铁基粉末冶金零件蒸汽处理质量影响因素的研究.pdf

第 3 2卷第 6期 2 0 1 4年 l 2月 粉末 冶金 技术 Po wde r M e t a l l ur g y Te c hno l o g y Vo 1 ． 3 2．No ． 6 De c ． 2 01 4 铁基粉末冶金零件蒸汽处理质量影响因素的研究 毛 增 光 孙 志 月 刘 莹 东睦粉末 冶金 有限公司技术研发 中心 ， 天津 3 0 0 3 8 5 摘要 蒸汽处理广泛应用 于粉末 冶金零件的表面处理 ， 可以大幅度改善零件 的表观状态 ， 提高材料的综合 性能 。本文从温度 、 时间 、 成 形密度 、 装包位 置 、 机加工等方 面对铁基 粉末冶金 零件蒸汽处 理质量 的影响 因素 进行 了研究 。为粉末冶金产 品质量的提高和生产过程 中的工艺 优化提供依据 。 关键词 蒸 汽处 理 ； 粉末冶金 ； 温度 ； 时间 ； 密度 St ud y o n i nflue nt i a l f a c t o r s o f S t e a m Tr e a t me nt q ua l i t y o n Fe r r o u s P／ M Pa r t s M a o Ze ng g uang， S un Zhi yue， Li u Yi n g NB T M P o w d e r Me t a l l u r g y CO． ， L T D． ，T i a n j i n 3 0 0 3 8 5，C h i n a Abs t r ac t St e a m t r e a t me nt i s wi de l y us e d i n s u r f a c e t r e a t me nt o f p o wd e r me t a l l u r g y p a r t s t o i mp r o v e t h e me c ha n i c a l p r o p er t i e s，a nt i r u s t f un c t i o n a nd g a s s e a l i n g p r o p e r t i e s ．The i n flue n c e f a c t o r s o f s t e a m t r e a t me n t q u a l i t y o n i r o n b a s e d P／M p a r t s we r e s t u d i e d f r o m t h e t e mp e r a t u r e，t i me，g r e e n d e n s i t y， p a c k a g e l o c a t i o n a n d me c ha ni c a l p r o c e s s i n g a s pe c t s t o p r o v i d e a ba s i s f o r t h e q u a l i t y i mpr o v i n g a nd pr o c e s s o pt i mi z a t i o n i n p r o d uc t i o n ． Ke y wo r dss t e a m t r e a t me n t ；po wde r me t a l l u r g y； t e mpe r a t u r e；t i me；d e n s i t y 铁 基粉 末 冶金零 件 基体组 织 内含 有一 定量 的微 d , f L 隙， 具有硬度低 、 耐腐蚀性和气 密性差 的特点。 蒸 汽处 理 S t e a m T r e a t m e n t ， 简 称 S T 作 为 一种 粉 末 冶金 材料 后处 理 工 艺 ， 是 将 铁 基 粉末 冶 金零 件 放 在 过热 、 过饱和的水蒸汽 中加热氧化 ， 使其外表面和内 部 网状孔 隙 的表 面上 生成 一种 坚硬 且致 密 能够 与铁 基体结合牢固的四氧化三铁层 ， 可以显著地提高产 品硬 度 、 耐 蚀 性 、 耐 磨 性 以及 气 密 性 等 性 能 指 标 一 。 1 试验 本 试 验研 究 对 象 为 密 度 6 ． 9 g ／ e m 的法 兰 ， 主 要实验设备为井式蒸汽处理炉 、 德国蔡氏金相显微镜 和 电子分 析天平 等 。采用 两段 式蒸 汽处理 工 艺 ， 先使 产品在较低 的温度段处理一定时间， 之后在较高的温 度段处理一定时间 ， 最后产品出炉 ， 冷风至室温 。 