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摘要：铁基粉末冶金零件用烧结－硬化处理，能得到和常规的热处理相同的显微组织与力学性能，从而可取消传统的将零件用间歇式加热炉重新加热奥氏体化－油淬火等作业，不但节能，而且可减低生产费用。
关键词：粉末冶金铁基零件；烧结硬化；淬透性
中图分类号：TF文献标识码： A
一、粉末冶金铁基零件的烧结以及热处理工艺
(一)烧结工艺
烧结实际是将压述在低于主要组分恪点的温度下进行的热处理。目的是使粉末颗粒问从机械喃合转变为原子之间的晶界结合。压还内部是粉末颗粒表面问机械压力下接触,而原子与原子之间结合的材料,需要通过烧结,使压还达到冶金结合的材料,使粉末冶金材料达到所需要的力学性能和物化性能。
图1烧结过程示意图
如图1所示,图1(a)是烧结前压述中粉末的接触状态,这种结合只是机械结合,粉末颗粒的界面仍然可区分可分离开。图1 (b)中粉末颗粒接触点的结合状态发生了改变,颗粒界面为晶界面所取代。随着烧结的进行,结合面增加,直至颗粒界面完全转变为晶界面,最后成为图1(C)所示的状态,颗粒之间的孔隙由不规则的形状转变为球形的孔隙。
粉末烧结是系统自由能降低的过程,换句话说,压还的内能高于烧结体的内能,其主要体现在:
(1)粉末颗粒的表面能。粉末压还具有很大的表面自由能,这种表面能随粉末颗粒的细化而增加。压还烧结后,颗粒表面消失,将会释放出较大的表面能,这也成为烧结的驱动能。
(2)粉末颗粒内部的畸变能。在混合和压制过程中粉末颗粒会发生变形而产生畸变,蕴藏着丰富的能量,这些能量液是烧结的驱动能。
由此可见,压还从热力学上来说是处于非常不稳定的状态。当内能高到一定的程度会发生自动烧结,但在一般情况下,体系的内能不足以驱动烧结进行,所以需要加热到某一温度才能进行烧结。
(二)热处理
与其他金属材料一样,我们同样可以通过热处理的方法改善粉末冶金材料力学性能。应用在粉末冶金材料中的热处理方法有:退火、正火、萍火、回火以及渗碳、渗氮等。但由于粉末冶金材料的特殊性,在选择热处理方法和工艺参数时,不可完全按照致密材料,必须进行调整适合粉末冶金零件的方法,否则零件不能得到加强,甚至会被毁坏。采用热处理改善粉末冶金零件性能的材料主要是铁基粉末冶金材料。
二、粉末冶金结构零件的淬透性
粉末冶金结构零件材料和我国GB255－63结构钢的末端淬火法都是来源于美国ASTMA255的末端淬火试验法。试验方法规定，采用的标准试样尺寸为φ25mm×100mm，将试样加热奥氏体化后，迅速放在末端淬火装置上(图2)喷水冷却。规定喷水管内径为φ12.5mm，试样末端与喷水口距离为12.5mm，水柱自由高度为65mm±10mm，喷水时间为10～12min。
将末端淬后的试样，沿轴线方向对二侧面各磨去0.2～0.5mm，形成二个相互平行的窄条平面。然后，从试样端面开始，每隔1.5mm，测定一HRC硬度值，即可得出一条沿试样轴线的硬度分布曲线，这就是材料的淬透性曲线，见图3。
图2末端淬火试验法示意图
(ａ)冷却速度的变化；(ｂ)硬度的变化曲線
图3试样的淬透性曲线
图4示粉末冶金FL－4605的末端淬火的淬透性曲线。从图4可以看出：
(1)粉末冶金零件材料的密度影响淬透性，密度越高，淬透性越高。
(2)在最接近末端处水柱的冷却速度最快，而在远离水柱的试样末端是在空气中缓慢冷却的。沿着试样的不同位置是在这二个极端之间，以中间速率冷却的。粉末冶金材料的多孔性，也影响其导热性，见图5。因此，在最接近试样末端处，由于冷却水进入孔隙之内，可能会加速冷却，而在远离淬火末端处，由于空气导热性低，又可能减缓冷却速率。
