铁基粉末冶金零件烧结过程氧化、脱碳的原因及解决办法.pdf

第 1 8 卷第 5 期 2 0 0 8 年 l O月 粉末冶 金 工业 P oW DER M E TALLURGY I NDUS T RY Vo 1 ． 1 8 No ． 5 Oc t ． 2 0 0 8 铁基粉末冶金零件烧结过程氧化 、 脱碳 的原因及解决办法 丁华 堂 福建金 鑫钨业股份有限公司 ， 福建 龙岩 3 6 4 0 0 2 摘 要 本 文对铁 基粉 末 冶金 零件 在 不 同条 件 下烧 结 时 的 氧化 、 脱 碳 现 象进 行 了分 析 ， 表 明烧 结前期 的 氧化 主要是 由气氛 中的 C O 与 H O 所 引起 ， 而 烧 结后 期 的 氧化 则 主要 是 由于 冷却 水套 中进入 空气或渗漏所 引起的。加强密封 、 防止 泄漏并加 大保护 气体的流量 ， 增 大气氛 中 C O 的含 量 ， 是 防 止氧化 与 脱碳 的有 效措施 。 关 键词 铁基 粉 末 冶金 零 件 ； 烧结 ； 氧化 中图分 类 号 TF 1 2 5 ． 1 文献 标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 0 8 0 5 ～0 0 3 6 0 4 REA SON AND SOLU TI ON OF OXI DATI ON AN D DECARBONI ZATI ON OF I RoN BAS E P／ M PARTS DURI NG S I NTE RI NG DI NG Hu a - t a ng F u j i a n] i n x i n T u n g s t e n C o ． L t d L o n g y a n F u j i a n 3 6 4 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ox i d a t i o n a n d d e c a r b u r i z a t i o n o f i r o n b a s e P ／ M p a r t s d u r i n g s i n t e r i n g we r e s t u d i e d． The r e s u l t s i nd i c a t e d t h a t ox i da t i o n i n p r i or p e r i o r d of s i nt e r i ng wa s c a us e d by CO2 a nd H 2 O a nd i n l a t e r pe r i o d c a u s e d by t he a i r l e a ka ge i n wa t e r c o o l i ng s e t ． Re i nf o r c i ng t he a i r pr o o s e a l i n g t o pr e v e n t l e a ka g e， i nc r e a s i ng t he f l ow r a t e o f p r o t e c t i v e ga s a nd t he c o nt e n t o f CO i n a t mos phe r e a r e ma i n e f f e c t i ve m e a s ur e s ． Ke y wo r d s I r o n b a s e P／ M p a r t s ； S i n t e r i n g ； 0 x i d a t i o n 粉末冶金铁基零件烧结过程 的氧化和脱碳常 常 同时存 在 ， 在大 多数 情况 下 ， 氧化 时常 伴有 不 同程 度的脱碳发生 ， 氧化严重 时脱碳也严重 。常常会看 到 烧结 后 的铁基 零 件 表 面 出现 发 蓝 现 象 ， 或 者 烧 结 后的产品硬度值低于标准值 ， 金相 检验 时珠光体量 少 。造成产品外观和性能都不合格 ， 影 响了产品质 量 ， 同时 由于报废 而大 幅提高 了生产成本。