粉末冶金材料的熱處理工藝

薛 松

（廣州眾山精密科技有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，各行業(yè)技術(shù)水平都得到了明顯的上升，在當(dāng)前的汽車工業(yè)領(lǐng)域、生活用品制造領(lǐng)域以及機械設(shè)備制造等，粉末冶金材料的應(yīng)用都愈加的頻繁，并且已經(jīng)占據(jù)了較大比重。無論是在低密度、低硬度、低強度的鑄鐵材料中，還是在高密度、高硬度、高強度的精密復(fù)雜零件中，粉末冶金材料的優(yōu)勢性都更加的顯著，而之所以在各領(lǐng)域中呈現(xiàn)出這一景象，最主要的原因就是在于粉末冶金工藝技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。熱處理技術(shù)作為主要的工藝之一，在粉末冶金材料的熱處理效果上，目前仍然存在一定缺陷，而造成缺陷的原因與粉末冶金材料的物理性能差異以及熱處理工藝差異具有密切關(guān)系。隨著各鑄造冶煉企業(yè)的不斷研究，目前粉末冶金材料的物理性能以及力學(xué)性能缺陷已經(jīng)通過各種熱處理工藝獲得了明顯改善，大大提升粉末冶金材料強度、耐磨性，這對于粉末冶金材料的實際應(yīng)用來說，意義非凡。

1 粉末冶金材料分類

粉末冶金材料主要是通過粉末冶金工藝制作而成的多孔、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現(xiàn)如今的現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，主要原因在于粉末冶金材料是由獨特的化學(xué)組成，具有物理、力學(xué)性能，這是傳統(tǒng)熔鑄工藝所無法獲得的。比如：材料的孔隙度可控、材料組織均勻等都是粉末冶金材料的特點。據(jù)了解，在粉末冶金材料的分類中，可以分為傳統(tǒng)冶金材料以及現(xiàn)代冶金材料。

首先，就傳統(tǒng)粉末冶金材料來說，主要包括了鐵基、鋼基、難溶性金屬以及摩擦等對應(yīng)的冶金材料。其中，比較常見的粉末冶金材料為鐵基粉末冶金材料，主要應(yīng)用于我國機械制造行業(yè)中；鋼基粉末冶金材料，因為其本身在材料配比度以及性能上存在比較明顯的差異，因此在實際的使用中需要考慮到實際情況的需求，選擇合適的鋼基粉末冶金材料。比如：就鋼合金材料來說，其本身具有較強的抗腐蝕能力，而黃銅材料本身就具備一定的耐磨性，進(jìn)而在使用時需要考慮鋼基粉末冶金材料性能的差異性。目前使用鋼基粉末冶金材料較多的領(lǐng)域?qū)儆陔姎庵圃煨袠I(yè)；難溶性金屬材料因為熔點高、高強度以及高硬度等特點，在我國航空、軍事設(shè)備制造行業(yè)應(yīng)用比較廣泛；最后，對于摩擦冶金材料來說，因為其具有非常強的抗磨損能力，進(jìn)而在一些抗磨元件的制造中應(yīng)用較多。

其次，現(xiàn)代化冶金材料的應(yīng)用多見于信息行業(yè)、生物材料制造行業(yè)以及能源研究等高端行業(yè)。在信息行業(yè)中，粉末冶金材料的種類包括了金屬以及鐵氧兩種，其中鐵氧體磁性材料的生產(chǎn)成本較高，實際使用時需考慮經(jīng)濟(jì)成本；另外在生物材料制造行業(yè)中，現(xiàn)代冶金材料的使用主要是針對人體的骨骼進(jìn)行生物類醫(yī)學(xué)研究，目的在于延長人類生存壽命，減低人體與機械骨骼的排斥性，同時滿足醫(yī)療成本的有效控制。

