粉末冶金材料的熱處理工藝

寇充滿 安春輝

1.西部寶德科技股份有限公司，陜西西安 710201；2.西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司，陜西西安 710201

粉末冶金材料在汽車、生活用品、裝備制造行業的應用非常廣泛，正在逐步取代低強度、低密度、低硬度的鑄鐵材料，而隨粉末冶金材料技術水平的不斷提升，其應用于高精度零件的前景非常廣闊。其中，粉末冶金材料的熱處理工藝水平是造成粉末冶金材料物理性能存在差異的主要問題之一，造成粉末冶金材料仍舊存在一定的缺陷。而為了擴大粉末冶金材料的應用，必須采取有效措施提高熱處理工藝水平，提高粉末冶金材料的性能。

1 粉末冶金材料概述

1.1 粉末冶金材料的分類

傳統粉末冶金材料包括鐵基粉末冶金材料、銅基粉末冶金材料、難熔金屬材料、硬質合金材料、粉末冶金電工材料、摩擦材料、減摩材料幾種類型。鐵基粉末冶金材料是最基本、最傳統的材料，主要應用于汽車制造業，當前其應用范圍和需求量正在逐步擴大；銅基粉末冶金材料抗腐蝕性好、表面光滑、沒有磁性干擾，主要用于電工器件、設備零件等制造業；難熔金屬材料的熔點、硬度、強度均處于較高水平，主要被用于國防、航空航天、科研領域；硬質合金材料由一種或多種難熔金屬經碳形成，具有高熔點、高硬度、高強度的特點，多用于切削領域；粉末冶金電工材料主要用于電氣行業，其中，電阻器件的主要材質就是此類材料，這種材料對真空技術中的電力管陰極、電加熱元件具有顯著作用；摩擦材料具有較強的摩擦磨損性能，能實現各個元件間的動力阻斷與傳遞，實現物質的減速、停止；減摩材料摩擦系數較低、耐磨性較高，還具有較強的自潤滑性能，主要用于金屬鑄造領域和塑料減摩材料領域[1]。

現代粉末冶金材料主要分布于信息領域、能源領域、生物領域。其中，軟磁材料就是信息領域粉末冶金材料的主要類型，其又分為鐵氧體軟磁材料、金屬軟磁材料，具有較強的飽和磁化性能與導磁率；能源領域的粉末冶金材料有效促進了新能源的發展，不僅是當前新能源發展的關鍵組成部分，還是新能源材料發展的重要前提與基礎，新能源材料發展的主要方向包括電池、氫能、太陽能等多個方面，能源領域的粉末冶金材料應用范圍會逐漸變的廣闊；生物領域的粉末冶金材料能夠有效改善人們的健康狀況，大大提高了人們的生活質量。

1.2 粉末冶金材料熱處理效果的影響因素

粉末冶金材料的燒結孔隙產生不可避免，這種孔隙給材料的熱處理效果帶來了較大影響，特別是材料孔隙率的變化會影響熱處理效果的變化，而通過加入一定的合金元素能夠改善粉末冶金材料的致密性與晶粒度。文章對粉末冶金材料熱處理效果的影響因素進行簡單分析。

1.2.1 孔隙影響熱處理過程

粉末冶金材料熱處理過程中，需要通過快速冷卻抑制奧氏體擴散，進而獲取馬氏體，但是粉末冶金材料孔隙的存在會影響材料散熱性能。根據導熱率公式可知，淬透性會隨材料孔隙率的降低而提升，另外，孔隙會降低材料密度，直接影響粉末冶金材料熱處理表面硬度及淬硬深度數值，同時與材料密度存在關聯，容易降低材料表面硬度，并且由于孔隙的存在，淬火不能使用鹽水作為介質，必須避免其造成腐蝕，多在真空或其他氣體介質中進行[2]。

1.2.2 孔隙率影響表面淬硬深度

粉末冶金材料熱處理成效與材料滲透性、密度、導熱性、電阻特性都有關聯，而這些因素的出現都是由于孔隙率的存在，當孔隙率超過一定數值后就會通過孔隙進行滲透，影響到粉末冶金材料的滲碳硬化，增加滲碳深度，降低表面硬化效果；并且若滲碳氣體滲入過快，粉末冶金材料容易在淬火過程中出現軟點，直接降低表面硬度，造成材料出現脆變、變形等問題。

1.2.3 合金含量及類型影響處理效果

常見的合金元素是銅、鎳，在粉末冶金材料中，這兩種元素的含量、類型都會影響材料熱處理效果。粉末冶金材料的熱處理硬化深度會隨銅、碳含量增加逐漸升高，達到一定標準后又會逐步降低，而含有鎳合金的粉末冶金材料剛度大于含有銅合金的粉末冶金材料，但是前者的不均勻性會造成粉末冶金材料奧氏體組織出現不均勻的問題。

