我国钢铁粉末的发展和展望

王善春

　　本世纪末最后的10年，正是我国处在改革、开放继续深入发展的时期。在此大好形势下，粉末冶金机械零件工业和全国各行各业获得高速发展，从而带动钢铁粉末工业生产和市场销售的扩大。现在，我国钢铁粉末工业不仅有了一定的规模，而且生产面貌已焕然一新。在新的形势下，深入了解和进一步认识我国钢铁粉末工业的现状及问题，才能使行业在激烈的国内外市场竞争中继续前进和发展。现就我国钢铁粉末工业的现状及存在问题进行初步探讨。

1　最近10年钢铁粉末的发展

1.1　产量增加幅度大

　　我国钢铁粉末目前仍以还原铁粉为主要产品，其次是水雾化纯铁粉。近10年来，全国铁粉产量逐年大幅度增加(图1)。1989年全国铁粉产量为27600t，1998年达到63500t，10年间铁粉产量提高2.3倍。1989～1998年间，铁粉的年均增长率为10.5%，最高的年增长率达到26.5%(1993年)。从1987年起，我国开始进行水雾化纯铁粉和预合金钢粉的工业生产，1989年的年产量仅500t。从1997年起水雾化纯铁粉的产量大幅度增加，至1998年已达到17000t。水雾化纯铁粉占全国铁粉总产量的比率，已由1989年的1.8%上升到26.8%。

图1　我国铁粉10年来的产量

1.2　产品品种改善和质量提高

　　在铁粉品种结构调整、产量增加的同时，产品牌号增多，质量水平提高。鉴于这种情况，在1993年末对1984年发布的粉末冶金用还原铁粉国家标准进行了修改，并审定通过了新的国家标准(GB4136-94)。新国标粉末冶金用还原铁粉的技术性能见表1和表2。与原国标相比，铁粉牌号由3个增加到5个，铁粉应用范围扩大，技术性能改善。通过贯彻国家标准，国内铁粉生产水平得到明显提高。主要铁粉生产企业不但能够按国标要求生产合格铁粉，而且还进一步根据市场需要生产其它牌号的适销铁粉。武钢集团粉末冶金有限责任公司生产的还原铁粉共有20多个牌号。其中很多高技术含量、高技术性能的铁粉都是按照市场需要由企业独立开发出来的。如Fe-Mo共还原合金粉、含3%～30%Cu的铁铜粉、Ni-Mo-Cu部分合金化铁粉、含MnS的易切削钢粉、低松装密度铁粉和牌号为WHF80^。230S、WHF100^。240S、WHF100^。270S、WHF100^。290S等高性能还原铁粉等^［1、2］。
　　水雾化铁粉的生产也出现了大发展局面。国内用现代化设备和先进技术生产水雾化钢铁粉末的主要企业已有3家。鞍钢集团公司机械制造公司冶金粉材厂是我国第一家生产水雾化钢铁粉末的企业。在历经10多年的生产实践后，现已能够生产出稳定的水雾化纯铁粉。近一二年来，根据市场变化，又大力开发出无偏析混合物、混合型和预合金型含MnS的易切削粉、烧结贝氏体合金粉和阀座用合金粉等多牌号粉末(表3，表4)，并已开始投放市场使用。赫格纳斯(中国)有限公司是瑞典赫格纳斯公司利用其自身优势在我国建立的企业。它生产的AHC100^。29牌号水雾化纯铁粉(表5)已占据中国很大一部分铁粉市场，但其优质的ASC100^。29牌号铁粉在中国尚不能生产。本年度内该公司还将建成混粉站，增加生产STA-R-MIX待压混合粉，供我国主要粉末冶金制品厂使用。第水雾化铁粉的生产也出现了大发展局面。国内用现代化设备和先进技术生产水雾化钢铁粉末的主要企业已有3家。鞍钢集团公司机械制造公司冶金粉材厂是我国第一家生产水雾化钢铁粉末的企业。在历经10多年的生产实践后，现已能够生产出稳定的水雾化纯铁粉。近一二年来，根据市场变化，又大力开发出无偏析混合物、混合型和预合金型含MnS的易切削粉、烧结贝氏体合金粉和阀座用合金粉等多牌号粉末(表3，表4)，并已开始投放市场使用。赫格纳斯(中国)有限公司是瑞典赫格纳斯公司利用其自身优势在我国建立的企业。它生产的AHC100^。29牌号水雾化纯铁粉(表5)已占据中国很大一部分铁粉市场，但其优质的ASC100^。29牌号铁粉在中国尚不能生产。本年度内该公司还将建成混粉站，增加生产STA-R-MIX待压混合粉，供我国主要粉末冶金制品厂使用。第三家水雾化钢铁粉末的生产企业是山东莱芜粉末冶金厂。该厂已经建成年产量为5000t的生产线，年内将向市场提供水雾化合金钢粉(Fe-Ni-Mo及Fe-Ni-Co-Mo-Cu-Mn-Cr)、水雾化扩散型合金钢粉(Fe-Ni-Mo-Cu)和水雾化纯铁粉等3类4个牌号的用于轿车和各种粉末冶金机械零件的新牌号粉末(表6，表7)。此外，国内还有几条小型水雾化钢铁粉末生产线以每条生产线年产量约1000～2000t的规模进行生产，主要为国内市场提供水雾化纯铁粉。水雾化铁粉之所以迅速发展，与该粉末性能优异和粉末冶金机械零件市场迅速发展是分不开的。