对于氧 化 和脱碳 ， 许 多厂 家都 不知 如何 来加 以解 决 ， 有 些 厂 家试图在混料时增加石墨量， 企盼石墨的增加可以 抵消 氧化 时 的脱碳 ， 同 时 在 高温 下 起 到 碳 还 原 氧 的 作用 ⋯⋯。然而 ， 过量加碳 的结果带来孔 隙的增加 降低了产品的强度 ， 也 污染 了铁基体 ； 显然 ， 过量增 加石墨的副作用也是不容忽视 的。 本 文对 推 杆式 炉和 网带式 炉 烧结铁 基 零件 的过 程 作 了较 为深 入 的分 析 ， 找 到 了产 生 上 述 现象 的根 本 原 因 ， 氧 化脱 碳现 象得 到 了较好 的解 决 。 1 铁基粉末冶金零件烧结过程的氧化 、 脱碳现象对 产 品质 量 的影 响 铁 基零 件烧 结 过 程 的 氧化 分 为 三 种 第 一 种 为 烧结前期氧化， 第二种为烧结后期氧化 ， 第三种为混 收稿 日期 2 0 0 8 ～0 1 2 2 作者简介 丁华堂 1 9 6 5 一 ， 男 汉 ， 福建长汀人 ， 工程师 ， 主要从事粉末冶金工艺及其新产品开发 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 丁华堂 铁基粉末冶金零件 烧结过程氧化 、 脱碳 的原 因及解决 办法 3 7 合 型氧 化 。烧结 前期 氧化 指 压坯从 室 温到 脱蜡 前 的 氧化 ； 烧结后期氧化就是指烧结坯完成高温烧结后 在冷却区域 的氧化 。混合型氧化指产品在脱蜡前受 到前期 氧化 的影 响 ， 在 冷 却 阶 段 又 受 到后 期 氧化 的 影响， 即在整个烧结过程 同时受到前期 氧化 和后期 氧 化 的影 响 ， 是最 为 严重 的氧 化现 象 。 1 ． 1 压坯 从 室温 到脱蜡 前 的氧化 前 期氧 化 这类氧化现象通常在产 品出炉后看不到发蓝现 象 ， 表面 较为粗 糙 且无 金属 光泽 ， 硬度 通 常低 于标 准 值 ， 微观组织中珠光体少 ， 呈现严重的脱碳现象 ， 如 表 1所示 。 表 1 正常产品和脱碳产 品的组织与性 能 注 脱 碳 最 严 重 时 ， 在 金 相 上 看 不 到 珠 光 体 的存 在 。 1 ． 2烧 结后 期氧 化 这 种氧 化 现 象 对 于 推 杆 式 烧 结 炉 和 网 带 式 烧 结炉的烧结都是存在 的 ， 在 较低温度 、 短 时问氧化 时 ， 只是出现产 品表面 的发 蓝现象 ， 其 氧化是 表面 的， 脱碳也是在表层 ， 产 品性能几乎不降低 ， 这种类 型 的氧化 主要 影 响产 品 的外 观 质量 。当氧化 温度 较 高或氧化时间太长时产 品也会 出现严重的脱碳 、 脱 屑 、 严 重影 响产 品 的性 能 ， 最 终导 致 产 品报 废 。 1 ． 3混合 型 氧化 产 品同时经过烧结前、 后期的氧化后 ， 出炉后的 产品不仅硬度低 ， 外观呈现蓝色或黄色 ， 最严重时还 会 发生 表 皮脱 屑现 象 ， 经 这 类 氧 化 后 的产 品 大 多数 只能报 废 。 总之 ， 无论 是 哪种氧 化 ， 在氧 和铁 发生 化学 反应 的同时， 氧也会和碳发生化学反应而使铁 基零件脱 碳 ， 由于脱碳 的不均匀性 ， 使得 同一产品不同部位的 性 能差 异变 大而 影 响产 品质 量 。 2 粉末冶金铁基零件 在不 同设备 烧结 时的氧化情况 2 ． 1 在 推杆 式烧 结炉 中烧 结 在推 杆式 烧结 炉 中烧 结铁基 零 件 ， 前期 氧化 、 后 期氧化和混合型氧化都是有可能发生的。 推杆式烧结炉由送料推杆、 进料端、 炉体和冷却 水套组 成 。各 温 区 的温 度设 定 为 6 0 0 ℃、 9 6 0 ℃、 1 0 3 0 ℃ 、 1 0 8 0 ～ 1 1 2 0 ℃ ； 进 料 端 通 常 排 布 3盒 产 品， 加热 区排 布 1 6盒 产品， 冷却端排 布 8盒产 品。 实践表 明， 第 1盒产 品 沿推进方 向依次为第 1 、 第 2 、 第 3 ⋯⋯ 进炉 5 rai n后退 出， 大量 的水把整盒产 品浸湿 ； 第 2盒的水珠比第一盒少 ， 压坯表面有水汽 蒸发 ， 颜色呈稻草黄色； 第 3盒 内没有水珠 ， 压坯被 烘 干呈 深 黄色 。 