1.2.4 高溫燒結對熱處理效果的影響

粉末冶金材料的高溫燒結能夠獲取最佳的合金效果，并提升粉末冶金材料的致密化，但是由于現場處理過程中燒結溫度存在差異，會出現不同結果，特別是較低的燒結溫度情況下，粉末冶金材料的熱處理敏感性降低，減少固溶體中的合金含量及其機械性能，所以高溫燒結過程中要注意添加還原氣體進行輔助，以便獲取較好的熱處理效果[3]。

2 粉末冶金材料的熱處理工藝分析

粉末冶金材料的熱處理工藝需要結合材料化學成分、晶粒度等進行確定，其中，材料孔隙是一項非常重要的參數，在壓制和燒結粉末冶金材料的過程中，整個部件孔隙貫穿其中，其存在會直接影響熱處理工藝方式的選擇和最終的熱處理工藝效果。較為常用的粉末冶金材料熱處理工藝形式包括：淬火處理、蒸汽處理、化學熱處理、特殊熱處理，現就這幾種方式進行簡單分析。

2.1 淬火處理

由于粉末冶金材料中存在孔隙，影響其傳熱速度，低于致密材料的傳熱速度，在進行淬火處理過程中，其淬透性相對較差。并且，在粉末冶金材料淬火時，其燒結密度與材料導熱性能成正比，粉末冶金材料由于燒結工藝與致密材料的差異，其整體均勻性比致密材料要好，部分小型微觀區域的不均勻性存在差異，因此，完全奧氏體化的時間相對要長，在增加了合金元素后，完全奧氏體化的溫度變高、周期變長。

為提高粉末冶金材料的熱處理工藝中的淬透性，一般會加入鎳、鉬、錳、鉻、釩等合金元素，其與致密材料中的存在作用、機理是一致的，能夠顯著細化晶粒，若其溶于奧氏體后能夠有效提升冷奧氏體的穩定性，確保淬火處理過程中的奧氏體轉化，提高淬火材料表面硬度，增加淬硬深度。在粉末冶金材料淬火處理完成后會進行回火處理，其溫度對控制粉末冶金材料性能影響較大，需要根據相應的材料特征來確定對應的回火溫度，努力降低回火脆性的不利影響[4]。

2.2 蒸汽處理

使用蒸汽對粉末冶金材料進行熱處理，可以使得材料表面氧化，然后在粉末冶金材料的表層形成氧化膜，只有這樣才能達到改善粉末冶金材料性能的目的，特別是對于粉末冶金材料的防腐性能來說，相較于發藍處理具有更好的效果和更長的壽命，受到蒸汽氧化處理后的粉末冶金材料的硬度、耐磨性等方面都會顯著增加。

2.3 化學處理

粉末冶金材料的化學處理過程中一般出現分解、吸收、擴散三個過程，如：滲碳熱處理就是通過一氧化碳與碳、二氧化碳之間的轉化進行放熱，然后通過甲烷與碳、氫之間的轉化進行吸熱，在這個過程中，碳被分解出來后，被金屬吸收，然后逐步向其內部擴散，當粉末冶金材料表面的碳濃度滿足相應標準后再進行淬火、回火處理，能夠大大提升粉末冶金材料表面硬度，以及材料整體的淬硬深度。由于粉末冶金材料密度越高、孔隙效應越弱，化學熱處理效果越差，因此，需要使用還原性氣體進行保護，結合粉末冶金材料孔隙的特征可知：其加熱、冷卻的速度都是低于致密材料的，加熱過程中要注意延長保溫時間，提供加熱的溫度數值。

粉末冶金材料的化學處理包括多元共滲、滲氮、滲碳、滲硫幾種方式，在進行化學處理過程中，材料的淬硬深度與材料密度有很大關系，所以在進行粉末冶金材料的熱處理工藝過程中采取相應措施，如采用適當延長時間的方式進行處理，以便更好地提升材料的硬度和耐磨性。

2.4 特殊處理

粉末冶金材料的特殊熱處理工藝包括激光表面硬化、感應加熱淬火等多種新型技術類型。激光表面硬化的特殊熱處理工藝借助激光作為熱源對金屬表面進行快速升溫、冷卻，促使奧氏體晶粒內部結構無法及時恢復成結晶狀態，從而獲取相應的超細結構；感應加熱淬火的特殊熱處理工藝利用高頻電磁感應渦流，大幅提升材料加熱溫度，顯著增加其表面硬度，但是在處理過程中容易存在軟點，可以采取間斷加熱的方式來延長材料奧氏體化的周期。

3 結語

粉末冶金材料的熱處理工藝是一項復雜的反應過程，其熱處理工藝水平與燒結溫度、合金元素含量、孔隙率、合金類型等都存在關聯，材料整體的內部均勻性較差，要想獲得良好的淬透性，必須延長相應的處理時間，并加入合金元素。因此，要想擴大粉末冶金材料的應用范圍必須在當前技術條件下找出最為適宜的熱處理工藝模式，以便滿足工業發展需求。