表1　国家标准规定的粉末冶金用还原铁粉(一)

表1　国家标准规定的粉末冶金用还原铁粉(一)

表4　鞍钢集团公司机械制造公司冶金粉材厂新牌号水雾化铁粉(二)

表5　赫格纳斯(中国)有限公司的水雾化铁粉

表6　山东莱芜粉末冶金厂的水雾化铁粉化学成分/%(一)

表7　山东莱芜粉末冶金厂的水雾化铁粉(二)

　　*在600MPa压力下

2　高纯磁铁矿精矿粉的研制与开发

　　我国粉末冶金行业从80年代中期开始积极策划开展使用国内高纯磁铁矿精矿粉生产还原铁粉的试验研究和做建厂的准备^［3］，已做了大量工作并取得良好效果。业已查明，山西左权、安徽霍丘、辽宁本溪南芬、辽西、辽中以及冀东等地均有若干矿区产有大量优质磁铁矿精矿粉。每个选矿厂约拥有年产5～10万t的生产能力。这些优质磁铁矿精矿粉所在矿区在试验阶段制成的高纯磁铁矿精矿粉，经化学分析，结果示于表8。
　　最近几年，一些单位利用已发展的精选技术对高纯铁精矿粉的选矿继续深入进行工业试验研究。天津地质研究所于1997年通过工业试验，成功地精选出具有中高档等级的超纯铁精矿粉^［4］，其总铁含量超过71%，二氧化硅含量低于0.4%。辽宁北票铁矿有限公司1996年引进国外选矿先进技术，已建成年产2万t的高纯超级铁精矿粉生产线，可提供TFe≥71.5%，SiO₂≤0.3%的高纯铁精矿粉用作还原铁粉原料^［5］。山西左权冶金矿山公司与该省的科研所合作，于1998年批量生产出超纯铁精矿粉。本溪磁铁矿可以不经过浮选而可使产品达到高品位并被瑞典赫格纳斯公司分析认可。浮选工艺成本高，粉末过细，用作生产铁粉原料不可取。

表8　国内高纯磁铁矿精矿粉化学分析结果^?／％

　　　?矿相分析：(1)表内TFe数据不可相互对比；(2)编号5、7矿粉末经浮选；(3)编号6矿粉经磁团聚和磁选。
　　瑞典赫格纳斯公司生产还原铁粉时选择高品位而又不用浮选的铁精矿粉的经验可作借鉴。该公司用于生产海绵铁的高品位磁铁矿粉(未经浮选)的化学成分示于表9^［6］。

