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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(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。它們在取代低密度、低硬度和強度的鑄鐵材料方面已經(jīng)具有明顯優(yōu)勢,在高硬度、高精度和強度的精密復(fù)雜零件的應(yīng)用中也在逐漸推廣,這要歸功于粉末冶金技術(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度和耐磨性,將大大擴展粉末冶金的應(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,淬透性相對較差。另外淬火時,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;粉末冶金材料因為燒結(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,完全奧氏體化時間比相應(yīng)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、鉬、錳、鉻、釩等,它們的作用跟在致密材料中的作用機理相同,可明顯細(xì)化晶粒,當(dāng)其溶于奧氏體后會增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性,保證淬火時的奧氏體轉(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(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、擴散三個基本過程,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)部擴散,在材料的表面獲得足夠的碳濃度后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,要采用碳勢較高的還原性氣氛保護。根據(jù)粉末冶金材料的孔隙特點,其加熱和冷卻速度要低于致密材料,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(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,在材料密度大于7g/cm3時適當(dāng)延長時間。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,對于表面硬度的增加有顯著效果,但是容易出現(xiàn)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,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熱處理有一定影響:
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(zhuǎn)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(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,因為孔隙的存在,淬火時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(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,氣體就會通過空隙迅速滲透,在進行滲碳硬化時,增加滲碳深度,表面硬化的效果就會降低。而且,如果滲碳?xì)怏w滲入速度過快,在淬火中會產(chǎn)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(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致密化,但是,燒結(jié)溫度的不同,特別是溫度較低時,會導(dǎo)致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?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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