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粉末冶金的熱處理工藝
發(fā)布日期：[2021/6/1]
粉末冶金材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，在取代鍛鋼件的高密度和高精度的復(fù)雜零件的應(yīng)用中，隨著粉末冶金技術(shù)的不斷進(jìn)步也取得了快速發(fā)展。但是由于后續(xù)處理工藝的差異，其物理性能和力學(xué)性能還存在著一些缺陷，本文就針對(duì)粉末冶金材料的熱處理工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述分析，并分析其影響因素，提出改善工藝的策略。
一. 前言
粉末冶金材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是汽車工業(yè)、生活用品、機(jī)械設(shè)備等的應(yīng)用中，粉末冶金材料已經(jīng)占有很大的比重。它們?cè)谌〈兔芏?、低硬度和?qiáng)度的鑄鐵材料方面已經(jīng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，在高硬度、高精度和強(qiáng)度的精密復(fù)雜零件的應(yīng)用中也在逐漸推廣，這要?dú)w功于粉末冶金技術(shù)的快速發(fā)展。全致密鋼的熱處理工藝已經(jīng)取得了成功，但是粉末冶金材料的熱處理，由于粉末冶金材料的物理性能差異和熱處理工藝的差異，還存在著一些缺陷。各鑄造冶煉企業(yè)在粉末冶金材料的技術(shù)研究中，熱鍛、粉末注射成型、熱等靜壓、液相燒結(jié)、組合燒結(jié)等熱處理和后續(xù)處理工藝，在粉末冶金材料的物理性能與力學(xué)性能缺陷的改善中，取得了一定效果，提高了粉末冶金材料的強(qiáng)度和耐磨性，將大大擴(kuò)展粉末冶金的應(yīng)用范圍。
二. 粉末冶金材料的熱處理工藝
粉末冶金材料的熱處理要根據(jù)其化學(xué)成分和晶粒度確定，其中的孔隙存在是一個(gè)重要因素，粉末冶金材料在壓制和燒結(jié)過程中，形成的孔隙貫穿整個(gè)零件中，孔隙的存在影響熱處理的方式和效果。
粉末冶金材料的熱處理有淬火、化學(xué)熱處理、蒸汽處理和特殊熱處理幾種形式：
1、淬火熱處理工藝
粉末冶金材料由于孔隙的存在，在傳熱速度方面要低于致密材料，因此在淬火時(shí)，淬透性相對(duì)較差。另外淬火時(shí)，粉末材料的燒結(jié)密度和材料的導(dǎo)熱性是成正比關(guān)系的;粉末冶金材料因?yàn)闊Y(jié)工藝與致密材料的差異，內(nèi)部組織均勻性要優(yōu)于致密材料，但存在較小的微觀區(qū)域的不均勻性，所以，完全奧氏體化時(shí)間比相應(yīng)鍛件長(zhǎng)50%，在添加合金元素時(shí)，完全奧氏體化溫度會(huì)更高、時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。
在粉末冶金材料的熱處理中，為了提高淬透性，通常加入一些合金元素如：鎳、鉬、錳、鉻、釩等，它們的作用跟在致密材料中的作用機(jī)理相同，可明顯細(xì)化晶粒，當(dāng)其溶于奧氏體后會(huì)增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，保證淬火時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變，使淬火后材料的表面硬度增加，淬硬深度也增加。另外，粉末冶金材料淬火后都要進(jìn)行回火處理，回火處理的溫度控制對(duì)粉末冶金材料的的性能影響較大，因此要根據(jù)不同材料的特性確定回火溫度，降低回火脆性的影響，一般的材料可在175-250℃下空氣或油中回火0.5-1.0h。
2.化學(xué)熱處理工藝
化學(xué)熱處理一般都包括分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程，比如，滲碳熱處理的反應(yīng)如下：
2CO≒[C]+CO2 (放熱反應(yīng))
CH4≒[C]+2H2 (吸熱反應(yīng))
碳分解出后被金屬表面吸收并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，在材料的表面獲得足夠的碳濃度后再進(jìn)行淬火和回火處理，會(huì)提高粉末冶金材料的表面硬度和淬硬深度。由于粉末冶金材料的孔隙存在，使得活性炭原子從表面滲入內(nèi)部，完成化學(xué)熱處理的過程。但是，材料密度越高，孔隙效應(yīng)就越弱，化學(xué)熱處理的效果就越不明顯，因此，要采用碳勢(shì)較高的還原性氣氛保護(hù)。根據(jù)粉末冶金材料的孔隙特點(diǎn)，其加熱和冷卻速度要低于致密材料，所以加熱時(shí)要延長(zhǎng)保溫時(shí)間，提高加熱溫度。