在观 察冷却水箱 内铁基产 品的氧化现象 时发 现 ， 冷却 水 箱 的 内壁 附着 细 密 的水 珠 ， 产 品出炉 后 出 现间歇 性 的发蓝 现 象 ， 每 隔 4个 烧 结 盒 就会 有 一 盒 产品发生发蓝现象 。有 时还会 出现连续 的发蓝现 象 。 当然 ， 推杆式 炉存在着前、 后期 的氧化现象 ， 就 必然存在着两种现象一起 出现 的情况 ， 常可看到烧 结的产品不仅外观差 ， 性能也不合格 ， 这就是所谓的 混合 型 氧化 。 2 ． 2 在 网带式烧 结炉 中烧 结 网带 炉 的结 构 和 推杆 式 炉 有所 不 同 ， 它 是 由 网 带传送机构、 脱蜡段炉体、 烧结段炉体、 冷却水套组 成。有的网带炉用 R B O脱蜡装置代替脱蜡段炉体 以快速脱除成形剂 。实 际上 ， 在使用 网带式炉烧结 铁基产品时 ， 没有发现有类似 推杆式烧结炉那样的 冷凝水浸渍压坯的情况 ， 因此也就不存在烧结前期 的氧 化现 象 。而 出炉产 品 的发蓝 现象 却是 极 为常见 的， 也即频繁存在烧结后期氧化现象 。自然， 由于不 存在前期氧化现象 ， 因此也就不会发生混合型的氧 化 。 3 不 同的保护气氛对产品脱碳的影响 常见 的烧结保护气氛有发生炉煤气 、 氨分解气 体和氮基气氛。发生炉煤气难 以控制气氛的露点和 烧结 过 程 的碳 势 ， 使 得 烧 结 后 产 品难 以获 得 理 想 的 性能， 故现在 已很少采用。氢气是还原性气体， 它的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 粉末冶金工业 第 1 8卷 还原 能 力很 强 ， 氨分 解 和 氮 基 气 氛所 不 同 的是 氢 气 的含量 ， 并由此决定了气氛 的还原能力。分解氨含 7 5 H。 、 2 5 N。 _ 1 ] ， 而 氮 基 气 氛 中 含 氢 仅 1 0 一 1 5 ％； 很显然 ， 氨分解气体 的还原能力远远大于氮基 气氛。由于性质的不同， 其对铁基零件烧结过程 的 作用 也 就有所 不 同。 文献[ 2 ， 3 ] 指出， H 具有脱碳性 ， 干燥的氢气在 一 定 的条件下与钢中的碳化合生成 甲烷而被载体带 走 。生产实践中， 在分解 NH。 保护气氛下烧结铁基 产品 ， 混料时加入石墨量一般 为 1 ． 1 一1 ． 3 质 量分数 ， 在氮 基气氛下 烧 结则 只需添加 0 ． 6 ％ 一 0 ． 8 的石墨 质量分数 。显然 ， 分解氨对烧坯的脱 碳性要 比氮基气氛强得多。 4 对 氧化脱碳 原 因的分析 文献表明 ， 脱碳 的原因有以下几个方 面 1 水 和 处于 游离 状态 的石 墨化 合 生 成 二 氧 化 碳 气 体 约 5 0 0 ℃ 并被载体带走 ； 2 二氧化碳在一定温度下与 碳反应生成一氧化碳被载体 带走 。 3 氢在一定条 件 下与 碳化 合生 成 甲烷 被载 体 带 走 。 4 在 氧化 物 还原时也有部分碳参与反应而损耗 。在上述诸 因素 中， H O和 C O 是造成铁基零件氧化和脱碳 的主要 原 因。 硬 脂 酸锌 在 烧 结 时分 解 成 Z n O、 CO 、 H。 O 和 C H [ 1 ] ， 硬脂 酸锌 在 4 0 0 ℃时 分解 量达 到 8 0 。对 烧 结过 程气 氛 的分 析 表 明 ， 在 炉 体 的第 一 温 区 由于 硬 脂酸 锌 的分解 产 生 了大 量 的 水 和二 氧 化 碳 ， 在 炉 体的第二和第三温区， 残余的硬脂酸锌继续分解 ， 也 产生一定的水和二氧化碳 ； 氢还原氧化物 时也产生 一 定 的水 。 4 ． 1 前期 氧化 现象 的原 因分 析 对 推 杆式 烧 结 炉 来说 ， 保 护气 氛 是 由炉 子 的冷 却段通入并 同时分流流 向炉体和冷却段 的， 关 闭前 炉门后 ， 烧结过程产生 的废气 以及载体气 只能从进 料端的废气管排 出。而废气管无法将废气在 瞬间完 全 排尽 ， 但 如果将 废气 管 做得 很大 ， 其结 果将 造 成冷 却端的载体气全部抽到废气 出 口排 出， 使 冷却端处 于 负压 状态 而引 入 空 气 ， 导 致 冷 却段 的产 品严 重 氧 化 。