鐵基粉末冶金零件熱處理

在鐵基粉末冶金零件生產中，零件材料必須具有的許多性能與組織結構都是在燒結過程中形成的，但其中一些性能只有通過后續熱處理，才能得到改進與完善。因此，熱處理對于鐵基粉末冶金零件產業是極其重要的一項技術。

鐵基粉末冶金零件的熱處理原理，雖然和成分相同的鑄鍛零件相同，但由于粉末冶金零件具有一定量孔隙度與合金化元素的微觀分布可能不均一，因此，粉末冶金零件的熱處理工藝可能有所不同。關于孔隙度對鐵基粉末冶金零件材料熱處理性能的影響，經幾十年的探索與實踐，已有較清楚地認識，摘要介紹如下。

1孔隙度對鐵基粉末冶金零件整體淬火的影響

大部分鐵基粉末冶金零件，為了增高強度、硬度及耐磨性，都需要進行整體淬火，即淬火與回火。需要進行整體淬火的鐵基粉末冶金零件，其化合碳含量應≥0.3%(質量分數)，并且在圖1中的A3溫度以上呈奧氏體狀態。

 
圖1碳鋼的熱處理相圖

鐵基粉末冶金零件的整體淬火由以下3道工序組成:

奧氏體化。在具有和化合碳含量相當碳勢的保護性氣氛下，將零件加熱到高于A3溫度，通常為850℃，并保溫一定時間，其長短視零件形狀及尺寸而定。諸如30min，使之奧氏體化。

淬火。從奧氏體化溫度或稍低，但仍高于A3的溫度，將零件淬于油或水中，使奧氏體轉變成硬且脆的馬氏體或貝氏體。對于鐵基粉末冶金零件，*好是淬于溫油(50℃)中，這是因為粉末冶金零件具有孔隙度，淬火冷卻速度太快時，零件可能開裂。另外，采用鹽水淬火時，淬火后，存留于孔隙中的鹽水會導致零件嚴重腐蝕。

回火。依據GB/T19076-2003“燒結金屬材料-規范”鐵基粉末冶金零件通常是在180℃(燒結鎳鋼為260℃)下回火，回火時間通常是依據零件斷面厚度，按每25.4mm回火1h。其目的是消除奧氏體轉變為馬氏體與貝氏體時產生的內應力。回火可減小馬氏體與貝氏體的脆性，提升零件材料的韌性。

1.1孔隙度對粉末冶金Fe-C材料淬透性的影響

淬透性的定義是，快速冷卻時，在一給定深度，材料試樣從奧氏體轉變為馬氏體的能力。淬透性通常是用頂端淬火法測定的。為測定燒結碳鋼的淬透性，由水霧化鐵粉與0.9%(質量分數)石墨粉的混合粉，用壓制-燒結制成Φ80mm×高30mm，密度為6.0～7.1g/cm3的坯料[化合碳0.8%(質量分數)]。再由坯料切削加工成頂端淬火試樣，于870℃，在中性氣氛中，奧氏體化30min后水淬。從淬火端每隔2.5mm測定一次表觀硬度HRA。同時，還和由C-1080鍛鋼切削加工的頂端淬火試樣進行了對比。試驗結果示于圖2。

 
圖2燒結碳鋼與常規C-1080碳鋼的頂端淬火淬透性比較[2、3]

從圖2可看出，材料試樣的密度(即孔隙度)對淬透性有若干影響。首先，孔隙度減低材料的熱導率，這是因為孔隙中充滿空氣，而空氣的熱導率比鋼小。另外，由于硬度壓痕和材料基體中的孔隙度相關，從而也影響測定的硬度值。圖2還表明，淬透性差不多隨著燒結鋼材料密度增大呈直線性增高。因此，在設計-具有給定材料密度的粉末冶金碳鋼零件時，對于選擇使零件橫截面能全部轉變成馬氏體的合適材料組成，圖2是有用的。

1.2鐵基粉末冶金材料的淬透性標準

在設計-鐵基粉末冶金零件時，要想使粉末金零件的橫截面經過淬火-回火轉變成馬氏體，就必須依據材料的淬透性來選擇適當的材料。

燒結鋼試棒是用霧化鐵粉混入0.90%石墨，經壓制、燒結而成，密度為6.0～7.1g/cm3。

于870℃在中性氣氛中奧氏體化30min后水淬。從淬火端每隔2.5mm測量一點

就鐵基粉末冶金材料而言，除上述的孔隙度影響材料的淬透性外，添加于材料中的合金化元素，諸如銅、鎳、鉬等，也影響材料的淬透性。美國金屬粉末工業聯合會(MPIF)在1997年*次發布了鐵基粉末冶金材料的淬透性標準，見表1。這個標準是依據ASTMA255頂端淬火試驗方法標準制定的。