(3)从图中可以看出，当硬度低于30HRC或65HRA时，粉末冶金材料的表面硬度值将无法连续测定。因此，对粉末冶金材料的末端淬火试验改为了用HRA标度测定。HRA 标度采用的施加负载60Kg，而HRC使用的负载为150Kg。
图4密度对FL－4605末端淬火透性的影响
图5密度对FL－4605的导热性的影响
三、影响烧结－硬化冷却速率的因素
烧结－硬化的目的是，在烧结炉中烧结之后，在冷却阶段，使零件硬化。因此，在临界转变温度范围内，冷却速率最为重要。图6示圆柱形零件的淬硬层与冷却速率的关系。
图6圆柱形零件淬硬层与冷却速率的关系
从图6可以看出，冷却速率大于临界淬火速率Ｖｋ的一层形成马氏体组织，而冷却速率低于Ｖｋ的中心部分形成的是非马氏体组织。许多变量都影响烧结零件的冷却速率，诸如：炉子大小；使用的对流气体冷却系统与鼓风机的大小，以及热交换器的能力；炉子负载；零件的几何形状(厚度)与重量；烧结温度；转变区的长度；网带速度；气氛组成；炉子的冷却能力。
依据零件材料的合金组成(其决定合金的淬透性)，一般临界温度范围为316～538℃。为使较低的合金材料能进行转变，需要较快的冷却速率，诸如3.5℃／ｓ。改变炉子的作业参数时，诸如零件的负载或网带速度，可能会使炉内的冷却速率与产生临界温度的位置发生变化。这时，重要的是，要检验炉子的温度分布曲线图，来核对炉子是否在合适的温度范围内，达到了适用的冷却速率。
四、合金化方法对铁基粉末冶金结构零件材料淬透性的影响
铁基粉末冶金结构零件材料的力学性能与其显微组织，所含孔隙的数量、大小、分布及形态密切相关。为改进铁基粉末冶金材料的力学性能和增高其在热处理状态的淬透性或韧性，扩大粉末冶金零件的应用，研制出了各种合金化添加剂与合金化方法。当前，对于铁基粉末冶金结构零件材料，依据组成合金的方法，主要有四种合金化方法。
(1)混合法。将元素粉末或铁合金粉，以合金添加剂状，直接混合于基粉铁粉中，这是一种最常用与最便宜的合金化方法。鉴于粉末混合物在压制时，仍保持着基粉铁粉的压缩性，但其合金化程度，在烧结温度下，受到合金元素与铁相互扩散的一定限制，因此，最终形成的显微组织在化学性质上是不均一的。而且，这种粉末混合粉在输送与压制时，会产生扬尘与偏聚。
(2)部分合金化(或扩散合金化)法。为了改善用混合法制备的粉末混合粉的合金化添加剂的偏聚，开发了部分合金化法，即将粉末混合粉，用加热扩散的方法，使合金化添加剂粘结在铁粉颗粒上。这样就既基本上保持了基粉铁粉的压缩性，又改善了合金添加剂偏聚的状况。这种材料的显微组织，是由合金化程度较高的合金化颗粒粘结处形成的连续网络和合金化程度较小的颗粒心部组成。
(3)预合金化法。为解决部分合金化材料，合金化添加剂分布不均一的问题，开发了预合金化法，即在用水雾化法生产粉末时，将合金化添加剂(除碳外)添加到钢熔体(钢液)中，使钢液合金化。这样制备的雾化合金钢粉制造的零件材料，显微组织均一，甚至连微小压痕硬度都均一。但是，由于合金添加剂使生产的粉末颗粒固溶强化，因此，其可压缩性，和混合的与部分合金化的材料相比，有所减小。可是，用钼作为合金添加剂的预合金化粉末的压缩性和铁粉相近。
(4)混杂合金化法。随着高压缩性预合金化粉末出现，开发出了以这种预合金化为基粉，再用添加的元素粉末进一步合金化的混杂合金化合金材料。例如，得到广泛应用的材料FLN2－4400，就是在以0.85％(质量分数)Mo作为主要合金添加剂的预合金化基粉中，再添加２％(质量分数)Ni与0.4％～0.6％(质量分数)石墨制成的。
