锰之外的其它元素的总质量百分含量控制在3%以下；FeMn合金粉的粒径范围为10-30 μ m，优选为10-20 μ m。
[0014]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，所述石墨粉的粒径范围为10-40 μ m，优选为 10-20 μ m。
[0015]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，所述润滑剂为硬脂酸锌或硬脂酸锂。
[0016]本发明一种粉末冶金用含Mn混合钢粉的制备方法如下:按含Mn混合钢粉各组分的质量百分比分别配取水雾化纯铁粉28.13-58.21%，含Mn水雾化预合金钢粉40_70%，FeMn合金粉0.43-3.6%，石墨粉0.5-2%，润滑剂0.5-1.0% ;将所配取的水雾化铁粉、含Mn预合金钢粉、FeMn合金粉、石墨粉、润滑剂机械混合均匀，得到复合锰源的含Mn混合钢粉。
[0017]本发明一种粉末冶金用含Mn铁基混合料的制备方法中，机械混合时,混料器的转动速度为9-20转/分钟，混料时间为15-30min。
[0018]发明的原理和优势
[0019]本发明由于采用上述组分配比，采用复合锰源来制备含Mn混合钢粉，通过严格控制含Mn混合钢粉组分中含Mn预合金钢粉及FeMn合金粉的添加量，一方面，使粉末冶金用含Mn混合钢粉中Mn含量达到2%_3%，在一定程度上提升合金元素Mn对烧结成品中的铁基体的强化效果；另一方面，克服了当Mn含量较高时，压制性能不好，氧含量高、烧结成品密度低、材料力学性能低的缺陷。
[0020]本发明采用的锰源粉末为含Mn预合金钢粉和Mn含量为30_70%的FeMn合金粉。由于含Mn预合金钢粉中由于Mn元素分布均匀，在基体中无偏析，不存在Mn元素偏聚的现象，烧结前期脱脂升温过程中Mn不易蒸发，生成的氧化物多为铁氧化物，且不会形成氧化物网络，在后续的高温烧结过程中铁锰复合氧化物还可部分被还原(一般认为烧结成品氧的质量百分含量不超过0.3%)。同时，含Mn预合金钢粉中Mn对铁基体的强化作用明显，因此控制Mn的质量百分含量小于等于3%，保证其压制性能。FeMn合金粉中Mn含量较高，达到30-70%，以机械混合方式加入到混合粉中，控制添加较少量的FeMn粉，即可大幅度提升含Mn混合钢粉中的Mn含量，而且不会因为FeMn合金中Mn元素的引入导致最终混合粉的压制性能降低。[0021]本发明的含Mn混合钢粉中另一基体粉末为水雾化纯铁粉，其压制性能好，保证了最终含Mn混合钢粉的较好的压制性能。由于复合锰源中含有40-70%的水雾化预合金钢粉以及不足3.6%的FeMn合金粉，经机械混合后，制备的含Mn混合钢粉中Mn元素分布的均匀性高于常规机械混合的含Mn铁基混合粉，特别是由于严格控制FeMn合金粉的量，脱脂升温过程中Mn蒸发，氧化沉积，形成的含Mn氧化物不易连接成氧化物网络，一方面使得脱脂升温过程中氧化程度减弱，另一方面，在后续的高温烧结过程中烧结气氛可实现对部分零星分布含Mn氧化物的还原。因此采用复合锰源的含Mn混合粉烧结后氧含量较低、密度高于常规含Mn铁基混合料压坯烧结后的密度，在一定Mn含量范围内，锰含量越高其优势越明显。
[0022]采用复合锰源与全部采用含Mn预合金钢粉作为锰源相比，虽然复合锰源对铁基合金基体粉末的强化作用相对较小，但压制密度能保持较高；全部采用含Mn预合金钢粉作为锰源的含Mn混合钢粉中Mn元素分布均匀，烧结过程中易致密化，但锰含量高时由于其对粉末强化作用大，粉末氧含量提高，导致压制和烧结密度降低较快，影响烧结材料的性能。
[0023]基于以上分析，发明人认为:采用复合锰源制备含Mn混合钢粉，锰源中不同组分间烧结膨胀和烧结收缩的协同作用，致使烧结前后采用复合锰源制备的含Mn混合钢粉坯体密度变化小，且随锰含量的变化压制和烧结密度变化幅度最 小。
