粉末冶金烧结硬化工艺的研究进展

发布时间：2012/7/11 2:03:26

　　粉末冶金烧结硬化作为一种提高粉末冶金零件硬度和强度的低成本工艺技术正在快速得到应用，本文介绍了烧结硬化的技术原理和特点，结合烧结硬化的技术进展，分析了烧结硬化的关键因素，并展望了烧结硬化技术的发展前景。

　　粉末冶金烧结硬化技术始于20世纪90年代初，是粉末冶金零件在烧结进入冷却段过程中显微组织部分或全部转变成马氏体组织的工艺过程。这个工艺过程省掉了烧结后的一道单独淬火工序而具有节能、省时、高效的技术优点，正是这些技术优点吸引一些世界主要的金属粉末冶金零件制造商及设备制造厂斥巨资开发这项技术。

　　烧结硬化由于低合金钢粉的开发、烧结硬化炉的研制以及烧结前生坯切削加工技术的发展而得以迅速发展。烧结硬化技术现已进入产业化阶段，粉末冶金烧结硬化制品已用于电动工具、家庭用具、办公机械及汽车制造等行业。

　　在欧美，烧结硬化正逐渐成为一种低成本生产高强度和高硬度粉末冶金铁基结构零件的工艺方法。而国内在这方面的研究和应用比较少，采用烧结硬化工艺进行产品开发与生产厂家则更少。

　　1、技术原理和特点
　　粉末冶金烧结硬化，就是将具有适当合金成份的粉末冶金制品从烧结温度下，在适当冷却条件下直接冷却，奥氏体进行了非扩散型的晶格转变，即奥氏体的面心立方(FCC)结构会突然转变成将碳原子“冻结”于马氏体的体心立方(BCC)结构中的过饱和固溶体，从而使晶格畸变，形成了马氏体组织。在奥 氏 体 向马氏体转变过程中，由于马氏体比奥氏体密度小，所以体积要膨胀，这使得材料在急速冷却时产生了很大的内应力，马氏体针叶之间，未转变的奥氏体受到马氏体体积膨胀的压力而不易转变，成为残余奥氏体。在显微组织中一般也发现有细珠光体、贝氏体，在含有镍的合金中有富镍区。经过 烧 结 硬化处理的零件通常要以较低的温度回火以消除应力，使材料回复弹性变形。传统 的 粉 末冶金零件烧结后往往需要进行淬火和回火处理来提高其强度和硬度。这些热处理工序会增加产品的成本。此外，零件的淬火将会产生高残余内应力以及零件变形，给零件尺寸控制带来困难。烧结 硬 化 工艺与粉末冶金常规的淬火一回火工艺相比，具有显著的优点。粉末冶金零件在烧结的冷却段进行硬化，冷却速率比淬火时的冷却速率慢得多，缓慢的冷却速率可减小零件变形，从而提高了零件的尺寸精度。
烧结硬化工艺省掉了烧结后的一道单独淬火工序，一方面，消除了与热处理淬火相关的一些缺陷，诸如零件的变形、油污染等，这对于大件薄壁或形状难以淬火的零件更有吸引力;另一方面，缩短了零件的生产周期，降低了生产成本，节省了能源，尤其是对于处理大批量零件更为经济有效。

　　2、技术进展
　　2.1 烧结硬化工艺
　　材料的力 学性能主要是由其显微组织决定的。基体粉末材料的合金及其含量，烧结时达到的扩散程度，冷却速率及回火条件都是决定材料显微组织的参数。钢的马氏体转变主要是由淬透性(碳和合金成份)以及冷却速度控制的，所以，对于粉末冶金零件的烧结硬化，可以从这些因素来考虑，选取*佳的工艺参数。另外，选取工艺参数时，还得考虑产品尺寸的控制，因为经过烧结硬化处理的零件，马氏体组织含量高，难以进行精整与切削加工。

　　烧结硬化用粉末主要有两种。一种是元素状粉末混合粉，即在纯铁粉中混入元素状合金粉末，组成预混合粉。*常用的合金元素粉是石墨粉、铜粉及镍粉。另一种是预合金钢粉，在烧结硬化中应用*为广泛。通常烧结硬化所采用的预合金钢粉除了含有低合金粉末冶金钢常用的镍和铜之外性还含有为获得*佳淬透，而添加的锰和铬。

　　预合金钢粉比预混合粉末更适合烧结硬化工艺，一些公司成功开发了许多专门为烧结硬化工艺而设计的预合金钢粉，其中加拿大魁北克金属粉末有限公司(QMP )设计开发了ATOMET4601, ATOMET4701和ATOMET4801等预合金水雾化钢粉，在锰、铝、铬、铜、镍这五种合金元素中，锰对淬透性的影响*显著，但锰和铬这两种元素对氧的亲和力大，在水雾化钢粉的退火处理时它们的氧化物很难还原，有降低压缩性和烧结性能的倾向。合金 元 素 能以不同的组合来提高零件的淬透性，故人们对材料成分对性能的影响做了很多研究。QM P 的F rancoisC hagnon和YvesTr udel合作研究了材料成分对性能的影响，他们研究了添加微量锰、镍、铝、铬和铜的合金，认为应根据合金元素含量及碳含量选择冷却速度，以确保得到合适的显微结构，由于一些压制性能好的合金，但硬化性在冷却的关键温区(650^4000C)的差别很大，因此作者认为通过添加适量的铜，既能增加硬度，又不会影响压制性能。通过对碳含量与热处理关系的研究，作者还推荐了一种不需要回火的高含碳量的合金(含碳量为0.8%)，及一种需要200℃回火的低含碳量的合金(含碳量为0.6%).Ho ega nae s有限公司的FrancisH anejko与Ahpha烧结金属有限公司的ThomasH aberberger选择了添加微量硅和铬的铁基合金，在550-830MPa压力下成形，由于硅和铬对材料的硬化需要高温烧结，因此选择在1260℃或12900C氮气和氢气保护气氛中烧结，烧结后材料的密度为7.1-7.3g / cm’，当含碳量为0.6%时，合金硬度值变化范围是26-38HRC，抗拉强度变化范围是1000^-1400MPa，冲击韧性变化范围是27~37J. 

