粉末冶金材料的热处理工艺

2021-11-29薛松

中国金属通报 2021年12期

薛松

（广州众山精密科技有限公司，广东广州 510000）

随着现代社会的不断发展，各行业技术水平都得到了明显的上升，在当前的汽车工业领域、生活用品制造领域以及机械设备制造等，粉末冶金材料的应用都愈加的频繁，并且已经占据了较大比重。无论是在低密度、低硬度、低强度的铸铁材料中，还是在高密度、高硬度、高强度的精密复杂零件中，粉末冶金材料的优势性都更加的显著，而之所以在各领域中呈现出这一景象，最主要的原因就是在于粉末冶金工艺技术的发展与进步。热处理技术作为主要的工艺之一，在粉末冶金材料的热处理效果上，目前仍然存在一定缺陷，而造成缺陷的原因与粉末冶金材料的物理性能差异以及热处理工艺差异具有密切关系。随着各铸造冶炼企业的不断研究，目前粉末冶金材料的物理性能以及力学性能缺陷已经通过各种热处理工艺获得了明显改善，大大提升粉末冶金材料强度、耐磨性，这对于粉末冶金材料的实际应用来说，意义非凡。

1 粉末冶金材料分类

粉末冶金材料主要是通过粉末冶金工艺制作而成的多孔、半致密或是全致密的材料以及制品。之所以粉末冶金材料在现如今的现代工业领域中应用广泛，主要原因在于粉末冶金材料是由独特的化学组成，具有物理、力学性能，这是传统熔铸工艺所无法获得的。比如：材料的孔隙度可控、材料组织均匀等都是粉末冶金材料的特点。据了解，在粉末冶金材料的分类中，可以分为传统冶金材料以及现代冶金材料。

首先，就传统粉末冶金材料来说，主要包括了铁基、钢基、难溶性金属以及摩擦等对应的冶金材料。其中，比较常见的粉末冶金材料为铁基粉末冶金材料，主要应用于我国机械制造行业中；钢基粉末冶金材料，因为其本身在材料配比度以及性能上存在比较明显的差异，因此在实际的使用中需要考虑到实际情况的需求，选择合适的钢基粉末冶金材料。比如：就钢合金材料来说，其本身具有较强的抗腐蚀能力，而黄铜材料本身就具备一定的耐磨性，进而在使用时需要考虑钢基粉末冶金材料性能的差异性。目前使用钢基粉末冶金材料较多的领域属于电气制造行业；难溶性金属材料因为熔点高、高强度以及高硬度等特点，在我国航空、军事设备制造行业应用比较广泛；最后，对于摩擦冶金材料来说，因为其具有非常强的抗磨损能力，进而在一些抗磨元件的制造中应用较多。

其次，现代化冶金材料的应用多见于信息行业、生物材料制造行业以及能源研究等高端行业。在信息行业中，粉末冶金材料的种类包括了金属以及铁氧两种，其中铁氧体磁性材料的生产成本较高，实际使用时需考虑经济成本；另外在生物材料制造行业中，现代冶金材料的使用主要是针对人体的骨骼进行生物类医学研究，目的在于延长人类生存寿命，减低人体与机械骨骼的排斥性，同时满足医疗成本的有效控制。

2 粉末冶金材料的热处理工艺

在粉末冶金材料的热处理工艺选择上，需要根据材料实际的化学成分以及晶粒度进行选择。其中，孔隙的形成是影响粉末冶金材料热处理的重要因素之一，材料在压制、烧结过程中所形成的孔隙将贯穿在整个零件中，严重影响最终的处理效果。因此，在不同形式的粉末冶金材料热处理中，需要通过具体的措施，减少孔隙形成，提高处理效果。

2.1 淬火热处理

由于粉末冶金材料本身存在孔隙，导致材料本身的传热速度较低，与致密材料淬火时的淬透性相比，粉末冶金材料淬透性较差。此外，在淬火过程中，粉末冶金材料的烧结密度与材料的导热性成正比，因此粉末冶金材料的烧结工艺与致密材料相比存在明显差异，这就使得粉末冶金材料的内部组织均匀性更加优于致密材料，但是在材料内部的微观区域中，仍然存在较小范围的不均匀性。因此，粉末冶金材料的完全奥氏体化时间比相应锻件时间长。

为了提高粉末冶金材料的淬透性，在淬火热处理过程中工作人员会根据适应情况加入一些合金元素，起到细化晶粒的作用。当合金元素完全溶于奥氏体后，过冷奥氏体的稳定性会大大增加，同时淬硬深度也会有所增加。此外，所有粉末冶金材料在完成淬火后都需要进行回火处理，在这期间需要根据不同材料的不同特性，确定回火温度，确保粉末冶金材料性能不受影响。