在粉末冶金件的烧结过程中，当烧结的零件从烧结带出来时，在给定的冷却速率下，烧结零件材料形成的显微组织决定其淬透性。一般而言，预合金化粉末的淬透性比混合的，部分合金化的好。
对烧结－硬化合金材料的基本要求是：
(1)淬透性好。比FLC－4608的淬透性好；
(2)压缩性高。在压制压力550MPa下，密度大于6.8g／cm3；
(3)可于1120℃下进行烧结。开发烧结－硬化合金材料的焦点在于，将合金添加剂的应用和他们对合金淬透性的协同作用最佳化相结合。对于铁基粉末冶金材料，这涉及到对合金元素(诸如镍、钼、锰及铬)的各种组合，锰与铬对淬透性影响显著，但他们和氧的亲合力强，使用受到限制。添加剂镍与铜的价格虽然比锰与铬高，但他们在氧化物在粉末退火时可以还原，同时预合金化的镍－钼钢粉可在1120℃下烧结。虽然，就淬透性而言，各种合金元素的作用是重要的，但每一种合金添加剂的加入数量都必须兼顾对淬透性的强化与对粉末材料压缩性的减小。在铁素体中具有强烈固溶强化作用的元素(诸如镍与锰)都减低粉末的压缩性。钼与铬的置换固溶强化作用比镍与锰弱。对于生产可压缩性好的粉末材料，与铁形成间隙固溶体的元素(诸如碳与氮)的含量，都必须保持在很低水平。
结语
粉末冶金铁基零件材料的力学性能都直接与其密度和显微组织相关。许多粉末冶金Kg零件，为了在表面层或整个零件形成回火马氏体显微组织，都要进行热处理。可用“烧结－硬Kg化”处理替代后续的淬火硬化作业。
参考文献
[1]丁厚福,李吉泉,郑治祥. 铁基粉末冶金材料的热处理[J]. 国外金属热处理,2002,03:39-41.
[2]李明威. 铁基粉末冶金材料感应烧结过程研究[D].南京理工大学,2012.
[3]王成福. 铁基粉末冶金材料的合金化与热处理[J]. 机械工程材料,1979,05:46-48.
关键词：粉末冶金铁基零件；烧结硬化；淬透性
中图分类号：TF文献标识码： A
一、粉末冶金铁基零件的烧结以及热处理工艺
(一)烧结工艺
烧结实际是将压述在低于主要组分恪点的温度下进行的热处理。目的是使粉末颗粒问从机械喃合转变为原子之间的晶界结合。压还内部是粉末颗粒表面问机械压力下接触,而原子与原子之间结合的材料,需要通过烧结,使压还达到冶金结合的材料,使粉末冶金材料达到所需要的力学性能和物化性能。
图1烧结过程示意图
如图1所示,图1(a)是烧结前压述中粉末的接触状态,这种结合只是机械结合,粉末颗粒的界面仍然可区分可分离开。图1 (b)中粉末颗粒接触点的结合状态发生了改变,颗粒界面为晶界面所取代。随着烧结的进行,结合面增加,直至颗粒界面完全转变为晶界面,最后成为图1(C)所示的状态,颗粒之间的孔隙由不规则的形状转变为球形的孔隙。
粉末烧结是系统自由能降低的过程,换句话说,压还的内能高于烧结体的内能,其主要体现在:
(1)粉末颗粒的表面能。粉末压还具有很大的表面自由能,这种表面能随粉末颗粒的细化而增加。压还烧结后,颗粒表面消失,将会释放出较大的表面能,这也成为烧结的驱动能。
(2)粉末颗粒内部的畸变能。在混合和压制过程中粉末颗粒会发生变形而产生畸变,蕴藏着丰富的能量,这些能量液是烧结的驱动能。
由此可见,压还从热力学上来说是处于非常不稳定的状态。当内能高到一定的程度会发生自动烧结,但在一般情况下,体系的内能不足以驱动烧结进行,所以需要加热到某一温度才能进行烧结。
(二)热处理
