一文讀懂粉末冶金的熱處理工藝

來源:新鄉市天馬工業爐有限公司 發布時間:2019-09-16 14:28 浏覽次數:次

粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣,在取代鍛鋼件的高密度和高精度的複雜零件的應用中,随着粉末冶金技術的不斷進步也取得了快速發展。但是由于後續處理工藝的差異,其物理性能和力學性能還存在着一些缺陷,本文***針對粉末冶金材料的熱處理工藝進行簡要闡述分析,并分析其影響因素,提出改善工藝的策略。

 

一. 前言

 

粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣泛,特别是汽車工業、生活用品、機械設備等的應用中,粉末冶金材料已經占有很大的比重。它們在取代低密度、低硬度和強度的鑄鐵材料方面已經具有明顯優勢,在高硬度、高精度和強度的精密複雜零件的應用中也在逐漸推廣,這要歸功于粉末冶金技術的快速發展。全緻密鋼的熱處理工藝已經取得了成功,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,還存在着一些缺陷。各鑄造冶煉企業在粉末冶金材料的技術研究中,熱鍛、粉末注射成型、熱等靜壓、液相燒結、組合燒結等熱處理和後續處理工藝,在粉末冶金材料的物理性能與力學性能缺陷的改善中,取得了***效果,提高了粉末冶金材料的強度和耐磨性,将大大擴展粉末冶金的應用範圍。

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其化學成分和晶粒度确定,其中的孔隙存在是一個重要因素,粉末冶金材料在壓制和燒結過程中,形成的孔隙貫穿整個零件中,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緻密材料,因此在淬火時,淬透性相對較差。另外淬火時,粉末材料的燒結密度和材料的導熱性是成正比關系的;粉末冶金材料因為燒結工藝與緻密材料的差異,内部組織均勻性要優于緻密材料,但存在較小的微觀區域的不均勻性,所以,完全奧氏體化時間比相應鍛件長50%,在添加合金元素時,完全奧氏體化溫度會更高、時間會更長。

 

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、钼、錳、鉻、釩等,它們的作用跟在緻密材料中的作用機理相同,可明顯細化晶粒,當其溶于奧氏體後會增加過冷奧氏體的穩定性,保證淬火時的奧氏體轉變,使淬火後材料的表面硬度增加,淬硬深度也增加。另外,粉末冶金材料淬火後都要進行回火處理,回火處理的溫度控制對粉末冶金材料的的性能影響較大,因此要根據不同材料的特性确定回火溫度,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.化學處理工藝

 

化學熱處理一般都包括分解、吸收、擴散三個基本過程,比如,滲碳熱處理的反應如下:

2CO≒[C]+CO2 (放熱反應)

CH4≒[C]+2H2 (吸熱反應)

 

碳分解出後被金屬表面吸收并逐漸向内部擴散,在材料的表面獲得足夠的碳濃度後再進行淬火和回火處理,會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内部,完成化學熱處理的過程。但是,材料密度越高,孔隙效應***越弱,化學熱處理的效果***越不明顯,因此,要采用碳勢較高的還原性氣氛保護。根據粉末冶金材料的孔隙特點,其加熱和冷卻速度要低于緻密材料,所以加熱時要延長保溫時間,提高加熱溫度。

 

粉末冶金材料的化學熱處理包括滲碳、滲氮、滲硫和多元共滲等幾種形式,在化學熱處理中,淬硬深度主要與材料的密度有關。因此,可以在熱處理工藝上采取相應措施,比如:滲碳時,在材料密度大于7g/cm3時适當延長時間。通過化學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,使處理後的材料滲層表面的含碳量可達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。

 

  

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。特别是對于粉末冶金材料的表面的防腐,其***期比發藍處理效果明顯,處理後的材料硬度和耐磨性明顯增加。

 

   4.

特殊熱處理工藝是近些年來科技發展的産物,包括感應加熱淬火、激光表面硬化等。感應加熱淬火是在高頻電磁感應渦流的影響下,加熱溫度提升快,對于表面硬度的增加有顯著效果,但是容易出現軟點,一般可以采取間斷加熱法延長奧氏體化時間;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,使奧氏體晶粒内部的亞結構來不及回複再結晶而獲得超細結構。

 

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過程中生成的孔隙是其固有特點,也給熱處理帶來了很大影響,特别是孔隙率的變化與熱處理的關系,為了改善緻密性和晶粒度,加入的合金元素也對熱處理有***影響:

 

 

1.孔隙對熱處理過程的影響

 

粉末冶金材料在熱處理時,通過快速冷卻抑制奧氏體擴散轉變成其他組織,從而獲得馬氏體,而孔隙的存在對材料的散熱性影響較大。通過導熱率公式:

導熱率=金屬理論導熱率×(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,孔隙還影響材料的密度,對材料熱處理後表面硬度和淬硬深度的效果又因密度影響而有關聯,降低了材料表面硬度。而且,因為孔隙的存在,淬火時不能用鹽水作為介質,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中進行的。

 

2.孔隙率對熱處理時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、導熱性和電阻性有關,孔隙率是造成這些因素的***大原因,孔隙率超過8%時,氣體***會通過空隙迅速滲透,在進行滲碳硬化時,增加滲碳深度,表面硬化的效果***會降低。而且,如果滲碳氣體滲入速度過快,在淬火中會産生軟點,降低表面硬度,使材料脆變和變形。

 

3.合金含量和類型對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對熱處理效果産生影響。熱處理硬化深度随銅含量、碳含量的增加而逐漸增高達到***含量時又逐漸降低;鎳合金的剛度要大于銅合金,但是鎳含量的不均勻性會導緻奧氏體組織不均勻。

 

4.高溫燒結的影響

 

高溫燒結雖然可以獲得***佳的合金化效果和促進緻密化,但是,燒結溫度的不同,特别是溫度較低時,會導緻熱處理的敏感性下降(固溶體中的合金減少)和機械性能下降。因此,采用高溫燒結,輔助以充分的還原氣氛,可以獲得較好的熱處理效果。

 

四、結語

 

 

粉末冶金材料的熱處理工藝是一個複雜的過程,它與孔隙率、合金類型、合金元素含量、燒結溫度有關系,同緻密材料相比,内部的均勻性較差,要想獲得較高的淬透性,要提高完全奧氏體化溫度并延長時間,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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