2 粉末冶金材料的熱處理工藝

在粉末冶金材料的熱處理工藝選擇上，需要根據(jù)材料實際的化學(xué)成分以及晶粒度進(jìn)行選擇。其中，孔隙的形成是影響粉末冶金材料熱處理的重要因素之一，材料在壓制、燒結(jié)過程中所形成的孔隙將貫穿在整個零件中，嚴(yán)重影響最終的處理效果。因此，在不同形式的粉末冶金材料熱處理中，需要通過具體的措施，減少孔隙形成，提高處理效果。

2.1 淬火熱處理

由于粉末冶金材料本身存在孔隙，導(dǎo)致材料本身的傳熱速度較低，與致密材料淬火時的淬透性相比，粉末冶金材料淬透性較差。此外，在淬火過程中，粉末冶金材料的燒結(jié)密度與材料的導(dǎo)熱性成正比，因此粉末冶金材料的燒結(jié)工藝與致密材料相比存在明顯差異，這就使得粉末冶金材料的內(nèi)部組織均勻性更加優(yōu)于致密材料，但是在材料內(nèi)部的微觀區(qū)域中，仍然存在較小范圍的不均勻性。因此，粉末冶金材料的完全奧氏體化時間比相應(yīng)鍛件時間長。

為了提高粉末冶金材料的淬透性，在淬火熱處理過程中工作人員會根據(jù)適應(yīng)情況加入一些合金元素，起到細(xì)化晶粒的作用。當(dāng)合金元素完全溶于奧氏體后，過冷奧氏體的穩(wěn)定性會大大增加，同時淬硬深度也會有所增加。此外，所有粉末冶金材料在完成淬火后都需要進(jìn)行回火處理，在這期間需要根據(jù)不同材料的不同特性，確定回火溫度，確保粉末冶金材料性能不受影響。

2.2 化學(xué)熱處理

在粉末冶金材料的化學(xué)熱處理過程中，基礎(chǔ)過程一般分為分解、吸收以及擴(kuò)散。以滲碳的化學(xué)熱處理為例，首先滲碳的反應(yīng)會表現(xiàn)出放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)。在分解出碳后，碳會被金屬表面所吸收，并不斷的向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，在擴(kuò)散的同時，在材料表面獲取足夠的碳濃度，之后再進(jìn)行淬火、回火處理，如此一來粉末冶金材料表面的硬度以及淬硬深度都會得到明顯增加。如果材料的密度越高，那么孔隙效應(yīng)就會越弱，化學(xué)熱處理的效果就會越不明顯，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夠從表面滲入到內(nèi)部，從而完成化學(xué)熱處理。因此，在化學(xué)熱處理時，需要采用一系列保護(hù)措施，提高化學(xué)熱處理效果。同時還需要根據(jù)粉末冶金材料的孔隙特點，控制保溫時間，提高加熱溫度，保證化學(xué)熱處理的最終效果。

2.3 蒸汽熱處理

所謂蒸汽熱處理，就是通過蒸汽加熱是材料表面產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，并在材料表層形成氧化膜，以此來改善粉末冶金材料的性能。尤其是針對粉末冶金材料的表面防腐處理，蒸汽熱處理的實際效果明顯優(yōu)于發(fā)藍(lán)處理法，并且經(jīng)過蒸汽熱處理后的粉末冶金材料無論是材料的硬度，還是材料耐磨性都得到了大大提升。

2.4 特殊熱處理

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，特殊熱處理工藝逐漸形成并應(yīng)用于粉末冶金材料的熱處理中。特殊熱處理工藝包括了感應(yīng)加熱淬火以及激光表面硬化等。感應(yīng)加熱淬火主要是利用高頻電磁感應(yīng)渦流，提升粉末冶金材料的加熱溫度，從而起到增加材料表面硬度的最終效果，但是在感應(yīng)加熱淬火的實際應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)軟點，通常情況下可以利用間斷加熱法，延長材料奧氏體化時間；激光表面硬化工藝，就是利用激光作為熱源，快速提升或降低金屬表面的溫度，使得奧氏體晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)在沒有恢復(fù)再晶體的情況下，獲得超細(xì)結(jié)構(gòu)。