粉末冶金材料的化學(xué)熱處理包括滲碳、滲氮、滲硫和多元共滲等幾種形式，在化學(xué)熱處理中，淬硬深度主要與材料的密度有關(guān)。因此，可以在熱處理工藝上采取相應(yīng)措施，比如：滲碳時(shí)，在材料密度大于7g/cm3時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間。通過化學(xué)熱處理可提高材料的耐磨性，粉末冶金材料的不均勻奧氏體滲碳工藝，使處理后的材料滲層表面的含碳量可達(dá)2%以上，碳化物均勻分布于滲層表面，能夠很好地提高硬度和耐磨性能。
3.蒸汽處理
蒸汽處理是把材料通過加熱蒸汽使其表面氧化，在材料表層形成氧化膜，從而改善粉末冶金材料的性能。特別是對(duì)于粉末冶金材料的表面的防腐，其有效期比發(fā)藍(lán)處理效果明顯，處理后的材料硬度和耐磨性明顯增加。
4.特殊熱處理工藝
特殊熱處理工藝是近些年來科技發(fā)展的產(chǎn)物，包括感應(yīng)加熱淬火、激光表面硬化等。感應(yīng)加熱淬火是在高頻電磁感應(yīng)渦流的影響下，加熱溫度提升快，對(duì)于表面硬度的增加有顯著效果，但是容易出現(xiàn)軟點(diǎn)，一般可以采取間斷加熱法延長(zhǎng)奧氏體化時(shí)間;激光表面硬化工藝是以激光為熱源使金屬表面快速升溫和冷卻，使奧氏體晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)來不及回復(fù)再結(jié)晶而獲得超細(xì)結(jié)構(gòu)。
三. 粉末冶金材料熱處理的影響因素分析
粉末冶金材料在燒結(jié)過程中生成的孔隙是其固有特點(diǎn)，也給熱處理帶來了很大影響，特別是孔隙率的變化與熱處理的關(guān)系，為了改善致密性和晶粒度，加入的合金元素也對(duì)熱處理有一定影響：
1.孔隙對(duì)熱處理過程的影響
粉末冶金材料在熱處理時(shí)，通過快速冷卻抑制奧氏體擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成其他組織，從而獲得馬氏體，而孔隙的存在對(duì)材料的散熱性影響較大。通過導(dǎo)熱率公式：
導(dǎo)熱率=金屬理論導(dǎo)熱率×(1-2×孔隙率)/100
可以看出，淬透性隨著孔隙率的增加而下降。另一方面，孔隙還影響材料的密度，對(duì)材料熱處理后表面硬度和淬硬深度的效果又因密度影響而有關(guān)聯(lián)，降低了材料表面硬度。而且，因?yàn)榭紫兜拇嬖?，淬火時(shí)不能用鹽水作為介質(zhì)，以免因鹽分殘留造成腐蝕，所以，一般熱處理是在真空或氣體介質(zhì)中進(jìn)行的。
2.孔隙率對(duì)熱處理時(shí)表面淬硬深度的影響
粉末冶金材料的熱處理效果與材料的密度、滲(淬)透性、導(dǎo)熱性和電阻性有關(guān)，孔隙率是造成這些因素的最大原因，孔隙率超過8%時(shí)，氣體就會(huì)通過空隙迅速滲透，在進(jìn)行滲碳硬化時(shí)，增加滲碳深度，表面硬化的效果就會(huì)降低。而且，如果滲碳?xì)怏w滲入速度過快，在淬火中會(huì)產(chǎn)生軟點(diǎn)，降低表面硬度，使材料脆變和變形。
3.合金含量和類型對(duì)粉末冶金熱處理的影響
合金元素中常見的是銅和鎳，它們的含量與類型都會(huì)對(duì)熱處理效果產(chǎn)生影響。熱處理硬化深度隨銅含量、碳含量的增加而逐漸增高達(dá)到一定含量時(shí)又逐漸降低;鎳合金的剛度要大于銅合金，但是鎳含量的不均勻性會(huì)導(dǎo)致奧氏體組織不均勻。
4.高溫?zé)Y(jié)的影響
高溫?zé)Y(jié)雖然可以獲得最佳的合金化效果和促進(jìn)致密化，但是，燒結(jié)溫度的不同，特別是溫度較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱處理的敏感性下降(固溶體中的合金減少)和機(jī)械性能下降。因此，采用高溫?zé)Y(jié)，輔助以充分的還原氣氛，可以獲得較好的熱處理效果。
四、結(jié)語
粉末冶金材料的熱處理工藝是一個(gè)復(fù)雜的過程，它與孔隙率、合金類型、合金元素含量、燒結(jié)溫度有關(guān)系，同致密材料相比，內(nèi)部的均勻性較差，要想獲得較高的淬透性，要提高完全奧氏體化溫度并延長(zhǎng)時(shí)間，不均勻奧氏體滲碳可得到不受奧氏體飽和碳濃度限制的高碳濃度。另外，加入合金元素也可提高淬透性。蒸汽處理可顯著提高其防腐性能和表面硬度。
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