铁基粉末冶金零件热处理www.tool-tool.com

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韩凤麟

(中国机协粉末冶金分会，北京　100825)

摘　要：热处理是一种成熟的，经常使用的工艺性技术。这篇文章评述了人们不大注意的铁基粉末冶金零件整体淬火时，孔隙度与合金含量对其淬透性的影响。

关键词：铁基粉末冶金零件；热处理；淬透性

在铁基粉末冶金零件生产中，零件材料必须具有的许多性能与组织结构都是在烧结过程中形成的，但其中一些性能只有通过后续热处理，才能得到改进与完善。因此，热处理对于铁基粉末冶金零件产业是极其重要的一项技术。

铁基粉末冶金零件的热处理原理，虽然和成分相同的铸锻零件相同，但由于粉末冶金零件具有一定量孔隙度与合金化元素的微观分布可能不均一，因此，粉末冶金零件的热处理工艺可能有所不同。关于孔隙度对铁基粉末冶金零件材料热处理性能的影响，经几十年的探索与实践，已有较清楚地认识，摘要介绍如下。

1　孔隙度对铁基粉末冶金零件整体淬火的影响

　　大部分铁基粉末冶金零件，为了增高强度、硬度及耐磨性，都需要进行整体淬火，即淬火与回火。需要进行整体淬火的铁基粉末冶金零件，其化合碳含量应≥0.3%(质量分数)，并且在图1中的A3温度以上呈奥氏体状态。

图1　碳钢的热处理相图

　　铁基粉末冶金零件的整体淬火由以下3道工序组成:

奥氏体化。在具有和化合碳含量相当碳势的保护性气氛下，将零件加热到高于A3温度，通常为850℃，并保温一定时间，其长短视零件形状及尺寸而定。诸如30min，使之奥氏体化。

淬火。从奥氏体化温度或稍低，但仍高于A3的温度，将零件淬于油或水中，使奥氏体转变成硬且脆的马氏体或贝氏体。对于铁基粉末冶金零件，最好是淬于温油(50℃)中，这是因为粉末冶金零件具有孔隙度，淬火冷却速度太快时，零件可能开裂。另外，采用盐水淬火时，淬火后，存留于孔隙中的盐水会导致零件严重腐蚀。

　　回火。依据GB/T19076-2003“烧结金属材料-规范”铁基粉末冶金零件通常是在180℃(烧结镍钢为260℃)下回火，回火时间通常是依据零件断面厚度，按每25.4mm回火1h。其目的是消除奥氏体转变为马氏体与贝氏体时产生的内应力。回火可减小马氏体与贝氏体的脆性，提升零件材料的韧性。

1.1　孔隙度对粉末冶金Fe-C材料淬透性的影响

淬透性的定义是，快速冷却时，在一给定深度，材料试样从奥氏体转变为马氏体的能力。淬透性通常是用顶端淬火法测定的。为测定烧结碳钢的淬透性，由水雾化铁粉与0.9%(质量分数)石墨粉的混合粉，用压制-烧结制成Φ80mm×高30mm，密度为6.0～7.1g/cm3的坯料[化合碳0.8%(质量分数)]。再由坯料切削加工成顶端淬火试样，于870℃，在中性气氛中，奥氏体化30min后水淬。从淬火端每隔2.5mm测定一次表观硬度HRA。同时，还和由C-1080锻钢切削加工的顶端淬火试样进行了对比。试验结果示于图2。

　　从图2可看出，材料试样的密度(即孔隙度)对淬透性有若干影响。首先，孔隙度减低材料的热导率，这是因为孔隙中充满空气，而空气的热导率比钢小。另外，由于硬度压痕和材料基体中的孔隙度相关，从而也影响测定的硬度值。图2还表明，淬透性差不多随着烧结钢材料密度增大呈直线性增高。因此，在设计-具有给定材料密度的粉末冶金碳钢零件时，对于选择使零件横截面能全部转变成马氏体的合适材料组成，图2是有用的。

1.2　铁基粉末冶金材料的淬透性标准

在设计-铁基粉末冶金零件时，要想使粉末金零件的横截面经过淬火-回火转变成马氏体，就必须依据材料的淬透性来选择适当的材料。

图2　烧结碳钢与常规C-1080碳钢的顶端淬火淬透性比较[2、3]

烧结钢试棒是用雾化铁粉混入0.90%石墨，经压制、烧结而成，密度为6.0～7.1g/cm3。

于870℃在中性气氛中奥氏体化30min后水淬。从淬火端每隔2.5mm测量一点

　　就铁基粉末冶金材料而言，除上述的孔隙度影响材料的淬透性外，添加于材料中的合金化元素，诸如铜、镍、钼等，也影响材料的淬透性。美国金属粉末工业联合会(MPIF)在1997年第一次发布了铁基粉末冶金材料的淬透性标准，见表1。这个标准是依据ASTMA255顶端淬火试验方法标准制定的。