因此 ， 推 杆 式炉 的结 构 注 定 了进料 端 变成 水 汽 聚集 的地方 。通 常压坯是在 常温状态送 人进料端 的 ， 当热 蒸汽 遇 刚进 炉 的冷 压 坯 时 冷凝 成 水 并 附着 在压坯上 ； 冷凝过程气压下降时， 混合气体又 自行充 填 ， 如 此循 环往 复 便 形 成 了 大量 的冷 凝 水 。随着 烧 结盒的推进 、 压坯不断被加热升温 ， 压坯 的氧化程度 不 断深 化 ， 脱碳 现象 也就 更加 严重 。 对 网带 式 烧结 炉来 说 ， 保 护 气 氛 的通 入 方式 和 推杆式烧结炉相 同， 但由于进料端是敞开的， 它能把 烧结过 程 产 生 的废 气 当然 也 包 括 水 蒸 气 及 时 排 出 ， 而压坯 也直 接 进 入 炉子 的加 热 区很 快 就被 加 热 了， 使得水蒸气没有机会在压坯上冷凝 。所 以， 在正 常情况 下 ， 用 网带 炉烧结 铁基 产 品 ， 不 会发 生烧 结前 期 的氧化 现象 。但 当进 料 口敞开 过 大时易 把 空气 引 入炉体 ， 或遇有强空气流进入炉体时 ， 同样会使炉体 里 的烧结 坯发 生氧 化并 脱碳 。由于 炉子不 可能 长 时 间在强风下工作 ， 这种瞬间的氧化应是轻微 的， 在氧 化铁还原时碳 的损失也就小得多 。由此可见 ， 网带 式炉 烧结 的氧 化脱 碳程 度远 比推 杆式 炉要 轻得 多 。 4 ． 2后 期氧 化现 象 的原 因分析 烧结炉都有冷却水箱 以冷却烧结坯 ， 烧结坯从 炉体的高温段进入到冷却水箱后 ， 由于本身的温度 高 ， 当冷却水箱 出现渗漏现象 时 哪怕 是轻微 的渗 漏 ， 渗出的水蒸 发形成水蒸气 ， 使产品氧化出现发 蓝现 象 。 推杆式炉 的后 炉 门只有在 出料时才 开启 。因 此 ， 在正常情况下空气不会进入到冷却水套 内， 氧化 的现 象也 就不 会 发 生 。但 当炉 门开 启 时 间较 长 时 ， 在 炉子 冷却段 的内壁上 会 看到 细密 的水珠 。这是 由 于氢氮混合气体 的密度 H 密度 为 0 ． 0 8 9 g ／ L、 N 密度 为 1 ． 2 5 g ／ L 低 于 空 气 的 密 度 空 气 密 度 为 1 ． 2 9 3 g ／ L ； 开启炉门后 ， 氢氮混合气浮于冷却段上 方 ， 空气 自下方引人炉内 ， 空气中的水汽在水套内壁 的特 定 区域冷凝 形 成 水 珠 ， 在 热 烧 坯 经 过 时 汽化 并 氧化 烧坯 。通 常 ， 烧 结 盒 每 隔 1 5 mi n推 进 一 次 ， 每 小时开启一次后 炉门出料 。因此每隔四盒就会有一 盒产 品产 生发 蓝 ， 显 然是 开 启 炉 门时 空 气 进 入 炉 内 的结 果 。 对网带式炉而言 ， 由于没有封闭的后炉门， 它的 出料端只是安装 了多层耐火帘 以阻隔空气进入 炉 内。当新 的耐火帘使用 一段时 间磨损 后形成缺 口 时 ， 空气就由此进入冷却段 ， 这种情况同样能看到冷 却段 内壁 的冷凝 水 ； 应 当说 明 的是 ， 对 于 网带 炉这种 由耐火帘破损而形成的缺 口不会像推杆式炉开启出 料炉门那么大 ， 因此进入冷却段的空气是有限的 ， 它 会 造成 产 品氧化 而发 蓝 ， 但 不 致 于 给 产 品 带来 严 重 的氧化 。所以在网带式炉 中烧结铁基产 品时， 轻度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 丁华堂 铁基粉末冶金零件烧结过程氧化、 脱碳 的原因及解决 办法 3 9 的后期 氧化 是 比较 常见 的 。 5 氧化脱 碳问题 的解决办法 出来 ， 有 效 的防 止 空气 进 入 炉 子 。四是 在 出料 炉 门 设置 火 帘 以阻隔 空气进 入 炉 内 。五 是在 出料 操作 过 程 中尽 量缩短 开启 后 炉 门 的时 间 ， 减 少 空 气 进 入 炉 体 的机会 。 当炉 内保 护气氛露点低且气 压大于大气压力 对网带式烧结炉而言 ， 要解决好氧化脱碳 问题 ， 时， 空气就不会进人炉内氧化烧结坯 ， 当炉内的水蒸 首先要保护好出料端的耐火帘并定期更换 ； 其次 ， 根 气和二氧化碳被及时排出炉外时， 就不会发生压坯 据烧结的产品高度调整好进、 出料炉口的敞开大小 ， 在烧结前期的氧化现象。 