粉末冶金材料的熱處理工藝非常複雜,加入合金元素也可提高淬透性!

粉末冶金材料的熱處理要根據其化學成分和晶粒度確定,在取代鍛鋼件的高密度和高精的複雜零件的應用中,隨著粉末冶金技術的不斷進步也取得了快速發展。


粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣,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。


但是由於後續處理工藝的差異,特別是汽車工業、生活用品、機械設備等的應用中,其物理性能和力學性能還存在著一些缺陷,粉末冶金材料已經佔有很大的比重。


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,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範圍。


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、激光錶面硬化等。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,對於表面硬度的增加有顯著效果,但是容易出現軟點,一般可以採取間斷加熱法延長奧氏體化時間;激光錶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复再結晶而獲得超細結構。


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。


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;鎳合金的剛度要大於銅合金,但是鎳含量的不均勻性會導致奧氏體組織不均勻。


高溫燒結雖然可以獲得最佳的合金化效果和促進緻密化,但是,燒結溫度的不同,特別是溫度較低時,會導致固溶體中的合金減少和機械性能下降。


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

粉末冶金材料由於孔隙的存在,在傳熱速度方面要低於緻密材料,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係的;粉末冶金材料因為燒結工藝與緻密材料的差異,內部組織均勻性要優於緻密材料,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、鉬、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,當其溶於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確定回火溫度,降低迴火脆性的影響,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]+CO 2  (放熱反應)

CH 4 ≒[C]+2H 2  (吸熱反應)

碳分解出後被金屬表面吸收並逐漸向內部擴散,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。由於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,要採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於緻密材料,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採取相應措施,比如:滲碳時,在材料密度大於7g/cm 3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,使處理後的材料滲層表面的含碳量可達2%以上,碳化物均勻分佈於滲層表面,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。特別是對於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,處理後的材料硬度和耐磨性明顯增加。

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