表9　瑞典海绵铁或铁粉用高品位铁精矿粉的化学成分/%

　　早期赫格纳斯铁粉所使用的原料，就是高品位铁精矿粉。由于这种矿粉中的非金属夹杂含量较高，使得还原铁粉的纯度受到限制。因此，自1976年以来，该公司采用精选和分离方法，使铁精矿的SiO₂含量从0.45%降至0.15%(图2)。经过进一步的调整，使还原铁粉的SiO₂含量达到0.12%。简言之，瑞典赫格纳斯还原铁粉所使用的高纯磁铁矿精矿粉，其主要化学性能已达到：Fe≥71.5%，SiO₂≤0.15%，P＜0.012%，S＜0.012%。赫格纳斯还原铁粉之所以品质优良，与其稳定的原料和精湛的技术紧密相连。因此，我国还原铁粉的生产只有坚持走“使用精品原料”的道路，采取在使用优质沸腾钢氧化铁鳞的同时，积极推动使用高纯磁铁矿精矿粉的工业试验，并尽早实现高纯磁铁矿精矿粉的应用。只有采用上述两条腿走路的办法，才能实现铁粉工业生产向使用精料生产的方向转变。

图2　瑞典铁精矿中的SiO₂含量变化

3　关于发展钢铁粉末生产的几项建议

　　鉴于以上分析，为了适应我国市场经济发展的需要，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，使我国钢铁粉末工业获得更大的发展，特提出下述建议。
　　(1)针对国内市场需要的粉末品种，做好产品开发工作。
　　①生产微型含油轴承用铁粉
　　铁基含油轴承应用铁粉量大面广，仅扬州保来得工业有限公司生产的微型含油轴承，年生产能力就达8亿件。此外，该公司还生产粉末冶金结构零件。该公司铁粉年用量约达1000t。自投产以来，该公司一直使用国外铁粉。因此，用于生产微型含油轴承的铁粉的开发，应当引起足够的重视。
　　②待压混合粉
　　待压混合粉是利用特定的混合技术按照用户设计的材料成分进行混合的粉末。这是一类向用户工厂交货即可使用的粉末。
　　这种粉末具有下述特点：铁粉与混入的石墨、润滑剂、金属或合金等组分能够无偏析或偏析极小地组合；配料时无碳损失；在压制成形时，粉的松装密度、压缩性、生坯强度等性能与通过传统方法制成的混合粉的性能相同，但流动性能较之有所改善。这种粉所制成的烧结零件具有稳定的力学性能，且尺寸精度显著提高。
　　③生产高密度、高强度粉末冶金机械零件用部分扩散和预合金化低合金钢粉
　　我国粉末冶金机械零件工业生产排行在前的几家企业，每年有数目不小的低合金钢粉用于生产高密度、高强度和形状复杂的家电、汽车零件。如果国内能够大力开发这些企业需要的低合金钢粉末，必将促进我国钢铁粉末生产的进一步发展。
　　④含MnS的易切削钢粉
　　预合金化的易切削钢粉，多年来我国一直从国外进口，而且需用量很大。开发和推广应用易切削钢粉，是我国粉末冶金工业、特别是水雾化铁粉生产企业责无旁贷的任务。
　　(2)通过加强精品原料生产，加强还原炉和氨分解炉的技术改进和更新，加强铁粉化学检验，加强生产条件的改善和加强优质技术服务，进一步改善和提高粉末质量水平，促使我国主要生产企业的钢铁粉末生产工艺技术、产品质量全面达到先进水平。
　　还原铁粉的二次还原及水雾化铁粉的还原是保证铁粉质量的关键工艺。这个工艺的目标是降低铁粉C、O、S和N的含量，消除粉末硬化，以便最终产出的铁粉具有高化学纯净度、高工艺性能特性。这个工艺过程是通过还原炉与还原性保护气体发生装置(国内一般为氨分解炉)完成的。对于用于还原铁粉的推杆式还原炉，其结构和技术性能应达到以下5点要求：