与其他金属材料一样,我们同样可以通过热处理的方法改善粉末冶金材料力学性能。应用在粉末冶金材料中的热处理方法有:退火、正火、萍火、回火以及渗碳、渗氮等。但由于粉末冶金材料的特殊性,在选择热处理方法和工艺参数时,不可完全按照致密材料,必须进行调整适合粉末冶金零件的方法,否则零件不能得到加强,甚至会被毁坏。采用热处理改善粉末冶金零件性能的材料主要是铁基粉末冶金材料。
二、粉末冶金结构零件的淬透性
粉末冶金结构零件材料和我国GB255－63结构钢的末端淬火法都是来源于美国ASTMA255的末端淬火试验法。试验方法规定，采用的标准试样尺寸为φ25mm×100mm，将试样加热奥氏体化后，迅速放在末端淬火装置上(图2)喷水冷却。规定喷水管内径为φ12.5mm，试样末端与喷水口距离为12.5mm，水柱自由高度为65mm±10mm，喷水时间为10～12min。
将末端淬后的试样，沿轴线方向对二侧面各磨去0.2～0.5mm，形成二个相互平行的窄条平面。然后，从试样端面开始，每隔1.5mm，测定一HRC硬度值，即可得出一条沿试样轴线的硬度分布曲线，这就是材料的淬透性曲线，见图3。
图2末端淬火试验法示意图
(ａ)冷却速度的变化；(ｂ)硬度的变化曲線
图3试样的淬透性曲线
图4示粉末冶金FL－4605的末端淬火的淬透性曲线。从图4可以看出：
(1)粉末冶金零件材料的密度影响淬透性，密度越高，淬透性越高。
(2)在最接近末端处水柱的冷却速度最快，而在远离水柱的试样末端是在空气中缓慢冷却的。沿着试样的不同位置是在这二个极端之间，以中间速率冷却的。粉末冶金材料的多孔性，也影响其导热性，见图5。因此，在最接近试样末端处，由于冷却水进入孔隙之内，可能会加速冷却，而在远离淬火末端处，由于空气导热性低，又可能减缓冷却速率。
(3)从图中可以看出，当硬度低于30HRC或65HRA时，粉末冶金材料的表面硬度值将无法连续测定。因此，对粉末冶金材料的末端淬火试验改为了用HRA标度测定。HRA 标度采用的施加负载60Kg，而HRC使用的负载为150Kg。
图4密度对FL－4605末端淬火透性的影响
图5密度对FL－4605的导热性的影响
三、影响烧结－硬化冷却速率的因素
烧结－硬化的目的是，在烧结炉中烧结之后，在冷却阶段，使零件硬化。因此，在临界转变温度范围内，冷却速率最为重要。图6示圆柱形零件的淬硬层与冷却速率的关系。
图6圆柱形零件淬硬层与冷却速率的关系
从图6可以看出，冷却速率大于临界淬火速率Ｖｋ的一层形成马氏体组织，而冷却速率低于Ｖｋ的中心部分形成的是非马氏体组织。许多变量都影响烧结零件的冷却速率，诸如：炉子大小；使用的对流气体冷却系统与鼓风机的大小，以及热交换器的能力；炉子负载；零件的几何形状(厚度)与重量；烧结温度；转变区的长度；网带速度；气氛组成；炉子的冷却能力。
依据零件材料的合金组成(其决定合金的淬透性)，一般临界温度范围为316～538℃。为使较低的合金材料能进行转变，需要较快的冷却速率，诸如3.5℃／ｓ。改变炉子的作业参数时，诸如零件的负载或网带速度，可能会使炉内的冷却速率与产生临界温度的位置发生变化。这时，重要的是，要检验炉子的温度分布曲线图，来核对炉子是否在合适的温度范围内，达到了适用的冷却速率。
四、合金化方法对铁基粉末冶金结构零件材料淬透性的影响
铁基粉末冶金结构零件材料的力学性能与其显微组织，所含孔隙的数量、大小、分布及形态密切相关。为改进铁基粉末冶金材料的力学性能和增高其在热处理状态的淬透性或韧性，扩大粉末冶金零件的应用，研制出了各种合金化添加剂与合金化方法。当前，对于铁基粉末冶金结构零件材料，依据组成合金的方法，主要有四种合金化方法。