[0024]综上所述，本发明组分配比合理、Mn含量较高；所制备的含Mn混合钢粉结合了含Mn预合金钢粉中Mn元素分布均匀，以及常规含Mn机械混合粉压制性能好的优势，压制性能好，烧结成品氧含量低、密度高。一方面，克服了当Mn含量较高时，采用单一含Mn水雾化预合金钢粉其压制和烧结密度低的问题；另一方面，本发明采用复合锰源制备的含Mn混合钢粉压坯烧结后氧含量低于常规含Mn机械混合钢粉，且烧结密度高于以FeMn为锰源合金粉、锰含量相同的常规含Mn机械混合粉。由于兼具使用含Mn预合金钢粉及常规含Mn机械混合粉等单一锰源的优势，本发明的含Mn混合钢粉具有优异的压制和烧结综合性能。适于工业化生产。
【具体实施方式】
[0025]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0026]对比例I
[0027]锰源粉末为FeMn合金粉，成分为Fe-XMn-0.6C(X为1、2、2.5、3)的常规含Mn机械
混合粉。
[0028]常规含Mn机械混合粉的组成:水雾化纯铁粉，铁含量> 99.6wt.%，氧含量≤0.15wt.%，平均粒径为100-150 μ m ；FeMn合金粉，锰含量为45wt.%，氧含量≤1.5wt.%，平均粒径为10 μ m ;石墨，平均粒径为20 μ m ;润滑剂为硬脂酸锌。成分为Fe-XMn-0.6C (X为
1、2、2.5、3)、锰源为FeMn合金的常规含Mn机械混合粉的成分组成下表1.1。
[0029]表1.1
【权利要求】
1.一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其组分以质量百分比计为: 水雾化纯铁粉28.13-58.21% ； 含Mn水雾化预合金钢粉40-70% ；
FeMn 合金粉 0.43-3.6% ； 石墨粉0.5-2% ； 润滑剂0.5-0.8%。
2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其特征在于:所述水雾化铁粉为纯铁粉，粉末平均粒径为100-200 μ m，铁粉中氧的质量百分含量小于等于0.15%。
3.根据权利I所述的一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其特征在于:所述含Mn水雾化预合金钢粉中Mn的质量百分含量为1_3%，粉末平均粒径为100-200 μ m，含Mn低合金水雾化预合金钢粉中氧的质量百分含量小于等于0.44%。
4.根据权利I所述的一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其特征在于:所述FeMn合金粉中Mn的质量百分含量为30-70%、氧的质量百分含量小于等于1.5%、铁锰之外的其他元素总的质量百分含量小于等于3% ；FeMn合金粉的粒径范围为5_30 μ m。
5.根据权利4所述的一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其特征在于:所述FeMn合金粉中Mn的质量百分含量为45-70%。
6.根据权利要求1所述的一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其特征在于:所述石墨粉的粒径范围为10-40 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种粉末冶金用含Mn混合钢粉，其特征在于:所述润滑剂为硬脂酸锌或硬脂酸锂。
8.一种粉末冶金用含Mn混合钢粉的制备方法，是按设计的含Mn混合钢粉各组分的质量百分比分别配取水雾化铁粉28.13-58.21%，含Mn水雾化预合金钢粉40_70%，FeMn合金粉0.43-3.6%，石墨粉0.5-2%，润滑剂0.5-0.8% ;将所配取的水雾化铁粉、含Mn水雾化预合金钢粉、FeMn合金粉、石墨粉、润滑剂机械混合均匀，得到复合锰源的含Mn混合钢粉。
9.根据权利要求8所述的一种含Mn混合钢粉的制备方法，其特征在于:机械混合时，混料器的转动速度为9-20转/分钟，混料时间为15-30min。
【文档编号】B22F1/00GK103506618SQ201310481302
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】李松林, 王行, 李志友, 刘咏, 陈荟竹, 龙安平 申请人:中南大学