　　加拿大哥伯克金属粉末有限公司研究了铬一锰一镍预合金钢粉烧结硬化工艺中烧结温度对显微结构和机械性能的影响。预合金钢粉添加2%的铜和两种级别的石墨含量(设计为烧结后化合碳含量分别达到0.65%和0.80%)，试样压制密度为6.8g/cm3，在氮基气氛中于1120℃烧结25分钟或于1205℃及1290℃烧结33分钟，冷却速率为0.7^-0.90C/秒，所有试样205℃回火60分钟。表2是其碳含量和烧结温度对机械性能和尺寸变化的影响。

　　如表2 所示，随着烧结温度从1120℃提高到12900C，硬度、屈服强度、抗拉强度和冲击韧性等机械性能普遍提高了。除了冲击值之外，其它性能含碳量为0.65%的比0.80%的更多地受烧结温度的影响，这表现在比期望值低一些。对于含碳量0.80%的试样，经1290℃烧结硬化后，其冲击强度值比含碳量0.65%的高，这一似乎异常的结果，他们把这种现象解释为是由于其残余奥氏体和贝氏体的量增加了的缘故。另一方面，这两种含碳量级别对于尺寸变化是趋于平行一致的，当烧结温度从1120℃提高到1290℃时，尺寸收缩均约0.18%

　　日本Kobe钢铁公司的Suzuki和Seki合作向新开发的94FDH预合金钢粉(含1.5%镍、1%钥.0 .35%锰和0.25%铬)中添加了2%镍和0.6%碳。他们研究了烧结温度及温压对材料性能的影响，当样品的压制压力为490~686MPa，在90%氮气和10%氢气中1120-x1250℃烧结30分钟后，样品的密度值为6.8-7.lg/cm3，快速冷却的速度是480C/分钟。样品在130℃温压成型，1250℃烧结后样品的密度可提高约0.15沙时。温压和高温烧结可使材料的表面硬度提高约40HRC。

　　冷却速度是重要的烧结硬化工艺参数，GeorgeF ilari研究了合金成分为1.5%铝、2%铜和0.25%一1%碳的粉末冶金材料的冷却速率和碳含量对材料结构和力学性能的影响。测量出了每次实验过程的温度变化曲线，检测了每次实验样品的力学性能，结果表明含碳量为0.75%和1%的样品的硬度值明显较高，含碳量为1%的样品的冷却速度为290C/分钟、380C/分钟和7l0C/分钟时，对应材料中马氏体的含量分别是26%, 42%和47%，其中冷却速度大的两个样品的力学性能明显较好，对应的抗拉强度值分别935MPa和1005MPa。北美的Abbott Furnace公司与其合作者共同研究三种粉末冶金材料的烧结硬化现象时得出，冷却速度对材料的硬化效果更明显，尤其是对合金含量较低的材料，而冷却速度的变化对冲击韧性并无影响，金相观察表明，随着烧结时间的增加和冷却速度增加，所有合金中的马氏体含量增加。

　　2.2 烧结硬化设备简介
　　烧结硬化设备即烧结硬化炉，对烧结硬化技术的发展起着至关重要的作用。普遍认为，对流冷却法比烧结炉水套冷却系统好，对于烧结硬化炉更是如此。可以在制造传统炉烧结技术的基础上制造烧结硬化炉，关键是在于设计、制造硬化冷却装置。与传统的烧结炉相比，烧结硬化炉还必须具有提供适当的、可控制的从奥氏体向马氏体转变所需冷却速率的功能，同时避免硬化产品的自回火，尤其是大件，另外还要能*控制炉内的碳势。考虑到当前的生产，一个适合于烧结一硬化处理的炉子必须能用常规粉末生产零件而不产生问题，同时兼顾炉子的连续工作能力。

　　烧结硬化炉的制造技术比较成熟，基本上能满足生产工艺要求。目前人们正在研制新型的、性能更好的烧结硬化炉。
　　图2是欧洲某公司生产的一种新型的天然气加热连续式烧结硬化炉的示意图。被处理零件放置在网带上，随网带向前移动，分别经过炉内不同的区域:脱蜡区、高温烧结区、复碳区、烧结硬化区、强制对流冷却区、自然对流冷却区，*后从无焰型出口出来。保护气体(吸热型气体)从外部气体发生器接入，碳势通过带有氧化错传感元件的氧探针自动调节。

　　在烧结硬化区之前还增加了一个复碳区，这是因为复碳是烧结硬化工序的一个重要部分。由天然气和干燥空气组成的吸热型气体的脱碳平衡反应曲线是随着该气体的露点和处理温度发挥作用。另一方面，大量的天然气单独引入烧结区，使保护气体碳势过高，会形成单体碳，沉积在传送带、炉管和零件上。当设备停止运行、室内空气代替了保护气体的情况下，还可能引起着火。所以在烧结区的末端设置一个复碳区，在该区内由于较低的温度及零件滞留的时间相当长，零件上的碳可以被容易吸收。复碳区的有效内部长度为烧结区长度的40%，通过电加热元件加热来实现。

　　烧结硬化区是烧结硬化炉的关键，直接影响到烧结硬化制品的性能。该区的快速冷却单元由一