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粉末冶金的熱處理工藝
發布日期：[2021/6/1]
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復雜零件的應用中，隨著粉末冶金技術的不斷進步也取得了快速發展。但是由于后續處理工藝的差異，其物理性能和力學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
粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣泛，特別是汽車工業、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復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。全致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，還存在著一些缺陷。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后續處理工藝，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其化學成分和晶粒度確定，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致密材料的差異，內部組織均勻性要優于致密材料，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、鉬、錳、鉻、釩等，它們的作用跟在致密材料中的作用機理相同，可明顯細化晶粒，當其溶于奧氏體后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.化學熱處理工藝
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)
碳分解出后被金屬表面吸收并逐漸向內部擴散，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部，完成化學熱處理的過程。但是，材料密度越高，孔隙效應就越弱，化學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時適當延長時間。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，使處理后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。
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，其有效期比發藍處理效果明顯，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展的產物，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，使奧氏體晶粒內部的亞結構來不及回復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，特別是孔隙率的變化與熱處理的關系，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，如果滲碳氣體滲入速度過快，在淬火中會產生軟點，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致奧氏體組織不均勻。
4.高溫燒結的影響
高溫燒結雖然可以獲得最佳的合金化效果和促進致密化，但是，燒結溫度的不同，特別是溫度較低時，會導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復雜的過程，它與孔隙率、合金類型、合金元素含量、燒結溫度有關系，同致密材料相比，內部的均勻性較差，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。