　　①最高炉温应可达到950℃，还原区域的炉长应可保证炉内铁粉的还原时间达到60min以上，冷却区域长度应保证出炉时铁粉温度≤60℃；
　　②炉子后部设有正常还原性保护气体的通入口，这种还原性保护气体进入炉子的还原区域后，主要对炉内铁粉进行脱氧和脱硫。但在炉子的还原区域末端至冷却区域末端的降温过程中，应注意使这个区域的铁粉不再产生氧化。炉子前部设有可加湿的装置及加湿区域可调整的还原性保护气体的通入口。这里通入的还原性保护气体进入炉子后，主要对炉内铁粉进行脱碳。同时，炉子前部还应设有排水装置，用以随时排出炉内铁粉脱碳后产生的水份；
　　③铁粉在炉子从头至尾的炉内空间中只能与还原性保护气体接触，要保证装有铁粉和还原性保护气体的套体的完全密封，并使套体内的气压始终处于微正压状态；
　　④应安装可靠的防爆装置；
　　⑤应配有先进、可靠的温度控制装置和铁粉舟皿运行及炉门开关的控制系统装置。
　　国内现行的还原炉可参照上述各项要求进行技术改进。
　　(3)密切关注新技术发展趋势和世界粉末冶金最新发展，建立长远的可持续发展新战略。
　　我国粉末冶金机械零件工业经过这些年来的发展，已经发生了巨大变化。为了进一步开拓更高技术难度的粉末冶金零件，还需要全行业作更大的努力。例如汽车发动机阀座粉末冶金零件的开发便具有一定的难度。然而，全国汽车发动机粉末冶金气门阀座年需用量很大，仅上海市便达到1000万件^［7］。由于含铅汽油的禁用，这种阀座的生产和使用已迫在眉睫。由于这个零件的生产技术难度较大，所需用的合金粉末也较为复杂。因此，粉末冶金气门阀座需用的合金粉末的研究开发应受到关注。类似的新产品开发的例子很多，我们应当密切注视。
　　90年代以来，世界粉末冶金技术有许多重大发展。温压和烧结硬化等技术引人注目。
　　温压技术是一项生产密度高于7.2g/cm³的粉末冶金机械零件的新方法^［8］。这个方法的基本工艺是在零件的成形过程中使用加热的模具，并将加热的粉末经一次压制，压坯密度即可达到7.2～7.5g/cm³。采用温压技术生产零件时，需要使所用的粉末具有与室温下传统压制时相同的技术性能。也就是说，要求具有相同的松装密度和流动性，同时温压时成形压坯的尺寸精度仍然很高。温压烧结零件在压坯密度提高后，力学性能随之提高。同时，零件的尺寸精度仍保持正常要求。
　　温压工艺所采用的粉末，瑞典赫格纳斯公司能够提供，并命名为“Densmix”。德国Fraunhofer应用材料研究所、加拿大魁北克公司也在开发温压工艺用的新型钢粉。武钢集团粉末冶金有限责任公司与北京科技大学已对温压技术进行了研究。温压用粉的关键是含有能在成形温度下保持最佳操作性能的润滑剂。我们应十分重视研究开发温压用粉末。
　　烧结硬化是指将铁基粉末冶金机械零件在烧结过程中的烧结及随后冷却期间的淬火硬化结合起来的新工艺^［9］。由于烧结硬化可以减少需要进行后续热处理的高强度粉末冶金结构零件生产过程中的加工工序，使生产更为简单方便，因此这项技术具有深远意义。
　　世界粉末冶金技术的新发展，使我们深受启发。毫无疑问，我国钢铁粉末工业在不断解决面临的各种问题的同时，将会认真总结和学习国内外先进经验，制定长远的发展目标，以保证我国钢铁粉末工业的持续发展。
　　致谢　本文蒙李献璐教授提出宝贵意见，特此致谢。