2.2 化学热处理

在粉末冶金材料的化学热处理过程中，基础过程一般分为分解、吸收以及扩散。以渗碳的化学热处理为例，首先渗碳的反应会表现出放热反应、吸热反应。在分解出碳后，碳会被金属表面所吸收，并不断的向内部进行扩散，在扩散的同时，在材料表面获取足够的碳浓度，之后再进行淬火、回火处理，如此一来粉末冶金材料表面的硬度以及淬硬深度都会得到明显增加。如果材料的密度越高，那么孔隙效应就会越弱，化学热处理的效果就会越不明显，但正是由于粉末冶金材料本身存在的孔隙，才使得活性炭原才能够从表面渗入到内部，从而完成化学热处理。因此，在化学热处理时，需要采用一系列保护措施，提高化学热处理效果。同时还需要根据粉末冶金材料的孔隙特点，控制保温时间，提高加热温度，保证化学热处理的最终效果。

2.3 蒸汽热处理

所谓蒸汽热处理，就是通过蒸汽加热是材料表面产生氧化现象，并在材料表层形成氧化膜，以此来改善粉末冶金材料的性能。尤其是针对粉末冶金材料的表面防腐处理，蒸汽热处理的实际效果明显优于发蓝处理法，并且经过蒸汽热处理后的粉末冶金材料无论是材料的硬度，还是材料耐磨性都得到了大大提升。

2.4 特殊热处理

随着科学技术的不断发展与进步，特殊热处理工艺逐渐形成并应用于粉末冶金材料的热处理中。特殊热处理工艺包括了感应加热淬火以及激光表面硬化等。感应加热淬火主要是利用高频电磁感应涡流，提升粉末冶金材料的加热温度，从而起到增加材料表面硬度的最终效果，但是在感应加热淬火的实际应用过程中容易出现软点，通常情况下可以利用间断加热法，延长材料奥氏体化时间；激光表面硬化工艺，就是利用激光作为热源，快速提升或降低金属表面的温度，使得奥氏体晶粒内部的亚结构在没有恢复再晶体的情况下，获得超细结构。

3 粉末冶金材料热处理影响因素

在粉末冶金材料的热处理烧结过程中，形成的孔隙是其本身固有的特点之一，同时给热处理造成极大影响，尤其是在孔隙率的变化与热处理之间的关系上，为了有效改变材料的致密性以及晶粒度，合金元素的加入也会对粉末冶金材料的热处理产生影响。因此，笔者将对粉末冶金材料热处理的各项影响因素进行详细分析，具体如下：

3.1 孔隙对热处理过程产生的影响

粉末冶金材料在进行热处理的过程中，为了有效抑制奥氏体扩散而转变成其他组织，需要通过快速冷却的方式起到抑制作用，但是，由于粉末冶金材料本身存在的孔隙，进而导致材料散热性能受到严重影响。通过导热率功率计算可以看出，随着孔隙率的增加，材料淬透性会出现明显的下降，另外，孔隙对材料密度的影响也比较明显，同时材料在经过热处理后，其表面的硬度与淬硬深度又会受到密度的影响，表面硬度出现下降。再加上由于孔隙的原因，淬火时不能使用盐水作为介质，避免盐分残留造成材料腐蚀。因此，通常情况下，为了避免孔隙对热处理过程产生的一系列影响，粉末冶金材料的热处理会选择在真空环境下、或是在气体介质下进行。

3.2 孔斜率对热处理表面淬硬深度的影响

材料密度、渗透性、导热性以及电阻性都是影响粉末冶金材料热处理效果的直接因素，而造成这些因素的原因是由粉末冶金材料的孔斜率决定。当粉末冶金材料孔隙率超过8%时，气体变回通过孔隙进行迅速的渗透，同时在进行渗碳硬化时，大大增加渗碳的深度，从而降低材料表面的硬化效果。再加上渗碳气体的渗透速度过快，淬火出现软点，导致材料表面硬度大大降低，影响外形。

3.3 合金含量以及类型对粉末冶金热处理的影响

铜、镍是合金元素中比较常见的元素类型，粉末冶金材料热处理效果会受到其含量、类型的影响。在粉末冶金材料的热处理过程中，材料的硬化深度会随着铜含量、碳含量的增加而上升，当硬化深度达到一定的含量时又逐渐下降。在刚度的对比上，镍合金刚度远大于铜合金，但是由于镍合金的含量不均匀，导致奥氏体组织结构不均匀，影响粉末冶金热处理效果。