在鐵基粉末冶金零件生產(chǎn)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(xù)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(chǎn)業(yè)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(jīng)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(shù))，并且在圖1中的A3溫度以上呈奧氏體狀態(tài)。
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，最好是淬于溫油(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(jù)GB/T19076-2003“燒結金屬材料-規(guī)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(jù)零件斷面厚度，按每25.4mm回火1h。其目的是消除奧氏體轉變?yōu)轳R氏體與貝氏體時產(chǎn)生的內(nèi)應力?；鼗鹂蓽p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?yōu)轳R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(shù))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(shù))]。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。
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(jīng)過淬火-回火轉變成馬氏體，就必須依據(jù)材料的淬透性來選擇適當?shù)牟牧稀?
燒結鋼試棒是用霧化鐵粉混入0.90%石墨，經(jīng)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(yè)聯(lián)合會(MPIF)在1997年第一次發(fā)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(jù)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(shù))。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(shù)據(jù)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精確淬透性，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)最近的協(xié)調(diào)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(shù))時，熱處理的材料性能最好，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(chǎn)條件下燒結到密度為6.7g/cm3，淬火與回火的。
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?？紫冻郎p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(huán)載荷的零件，使零件表層內(nèi)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。
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?yōu)轳R氏體。這就使表層應力呈平衡狀態(tài)；或者有可能呈殘余拉伸應力狀態(tài)，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(jù)表1所示淬透性的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)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(shù))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(jīng)常發(fā)生的，則在零件表面層產(chǎn)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。
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(jīng)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(shù))，并且在圖1中的A3溫度以上呈奧氏體狀態(tài)。
圖1碳鋼的熱處理相圖
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，最好是淬于溫油(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(jù)GB/T19076-2003“燒結金屬材料-規(guī)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(jù)零件斷面厚度，按每25.4mm回火1h。其目的是消除奧氏體轉變?yōu)轳R氏體與貝氏體時產(chǎn)生的內(nèi)應力?；鼗鹂蓽p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?yōu)轳R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(shù))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(shù))]。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(guī)C-1080碳鋼的頂端淬火淬透性比較[2、3][nextpage]
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(jīng)過淬火-回火轉變成馬氏體，就必須依據(jù)材料的淬透性來選擇適當?shù)牟牧稀?
燒結鋼試棒是用霧化鐵粉混入0.90%石墨，經(jīng)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(yè)聯(lián)合會(MPIF)在1997年第一次發(fā)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(jù)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(shù))。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(shù)據(jù)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精確淬透性，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)最近的協(xié)調(diào)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(shù))時，熱處理的材料性能最好，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(chǎn)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)[nextpage]
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)
圖5粉末冶金鋼與常規(guī)鍛鋼頂端淬火淬透性曲線比較[5]
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?？紫冻郎p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(huán)載荷的零件，使零件表層內(nèi)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。
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?yōu)轳R氏體。這就使表層應力呈平衡狀態(tài)；或者有可能呈殘余拉伸應力狀態(tài)，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(jù)表1所示淬透性的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)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(shù))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(jīng)常發(fā)生的，則在零件表面層產(chǎn)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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