高密度高强度还原铁粉在高端粉末零件中的应用研究

1 还原铁粉的生产工艺与技术进展

用氧化铁皮做原料制造还原铁粉要经过多个步骤，主要涵盖第一次还原、粉碎、第二次还原退火等重要步骤。每一步工艺参数控制都会影响最终产品性能。

氧化铁皮是在轧钢以及炼钢过程中引发的副产品，主要成分涵盖FeO、 Fe₂O₃ 、 Fe₃O₄ ，其中含铁量约为 70% 。在使用之前要把原料筛分、破碎并烘干，把粒度控制在 3mm 以下，把水分含量降到 5% 以内，以确保还原反应均匀以及高效，这一步预处理对保证最终产品质量稳定非常关键。

一次还原阶段目标是把氧化铁皮中的铁氧化物变成金属铁。传统隧道窑方法用煤粉作为还原剂，在大约 1100^∘C 的温度下进行还原，得到的海绵铁中铁含量超过 95% ，碳含量低于 0.5% ，近几年，竖炉直接还原方法因为流程短、能耗少、产品质量高而被广泛采用，这种方法先把氧化铁皮压成块并加热到 350^qC-550^qC ，然后在竖炉中加热到 ，通入焦炉煤气、天然气等还原气体，使氧化铁皮发生还原反应，最终获得金属化率达到 92%-94% 的海绵铁。

表 1：不同一次还原工艺参数对比

把海绵铁块粉碎后能力做成铁粉。选择粉碎方法会影响铁粉颗粒形状、粒径分布以及松装密度，常用的粉碎设备有球磨机、颚式破碎机等，用球磨机进行湿法粉碎以及磁选，能去除非磁性杂质，提高铁粉纯度，在 800–1000Gs 磁场中进行湿法磁选，可以得到 80-200 目细度、全铁含量 ⩾94% 的还原铁粉，还原铁粉具有多孔结构，使其具备良好的成形性能以及生坯强度，这是雾化铁粉没有的特点。

二次还原退火是提高铁粉化学纯度、物理性能的重要步骤。这个过程一般在氨分解气体或纯氢气中，于 800^∘C 到 1000^∘C 的温度下进行，可以深入去除碳、氧、氮等杂质并消除颗粒内部的变形，改善其延展性，经过这样处理后的铁粉，含铁量能达到 98% 以上，用氢气进行还原对提升铁粉的最终性能特别重要，它能有效减少铁粉颗粒表面、内部的氧化物，明显降低杂质元素含量。

图 1 还原铁粉工艺

2 高密度高强度还原铁粉在高端零件中的应用

高密度高强度还原铁粉因为性能优异，已经成为生产高端粉末零件的重要材料，在多个工业领域中被广泛使用。

汽车产业是使用粉末冶金零件最多的行业。高性能的还原铁粉特别适合用来制造那些对疲劳寿命以及可靠性要求很高的安全件、结构件，汽车减振器中的活塞、导向器以及阀座等部件，需要在各种复杂路况下快速缓解冲击、吸收振动因此保证车辆行驶平稳，这些零件对材料要求涵盖高密度、高强度、高疲劳极限。

用高密度铁基零件粉末自润滑预处理方法，把 FeS₂ 当作传统有机润滑剂的替代品，再结合原位纳米弥散强化方法以及智能化制造方法，能把零件密度提高到 7.4g/cm³ 以上，抗拉强度达到 800MPa 或更高，疲劳极限不低于 200MPa 。这些性能指标达到高端汽车品牌标准要求并且已经应用在多种车型上。

新能源汽车发展得更快了，对高性能粉末冶金零件有新的要求。在功率转换器、电动机、机械传动装置中，一些特定的零件需要有特殊的磁性或力学性能，这使还原铁粉应用有更大的市场空间，用专用预合金粉以及烧结硬化粉进行开发，能符合新能源汽车在特定使用条件下的性能需求。

表 2：高端粉末零件性能要求与应用案例

在高性能结构件以及其他相关领域，高密度高强度的还原铁粉表现出明显的好处。用“洁净钢冶炼 + 还原 + 退火”方法制造的高压缩性纯铁粉，其压缩密度达到 7.20g/cm³ 以上，使用先进模具、压机，在 700–800MPa 的负担下可以压制出密度超过 7.35g/cm³ 的压坯，改进粉末性能、金相组织，采用低合金化技术，可以在不减少零件力学性能情况下降低生产成本，提升产品竞争力。

3 生产工艺的优化与发展趋势

为了满足高端市场对粉末冶金零件连续增长需求，还原铁粉生产方法正在持续改进、更新。未来的发展重点主要表现在以下好几个方面。

完善质量控制体系是提高产品一致性的关键。用智能化制造系统实现全流程的在线监测以及自动补偿，能有效保证产品尺寸精度以及性能稳定，在化学性能控制上，要把碳、氮、磷、硅、锰等杂质元素含量控制好，这些元素对铁粉的压缩性等重要性能有明显影响，把纯净化冶炼、高效雾化以及精还原等技术结合起来使用，能把铁粉的压缩性从 6.90-7.06g/cm³ 提升到 7.20g/cm³ 以上因此显著增强产品市场竞争力。

节能、减少消耗是行业一直关注的重点。传统处理氧化铁皮方法流程长、耗能高，竖炉直接还原等新方法使用，把流程变短了同时也降低能耗以及成本，用氧化铁皮等冶金固体废物来生产还原铁粉，本身就符合节能环保以及循环经济要求，带来明显的经济、社会效益。

未来的技术创新主要集中在高性能、精密、智能以及环保四个方面。继续研究密度更高、强度更强、寿命更长以及有特殊性能铁粉产品，用纳米分散强化、低合金等方法提升性能，把智能制造技术应用到粉末冶金中，实现更准确的过程控制、更高的生产效率，主动满足新能源汽车、高速列车、航空航天等行业对新材料需求，开发专用粉末、成型方法，进一步改进生产工艺，减少能源消耗，充分利用各种冶金废料，推动环保型粉末冶金技术发展。

用连续的技术改进、工艺提升，高密度高强度还原铁粉将在更多领域代替传统材料以及进口产品，为我国高端装备制造业的自主发展提供坚实的材料支持，推动整个行业向高质量、可持续方向前进。

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