硬度與深度的關系曲線是用HRA硬度標尺作出的。端淬深度是指在試樣上從淬火端到硬度值低于65HRA處的深度(每間隔1.6mm(1/16英寸)取一硬度讀數)。倘若試樣表面的硬度未達到65HRA，則將其端淬深度(深度J)列為<1。J65若為2，就表明端淬深度為2×1.6mm=3.2mm。鑒于表2中列出的淬透數據都是用表觀硬度測定的，因此，測定的結果中也包括密度的影響。綜上所述，要想得到粉末冶金材料的*淬透性，必須對材料在同一密度條件下進行比較。

2合金含量對鐵基粉末冶金材料淬透性的影響

美國評定MPIF標準35“粉末冶金結構零件材料標準”中的材料熱處理性能的粉末冶金技術中心(CPMT)*近的協調工作證實，燒結零件名義組成的含碳量(指化合碳)為0.5%(質量分數)時，熱處理的材料性能*好，隨著燒結體密度與合金含量增高，其可進一步減小。含碳量較高的零件淬火時，變形、脆化及淬裂的幾率增大。圖3示二種預合金化粉末冶金鋼的這種效應與化合碳含碳增高的關系。圖4示，由于添加銅與鎳，粉末冶金材料淬透性的改進。圖4中所示4種組成的試樣都是在生產條件下燒結到密度為6.7g/cm3，淬火與回火的。

 
圖3合金化燒結鋼FL42××與FL46××的含碳量對抗拉強度的影響。燒結鋼密度7.16g/cm3。
(1Ksi=6.985MPa)

圖4中的數據表明，銅可有效增高表面淬硬性，但只能適度增大淬透性。同時添加鎳時，可進一步增大淬透性，但表面淬硬性增高不大。

 
圖4銅含量和鎳含量對燒結鋼淬透性的影響(試棒材料密度6.7g/cm3)

對3種燒結體密度為7.0g/cm3的鐵基粉末冶金材料和選擇的3種常規鍛鋼進行的頂端淬火對比試驗研究結果示于圖5。通常，多用粉末冶金鎳鋼FN-0205零件替代SAE8620鋼零件。雖然粉末冶金FN-0205鋼可達到和SAE8620鋼同樣的表面顯微硬度，但其淬透性差，這會減低零件實際承受載荷的能力。對于這類情況，零件生產企業必須依據對零件用途的全面分析，來確定這樣替代是否合適。

 
圖5粉末冶金鋼與常規鍛鋼頂端淬火淬透性曲線比較[5]

3孔隙度對熱處理的鐵基粉末冶金材料疲勞強度的影響

H1Ferguson[5]認為，近來，對一些鐵基粉末冶金材料的疲勞試驗的研究表明，孔隙度影響材料的疲勞強度。孔隙除減低粉末冶金材料的熱導率外，孔隙也起到提高應力的作用。對于承受循環載荷的零件，使零件表層內形成合乎需要的壓縮應力是很重要的。這也是熱處理的作用與目的。零件表面層的殘余壓縮應力反作用于施加的拉伸應力，可導致零件的疲勞強度增高。

從表1所列8類鐵基粉末冶金材料來看，其含碳量[化合碳(質量分數)]可分為兩種，一為0.5%，一為0.8%。對于需要強度、硬度、耐磨性及疲勞強度較高，必須進行熱處理的鐵基粉末冶金零件，一般推薦化合碳含量為0.5%。這時，熱處理工藝應規定爐子氣氛的碳勢為0.70%～0.75%(質量分數)，以使零件表面具有略高的含碳量，從而保證淬火時表面層能全部轉變成馬氏體。這是因為含碳量增高時，馬氏體轉變的溫度(Ms)減低。當心部材料達到溫度(Ms)時，產生馬氏體相變，與之同時體積脹大，結果對淬硬的表面層作用以壓力，形成殘余壓縮應力分布，心部相變越充分殘余表面壓縮應力就越大。

H1Ferguson認為，倘若粉末冶金零件材料孔隙度過高，則淬透性相應地減低，這時零件心部就只能有部分轉變為馬氏體。這就使表層應力呈平衡狀態；或者有可能呈殘余拉伸應力狀態，這種拉伸應力來源于外加載荷。結果，減低疲勞強度。因此，選擇高強度鐵基粉末冶金零件材料時，必須依據表1所示淬透性的數據來尋找合適的材料組成與密度，使選定的零件材料具有足夠高的淬透性，以期使零件能全部產生馬氏體相變。另外，還應使表面層充分滲碳硬化，以期在心部發生馬氏體相變之前，其奧氏體就已全部轉變成了馬氏體。
另外，應該注意的是，當今，許多化合碳含量為0.8%(質量分數)的鐵基粉末冶金材料也正在進行熱處理。在這種場合，倘若在零件的燒結過程中未注意到防止表面脫碳，而這是經常發生的，則在零件表面層產生的應力就可能是拉伸應力，從而使零件易于疲勞失效。對于當前正在推廣應用的燒結硬化鋼，這一點是特別應該注意的。

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