硬度与深度的关系曲线是用HRA硬度标尺作出的。端淬深度是指在试样上从淬火端到硬度值低于65HRA处的深度(每间隔1.6mm(1/16英寸)取一硬度读数)。倘若试样表面的硬度未达到65HRA，则将其端淬深度(深度J)列为<1。J65若为2，就表明端淬深度为2×1.6mm=3.2mm。鉴于表2中列出的淬透数据都是用表观硬度测定的，因此，测定的结果中也包括密度的影响。综上所述，要想得到粉末冶金材料的精确淬透性，必须对材料在同一密度条件下进行比较。

2　合金含量对铁基粉末冶金材料淬透性的影响

美国评定MPIF标准35“粉末冶金结构零件材料标准”中的材料热处理性能的粉末冶金技术中心(CPMT)最近的协调工作证实，烧结零件名义组成的含碳量 (指化合碳)为0.5%(质量分数)时，热处理的材料性能最好，随着烧结体密度与合金含量增高，其可进一步减小。含碳量较高的零件淬火时，变形、脆化及淬裂的几率增大。图3示二种预合金化粉末冶金钢的这种效应与化合碳含碳增高的关系。图4示，由于添加铜与镍，粉末冶金材料淬透性的改进。图4中所示4种组成的试样都是在生产条件下烧结到密度为6.7g/cm3，淬火与回火的。

图4中的数据表明，铜可有效增高表面淬硬性，但只能适度增大淬透性。同时添加镍时，可进一步增大淬透性，但表面淬硬性增高不大。

图3　合金化烧结钢FL42××与FL46××的含碳量对抗拉强度的影响。烧结钢密度7.16g/cm3。

(1Ksi=6.985MPa)

图4　铜含量和镍含量对烧结钢淬透性的影响(试棒材料密度6.7g/cm3)

对3种烧结体密度为7.0g/cm3的铁基粉末冶金材料和选择的3种常规锻钢进行的顶端淬火对比试验研究结果示于图5。通常，多用粉末冶金镍钢FN-0205零件替代SAE8620钢零件。虽然粉末冶金FN-0205钢可达到和SAE8620钢同样的表面显微硬度，但其淬透性差，这会减低零件实际承受载荷的能力。对于这类情况，零件生产企业必须依据对零件用途的全面分析，来确定这样替代是否合适。

图5　粉末冶金钢与常规锻钢顶端淬火淬透性曲线比较[5]

3　孔隙度对热处理的铁基粉末冶金材料疲劳强度的影响

H1Ferguson[5] 认为，近来，对一些铁基粉末冶金材料的疲劳试验的研究表明，孔隙度影响材料的疲劳强度。孔隙除减低粉末冶金材料的热导率外，孔隙也起到提高应力的作用。对于承受循环载荷的零件，使零件表层内形成合乎需要的压缩应力是很重要的。这也是热处理的作用与目的。零件表面层的残余压缩应力反作用于施加的拉伸应力，可导致零件的疲劳强度增高。

从表1所列8类铁基粉末冶金材料来看，其含碳量[化合碳(质量分数)]可分为两种，一为0.5%，一为0.8%。对于需要强度、硬度、耐磨性及疲劳强度较高，必须进行热处理的铁基粉末冶金零件，一般推荐化合碳含量为0.5%。这时，热处理工艺应规定炉子气氛的碳势为0.70%～0.75%(质量分数)，以使零件表面具有略高的含碳量，从而保证淬火时表面层能全部转变成马氏体。这是因为含碳量增高时，马氏体转变的温度(Ms)减低。当心部材料达到温度(Ms)时，产生马氏体相变，与之同时体积胀大，结果对淬硬的表面层作用以压力，形成残余压缩应力分布，心部相变越充分残余表面压缩应力就越大。

H1Ferguson 认为，倘若粉末冶金零件材料孔隙度过高，则淬透性相应地减低，这时零件心部就只能有部分转变为马氏体。这就使表层应力呈平衡状态；或者有可能呈残余拉伸应力状态，这种拉伸应力来源于外加载荷。结果，减低疲劳强度。因此，选择高强度铁基粉末冶金零件材料时，必须依据表1所示淬透性的数据来寻找合适的材料组成与密度，使选定的零件材料具有足够高的淬透性，以期使零件能全部产生马氏体相变。另外，还应使表面层充分渗碳硬化，以期在心部发生马氏体相变之前，其奥氏体就已全部转变成了马氏体。

另外，应该注意的是，当今，许多化合碳含量为0.8%(质量分数)的铁基粉末冶金材料也正在进行热处理。在这种场合，倘若在零件的烧结过程中未注意到防止表面脱碳，而这是经常发生的，则在零件表面层产生的应力就可能是拉伸应力，从而使零件易于疲劳失效。对于当前正在推广应用的烧结硬化钢，这一点是特别应该注意的。

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