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原材料相关

粉末冶金的热处理

发布时间:2018-11-08   来源:机械加工匠  

  粉末冶金材料在现代工业中的应用越来越广,在取代锻钢件的高密度和高精度的复杂零件的应用中,随着粉末冶金技术的不断进步也取得了快速发展。但是由于后续处理工艺的差异,其物理性能和力学性能还存在着一些缺陷,本文就针对粉末冶金材料的热处理工艺进行简要阐述分析,并分析其影响因素,提出改善工艺的策略。

        一. 前言

  粉末冶金材料在现代工业中的应用越来越广泛,特别是汽车工业、生活用品、机械设备等的应用中,粉末冶金材料已经占有很大的比重。它们在取代低密度、低硬度和强度的铸铁材料方面已经具有明显优势,在高硬度、高精度和强度的精密复杂零件的应用中也在逐渐推广,这要归功于粉末冶金技术的快速发展。全致密钢的热处理工艺已经取得了成功,但是粉末冶金材料的热处理,由于粉末冶金材料的物理性能差异和热处理工艺的差异,还存在着一些缺陷。各铸造冶炼企业在粉末冶金材料的技术研究中,热锻、粉末注射成型、热等静压、液相烧结、组合烧结等热处理和后续处理工艺,在粉末冶金材料的物理性能与力学性能缺陷的改善中,取得了一定效果,提高了粉末冶金材料的强度和耐磨性,将大大扩展粉末冶金的应用范围。

  二. 粉末冶金材料的热处理工艺

  粉末冶金材料的热处理要根据其化学成分和晶粒度确定,其中的孔隙存在是一个重要因素,粉末冶金材料在压制和烧结过程中,形成的孔隙贯穿整个零件中,孔隙的存在影响热处理的方式和效果。

  粉末冶金材料的热处理有淬火、化学热处理、蒸汽处理和特殊热处理几种形式:

  1.淬火热处理工艺

  粉末冶金材料由于孔隙的存在,在传热速度方面要低于致密材料,因此在淬火时,淬透性相对较差。另外淬火时,粉末材料的烧结密度和材料的导热性是成正比关系的;粉末冶金材料因为烧结工艺与致密材料的差异,内部组织均匀性要优于致密材料,但存在较小的微观区域的不均匀性,所以,完全奥氏体化时间比相应锻件长50%,在添加合金元素时,完全奥氏体化温度会更高、时间会更长。

  在粉末冶金材料的热处理中,为了提高淬透性,通常加入一些合金元素如:镍、钼、锰、铬、钒等,它们的作用跟在致密材料中的作用机理相同,可明显细化晶粒,当其溶于奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性,保证淬火时的奥氏体转变,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进行回火处理,回火处理的温度控制对粉末冶金材料的的性能影响较大,因此要根据不同材料的特性确定回火温度,降低回火脆性的影响,一般的材料可在175-250℃下空气或油中回火0.5-1.0h。

  2.化学热处理工艺

  化学热处理一般都包括分解、吸收、扩散三个基本过程,比如,渗碳热处理的反应如下:

  2CO≒[C]+CO2 (放热反应)

  CH4≒[C]+2H2 (吸热反应)

  碳分解出后被金属表面吸收并逐渐向内部扩散,在材料的表面获得足够的碳浓度后再进行淬火和回火处理,会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,使得活性炭原子从表面渗入内部,完成化学热处理的过程。但是,材料密度越高,孔隙效应就越弱,化学热处理的效果就越不明显,因此,要采用碳势较高的还原性气氛保护。根据粉末冶金材料的孔隙特点,其加热和冷却速度要低于致密材料,所以加热时要延长保温时间,提高加热温度。

  粉末冶金材料的化学热处理包括渗碳、渗氮、渗硫和多元共渗等几种形式,在化学热处理中,淬硬深度主要与材料的密度有关。因此,可以在热处理工艺上采取相应措施,比如:渗碳时,在材料密度大于7g/cm3时适当延长时间。通过化学热处理可提高材料的耐磨性,粉末冶金材料的不均匀奥氏体渗碳工艺,使处理后的材料渗层表面的含碳量可达2%以上,碳化物均匀分布于渗层表面,能够很好地提高硬度和耐磨性能。

  3.蒸汽处理

  蒸汽处理是把材料通过加热蒸汽使其表面氧化,在材料表层形成氧化膜,从而改善粉末冶金材料的性能。特别是对于粉末冶金材料的表面的防腐,其有效期比发蓝处理效果明显,处理后的材料硬度和耐磨性明显增加。

  4.特殊热处理工艺

  特殊热处理工艺是近些年来科技发展的产物,包括感应加热淬火、激光表面硬化等。感应加热淬火是在高频电磁感应涡流的影响下,加热温度提升快,对于表面硬度的增加有显著效果,但是容易出现软点,一般可以采取间断加热法延长奥氏体化时间;激光表面硬化工艺是以激光为热源使金属表面快速升温和冷却,使奥氏体晶粒内部的亚结构来不及回复再结晶而获得超细结构。

  三. 粉末冶金材料热处理的影响因素分析

  粉末冶金材料在烧结过程中生成的孔隙是其固有特点,也给热处理带来了很大影响,特别是孔隙率的变化与热处理的关系,为了改善致密性和晶粒度,加入的合金元素也对热处理有一定影响:

  1.孔隙对热处理过程的影响

  粉末冶金材料在热处理时,通过快速冷却抑制奥氏体扩散转变成其他组织,从而获得马氏体,而孔隙的存在对材料的散热性影响较大。通过导热率公式:

  导热率=金属理论导热率×(1-2×孔隙率)/100

  可以看出,淬透性随着孔隙率的增加而下降。另一方面,孔隙还影响材料的密度,对材料热处理后表面硬度和淬硬深度的效果又因密度影响而有关联,降低了材料表面硬度。而且,因为孔隙的存在,淬火时不能用盐水作为介质,以免因盐分残留造成腐蚀,所以,一般热处理是在真空或气体介质中进行的。

  2.孔隙率对热处理时表面淬硬深度的影响

  粉末冶金材料的热处理效果与材料的密度、渗(淬)透性、导热性和电阻性有关,孔隙率是造成这些因素的最大原因,孔隙率超过8%时,气体就会通过空隙迅速渗透,在进行渗碳硬化时,增加渗碳深度,表面硬化的效果就会降低。而且,如果渗碳气体渗入速度过快,在淬火中会产生软点,降低表面硬度,使材料脆变和变形。

  3.合金含量和类型对粉末冶金热处理的影响

  合金元素中常见的是铜和镍,它们的含量与类型都会对热处理效果产生影响。热处理硬化深度随铜含量、碳含量的增加而逐渐增高达到一定含量时又逐渐降低;镍合金的刚度要大于铜合金,但是镍含量的不均匀性会导致奥氏体组织不均匀。

  4.高温烧结的影响

  高温烧结虽然可以获得最佳的合金化效果和促进致密化,但是,烧结温度的不同,特别是温度较低时,会导致热处理的敏感性下降(固溶体中的合金减少)和机械性能下降。因此,采用高温烧结,辅助以充分的还原气氛,可以获得较好的热处理效果。

  四、结语

  粉末冶金材料的热处理工艺是一个复杂的过程,它与孔隙率、合金类型、合金元素含量、烧结温度有关系,同致密材料相比,内部的均匀性较差,要想获得较高的淬透性,要提高完全奥氏体化温度并延长时间,不均匀奥氏体渗碳可得到不受奥氏体饱和碳浓度限制的高碳浓度。另外,加入合金元素也可提高淬透性。蒸汽处理可显著提高其防腐性能和表面硬度。

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