(1)混合法。将元素粉末或铁合金粉，以合金添加剂状，直接混合于基粉铁粉中，这是一种最常用与最便宜的合金化方法。鉴于粉末混合物在压制时，仍保持着基粉铁粉的压缩性，但其合金化程度，在烧结温度下，受到合金元素与铁相互扩散的一定限制，因此，最终形成的显微组织在化学性质上是不均一的。而且，这种粉末混合粉在输送与压制时，会产生扬尘与偏聚。
(2)部分合金化(或扩散合金化)法。为了改善用混合法制备的粉末混合粉的合金化添加剂的偏聚，开发了部分合金化法，即将粉末混合粉，用加热扩散的方法，使合金化添加剂粘结在铁粉颗粒上。这样就既基本上保持了基粉铁粉的压缩性，又改善了合金添加剂偏聚的状况。这种材料的显微组织，是由合金化程度较高的合金化颗粒粘结处形成的连续网络和合金化程度较小的颗粒心部组成。
(3)预合金化法。为解决部分合金化材料，合金化添加剂分布不均一的问题，开发了预合金化法，即在用水雾化法生产粉末时，将合金化添加剂(除碳外)添加到钢熔体(钢液)中，使钢液合金化。这样制备的雾化合金钢粉制造的零件材料，显微组织均一，甚至连微小压痕硬度都均一。但是，由于合金添加剂使生产的粉末颗粒固溶强化，因此，其可压缩性，和混合的与部分合金化的材料相比，有所减小。可是，用钼作为合金添加剂的预合金化粉末的压缩性和铁粉相近。
(4)混杂合金化法。随着高压缩性预合金化粉末出现，开发出了以这种预合金化为基粉，再用添加的元素粉末进一步合金化的混杂合金化合金材料。例如，得到广泛应用的材料FLN2－4400，就是在以0.85％(质量分数)Mo作为主要合金添加剂的预合金化基粉中，再添加２％(质量分数)Ni与0.4％～0.6％(质量分数)石墨制成的。
在粉末冶金件的烧结过程中，当烧结的零件从烧结带出来时，在给定的冷却速率下，烧结零件材料形成的显微组织决定其淬透性。一般而言，预合金化粉末的淬透性比混合的，部分合金化的好。
对烧结－硬化合金材料的基本要求是：
(1)淬透性好。比FLC－4608的淬透性好；
(2)压缩性高。在压制压力550MPa下，密度大于6.8g／cm3；
(3)可于1120℃下进行烧结。开发烧结－硬化合金材料的焦点在于，将合金添加剂的应用和他们对合金淬透性的协同作用最佳化相结合。对于铁基粉末冶金材料，这涉及到对合金元素(诸如镍、钼、锰及铬)的各种组合，锰与铬对淬透性影响显著，但他们和氧的亲合力强，使用受到限制。添加剂镍与铜的价格虽然比锰与铬高，但他们在氧化物在粉末退火时可以还原，同时预合金化的镍－钼钢粉可在1120℃下烧结。虽然，就淬透性而言，各种合金元素的作用是重要的，但每一种合金添加剂的加入数量都必须兼顾对淬透性的强化与对粉末材料压缩性的减小。在铁素体中具有强烈固溶强化作用的元素(诸如镍与锰)都减低粉末的压缩性。钼与铬的置换固溶强化作用比镍与锰弱。对于生产可压缩性好的粉末材料，与铁形成间隙固溶体的元素(诸如碳与氮)的含量，都必须保持在很低水平。
结语
粉末冶金铁基零件材料的力学性能都直接与其密度和显微组织相关。许多粉末冶金Kg零件，为了在表面层或整个零件形成回火马氏体显微组织，都要进行热处理。可用“烧结－硬Kg化”处理替代后续的淬火硬化作业。
参考文献
[1]丁厚福,李吉泉,郑治祥. 铁基粉末冶金材料的热处理[J]. 国外金属热处理,2002,03:39-41.
[2]李明威. 铁基粉末冶金材料感应烧结过程研究[D].南京理工大学,2012.
[3]王成福. 铁基粉末冶金材料的合金化与热处理[J]. 机械工程材料,1979,05:46-48.