3 粉末冶金材料熱處理影響因素

在粉末冶金材料的熱處理燒結(jié)過程中，形成的孔隙是其本身固有的特點之一，同時給熱處理造成極大影響，尤其是在孔隙率的變化與熱處理之間的關(guān)系上，為了有效改變材料的致密性以及晶粒度，合金元素的加入也會對粉末冶金材料的熱處理產(chǎn)生影響。因此，筆者將對粉末冶金材料熱處理的各項影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，具體如下：

3.1 孔隙對熱處理過程產(chǎn)生的影響

粉末冶金材料在進(jìn)行熱處理的過程中，為了有效抑制奧氏體擴(kuò)散而轉(zhuǎn)變成其他組織，需要通過快速冷卻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，進(jìn)而導(dǎo)致材料散熱性能受到嚴(yán)重影響。通過導(dǎo)熱率功率計算可以看出，隨著孔隙率的增加，材料淬透性會出現(xiàn)明顯的下降，另外，孔隙對材料密度的影響也比較明顯，同時材料在經(jīng)過熱處理后，其表面的硬度與淬硬深度又會受到密度的影響，表面硬度出現(xiàn)下降。再加上由于孔隙的原因，淬火時不能使用鹽水作為介質(zhì)，避免鹽分殘留造成材料腐蝕。因此，通常情況下，為了避免孔隙對熱處理過程產(chǎn)生的一系列影響，粉末冶金材料的熱處理會選擇在真空環(huán)境下、或是在氣體介質(zhì)下進(jìn)行。

3.2 孔斜率對熱處理表面淬硬深度的影響

材料密度、滲透性、導(dǎo)熱性以及電阻性都是影響粉末冶金材料熱處理效果的直接因素，而造成這些因素的原因是由粉末冶金材料的孔斜率決定。當(dāng)粉末冶金材料孔隙率超過8%時，氣體變回通過孔隙進(jìn)行迅速的滲透，同時在進(jìn)行滲碳硬化時，大大增加滲碳的深度，從而降低材料表面的硬化效果。再加上滲碳?xì)怏w的滲透速度過快，淬火出現(xiàn)軟點，導(dǎo)致材料表面硬度大大降低，影響外形。

3.3 合金含量以及類型對粉末冶金熱處理的影響

銅、鎳是合金元素中比較常見的元素類型，粉末冶金材料熱處理效果會受到其含量、類型的影響。在粉末冶金材料的熱處理過程中，材料的硬化深度會隨著銅含量、碳含量的增加而上升，當(dāng)硬化深度達(dá)到一定的含量時又逐漸下降。在剛度的對比上，鎳合金剛度遠(yuǎn)大于銅合金，但是由于鎳合金的含量不均勻，導(dǎo)致奧氏體組織結(jié)構(gòu)不均勻，影響粉末冶金熱處理效果。

3.4 高溫?zé)Y(jié)對熱處理的影響

盡管高溫?zé)Y(jié)可以使粉末冶金材料獲得最佳的合金化效果，促進(jìn)材料致密化，但是當(dāng)燒結(jié)溫度不同時，產(chǎn)生的影響也各不相同。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時，熱處理的敏感性以及材料的機械性能都會出現(xiàn)明顯的下降。由此可見，在粉末冶金材料的熱處理中，必須采用高溫?zé)Y(jié)，充分還原氣氛，從而獲得效果更佳的粉末冶金熱處理。

4 結(jié)語

綜上所述，粉末冶金材料的熱處理工藝屬于非常復(fù)雜的化學(xué)過程，熱處理效果受到多種因素的影響。因此，想要進(jìn)一步提升粉末冶金材料熱處理效果，無論是在工藝選擇上，還是在工藝處理控制上，都需要進(jìn)行多方面的實際考慮，盡可能降低其他因素所造成的影響，從而推動粉末冶金材料在現(xiàn)代工業(yè)中的實際應(yīng)用于發(fā)展。