粉末冶金的热处理工艺

粉末冶金材料在现代工业中的应用越来越广泛，尤其是在汽车工业、日用品、机械设备等领域。由于粉末冶金技术的快速发展，它们在取代低密度、低硬度和强度的铸铁材料方面具有明显的优势，并逐步推广高硬度、高精度和强度的精密复杂零件的应用。全致密钢的热处理工艺已成功，但由于粉末冶金材料的物理性能和热处理工艺的差异，粉末冶金材料的热处理仍存在一些缺陷。铸造冶炼企业在粉末冶金材料技术研究中，热锻、粉末注射成型、热静压、液相烧结、组合烧结等热处理和后续处理工艺，在改善粉末冶金材料的物理力学性能缺陷方面，提高了粉末冶金材料的强度和耐磨性，将大大扩大粉末冶金的应用范围。

粉末冶金工件

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：

1.淬火热处理工艺

由于孔隙的存在，粉末冶金材料的传热速度低于致密材料，因此淬火时淬火性相对较差。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，为了提高淬火性，通常添加镍、钼、锰、铬、钒等合金元素，其作用与致密材料相同，可以明显细化晶粒，溶解在奥氏体中会增加过冷奥氏体的稳定性，确保淬火过程中奥氏体的变化，提高淬火材料的表面硬度和淬火深度。此外，粉末冶金材料淬火后应进行回火处理。回火温度控制对粉末冶金材料的性能有很大影响。因此，回火温度应根据不同材料的特点确定，以减少回火脆性的影响。一般材料可在175-250℃下空气或油中回火0.5-1.0h。

粉末冶金热处理工件

2.化学热处理工艺

渗碳热处理的反应如下：

2CO≒[C] CO2 (放热反应)

CH4≒[C] 2H2 (吸热反应)

碳分解后，被金属表面吸收并逐渐扩散到内部。在材料表面获得足够的碳浓度后，淬火和回火将提高粉末冶金材料的表面硬度和淬火深度。由于粉末冶金材料的孔隙，活性炭原子从表面渗入内部，完成化学热处理。然而，材料密度越高，孔隙效应越弱，化学热处理效果越不明显。因此，应采用高碳势还原氛围保护。根据粉末冶金材料的孔隙特性，其加热和冷却速度低于致密材料，因此应延长保温时间，提高加热温度。

粉末冶金材料的化学热处理包括渗碳、渗氮、渗硫和多共渗。在化学热处理中，硬化深度主要与材料密度有关。因此，在热处理过程中可以采取相应的措施，渗碳时，材料密度大于7g/cm3.适当延长时间。通过化学热处理，可以提高材料的耐磨性。粉末冶金材料不均匀的奥氏体渗碳工艺使处理后的材料渗透表面的碳含量达到2%以上，碳化物均匀分布在渗透表面，可以提高硬度和耐磨性。

3.蒸汽处理

蒸汽处理是通过加热蒸汽氧化材料的表面，在材料表面形成氧化膜，从而提高粉末冶金材料的性能。特别是对于粉末冶金材料的表面腐蚀，其有效期明显高于蓝色处理，材料的硬度和耐磨性明显提高。

4.特殊热处理工艺

特殊热处理工艺是近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，加热温度迅速升高，对表面硬度的增加有显著影响，但容易出现软点，一般可采用间歇加热方法延长奥氏体化时间；激光表面硬化过程是以激光为热源，使金属表面快速加热和冷却，使奥氏体晶粒内的亚结构无法恢复再结晶，获得超细结构。

粉末冶金模具

分析粉末冶金材料热处理的影响因素

粉末冶金材料在烧结过程中产生的孔隙是其固有的特点，也对热处理产生了很大的影响，特别是孔隙率的变化与热处理的关系。为了提高密度和晶粒度，添加的合金元素也对热处理有一定的影响：

1.孔隙对热处理过程的影响

在热处理过程中，粉末冶金材料通过快速冷却抑制奥氏体扩散到其他组织获得马氏体，孔隙的存在对材料的散热有很大的影响。导热公式：

导热率=金属理论导热率×(1-2×孔隙率)/100

可以看出，淬火率随着孔隙率的增加而下降。另一方面，孔隙也影响材料的密度，表面硬度和淬火深度的影响与密度有关，降低了材料的表面硬度。此外，由于孔隙的存在，盐水不能作为淬火的介质，以避免盐残留引起的腐蚀。因此，一般的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硬化深度的影响

粉末冶金材料的热处理效果与材料的密度、渗透（淬火）渗透性、导热性和电阻有关。孔隙率是这些因素的较大原因。当孔隙率超过8%时，气体会通过间隙迅速渗透。当渗碳硬化时，会增加渗碳深度，降低表面硬化效果。此外，如果渗碳气体渗透过快，淬火时会产生软点，降低表面硬度，使材料脆化变形。

3.合金含量和类型对粉末冶金热处理的影响

铜和镍在合金元素中很常见，其含量和类型会影响热处理效果。随着铜含量和碳含量的增加，热处理硬化深度逐渐增加，达到一定含量；镍合金刚度大于铜合金，但镍含量不均匀会导致奥氏体组织不均匀。

4.高温烧结的影响

虽然高温烧结可以获得较佳的合金化效果，促进致密化，但烧结温度的差异，特别是当温度较低时，会导致热处理的敏感性（固溶体中的合金减少）和机械性能的下降。因此，采用高温烧结，辅助充分恢复气氛，可获得更好的热处理效果。

粉末冶金工件

粉末冶金材料的热处理工艺是一个复杂的过程，与孔隙率、合金类型、合金元素含量、烧结温度有关，与致密材料相比，内部均匀性较差，提高完全奥氏体化温度，延长时间，不均匀奥氏体渗碳不受奥氏体饱和碳浓度的限制。此外，添加合金元素也可以提高淬透性。蒸汽处理可显著提高其防腐性能和表面硬度。