使保护气氛在充满炉腔后才溢 出炉外， 避免空气 进 对于推杆式烧结炉而言， 要解决好氧化脱碳 问 入炉膛。再次 ， 在操作网带炉时要注意防猛风吹 ， 不 题 ， 一 是在前 后 炉 门关 闭 的前 提下 ， 加 大保 护气 氛 的 让空 气从 前 、 后 端 炉 口进入 炉体 氧化 烧结 坯 。 流量， 使烧结过程产生 的水蒸气和二氧化碳及 时排 使用氨分解气体作保护气氛时， 可在气氛 中添 出； 二是尽可能缩短进料端 的长度以减少料盒 的数 加一定量的 C O气体 以抵消氢 的脱碳作用 ， 这样还 量使压坯尽快加热 ， 或者把压坯连同料盒一起预热 可以减少混料时的石墨加入量 ， 减轻石墨对基体组 到 8 0 ℃左右再进入炉子 ， 使炉 内没有冷态 物质， 让 织的污染 。 水蒸气始终保持气态从废气 出 口排 出， 避免水蒸气 推杆式炉采取上述措施后， 烧结出的铁基零件的 在压 坯上 冷凝 。三是 在开 启后 炉 门 出料 时应 减少 废 性能有 了很 大 的改 善 ， 避 免 了脱 碳 现象 的发 生 ， 稳定 气出口的气体排放量 ， 让更多的保护气体从 出料 口 了产品质量 。产品的性能和金相组织如表 2所示。 表 2推杆式炉采用改善措施前后 的产 品硬度与金相组织 正常产品 解决办法实施后烧结 的产 品 ． 压坯密度 相成分／ ％ 相成 分／ ％ ／ g c 3 H B珠光体铁素体 游 F 离 e3 石 C 墨 硬度 HB 珠 光体 铁 素体 F 。 C 游离石墨 Fe 一 1 ．2 C 6 ． 3 6 O Fe 一 1 ． 5 C 6 ． 3 7 0 Fe 一 2 ． 5 CU一 1 ． 5 C 6 ． 4 1 0 0 余 2 5 8 5 8 6 结论 1 C O 和 H O是 造 成 压 坯 烧 结 前期 氧化 、 脱 碳 的主要 原 因 。 2 烧结后期氧化是 由于空气进入冷却水套或 是冷却水套发生冷却水渗漏造成 的。 3 经 生产 实践 充 分证 明 ， 采 取本 文所 述 的措施 能很好 的解决各种氧化、 脱碳问题 。 参 考 文献 [ 1 3 粉末冶金工艺学 ．北京 科学普及出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 王曾隽 ．普通化 学 ．北 京钢铁 学 院无 机化 学教研 室 ， 1 98 8 ． [ 3 ] 韩 凤麟 ．粉末冶 金设备 实用手 册 ．北 京 冶金工 业 出 版 社 ， l 9 9 7 2 3 6 2 3 8 ． 网 络 信 息 “ 空中公 共汽 车’ ’ 飞机 中首次使用金属注射成形零件 中 图分类号 T F 1 2 4 ． 3 9 文 献标识 码 D 2 0 0 7年 1 0月“ 空中公共汽车” A3 8 0型飞机在新加坡航空公司首次投入商业飞行 。在 A3 8 0型飞机的制 造中首次使用了金属注射成形零件 ， A3 8 0型飞机使用的金属注射成形零件是 由位于英国奥尔特林彻姆市的 金属注射成形有限公司采用 3 1 6 L不锈钢制造而成 ， 这些金属注射成形零件被应用于组装 A3 8 0型飞机 中使 用的微动开关。一个金属注射成形零件可替代原微动开关 中的 1 1个部件 ， 一套 金属注射成形零件可替代 A3 2 O飞机中使用的 2 2 个零件 ， 使用金属注射成形零件减少 了购买、 储存和组装 的费用。信息摘译 自 国际 粉 末注 射成 形 网站 h t t p ／ ／ ww w． p i m- i n t e r n a t i o n a 1 ． c o m／ i n d u s t r y n e ws ／ 0 0 0 3 1 7 ． h t ml 2 0 0 8 1 1 ／ 2 0 0 8 5 1 路讯 1 3 3 余 余 余 5 5 0 8 8 9 一 一 一 0 O 5 8 8 8 O 0 5 3 8 8 1 一 一 一 0 5 O 7 7 2 l O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m