从蒸 汽处 理 温 度 、 处 理 时 间 ， 零 件 成 形 密 度 、 装 包位置 、 机加工等方面， 对生产过程中影响铁基粉末 冶金 零件 蒸 汽处理 质量 的 主要 因素进 行研 究 。 2结果与分析 2 ． 1 S T温 度对 零件质 量 的影 响及 机理分 析 不 同 s T温 度 处 理 后 ， 产 品 氧 化 程 度 氧 化 增 重 数 量列 于表 1 。对 比四种 工 艺 可 以看 出 ， 低 温 段 S T温 度 由 5 2 0℃ 、 5 3 0℃ 、 5 4 0℃ 逐渐 增 加 时 ， 对 应 氧化增重由 2 ． 2 1 ％ 、 2 ． 1 8 ％、 2 ． 1 5 ％逐渐降低 。 以往 研 究 报 道 ， 根 据 不 同 温 度 F e 0 -- F e O 的平衡 相 图 图 1 ， 当蒸 汽处 理温 度低 于 5 7 0 o C时 ， 有 以下 可逆 反应 3 F e 4 H 2 0 F e 3 0 4 4 H 2 1 毛增光 1 9 6 6一 ， 男 ， 高级工程师 。E - m a i l s u n z y p m c h i n a ． c o m 收稿 日期 2 0 1 4 0 71 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 0 粉末冶金技术 2 0 l 4年 l 2月 表 1 不 同 s T温度对产 品氧化增 重的影响 Ta b l e 1 Ef f e c t o f d i f f e r e nt ST t e mpe r a t u r e s o n o x i d a t i o n we i g h t g a i n 0 壬 糕 温度 ／ ℃ 图 1 不 同温度、 水蒸汽和 氢形 成 F e O 和 F e O的 平 衡 图 F i g ． 1 The e q u i l i b r i um di a g r a m f o r p r o d uc i n g Fe 3 O4 a n d F e O un d e r di f f e r e nt t e mpe r a t ur e s，wa t e r v a p o r s a n d h y d r o g e n s 根据杠杆原理 ， 在 4 5 0～ 5 7 0℃温度 区域内， 蒸 汽处 理 温度 越 高 ， 反应 越快 ， 生成 的 F e O 越 多 。与 以往 研究 报道 不 同 的是 ， 本 试 验 S T温 度 由 5 2 0 q C、 5 3 0℃、 5 4 0℃逐渐增加时 ， 产品增重反而减少 ， 其根 本 原 因在于 本试 验 产 品 密 度 为 6 ． 9 g ／ c m ， 产 品孔 隙度约 1 1 ％左 右 ， 蒸 汽处 理 时 ， 蒸 汽处 理 温 度越 高 ， 反应速 度越 快 ， 产 品 内部 一 部 分连 通 孔 隙 在 短 时 间 内细化或很快被封闭掉， 被封闭的孔 隙不能与新鲜 的水蒸汽接触 ， 孔隙表面 的氧化层只能依靠扩散来 增厚 ， 这样水蒸汽所能渗入作用的区域变窄 ， 因此对 于 密度 相 同的零件 ， 当反 应 时问相 同 ， 以高温 处理 所 增加 的重量反 而 比 以低 温处 理 的低 。 另 外 ， 从 表 1中对 比工艺 一和 工艺 四可 以看 出 ， 高温段 温 度 由 5 7 0℃ 增 加 到 5 8 0 o C， 氧 化 增 重 由 2 ． 2 1 ％降低到 2 ． 1 2 ％， 这说 明在高 温段提高 s T温 度 也不 利 于 F e O 氧 化 层 的生 成 。根 据 不 同温 度 F e O 一 F e 0的平衡相 图 图 1 可知 ，当 s T温度 高于 5 7 0℃ 时 ， 有 以下可逆 反 应发 生 5 7 0℃ 以上 ％ H ， 0 ／ ％H ，比值较 低 F eH2 O。 “ F e OH2 2 5 7 0 c c以上％ H ， O ／ ％H，比值较 高 3 F e OH2 O F e 3 O4H2 3 此 时 F e O 与 F e O共 同存 在 。5 7 0℃ 以上 生 成 的 F e O不稳定 ， 在 随后 的冷却过程 中， 将按下 式歧 化 反应 分解 生成 F e O ／ F e 4 F e O F e 3 0 4F e 4 氧化 层 内纯铁 的引 入 ， 一 方 面使 得 氧 化层 疏 松 多孔 ， 致密 性下 降 ； 另一方 面 ， 表面 新生 态 的 F e 具 有 强烈 的腐蚀 倾 向 ， 导 致 产品抗 腐蚀 性不 佳 。 综上 分析 ， 从 氧化增 重来 看 ， 在足 够 的反应 时 问 下 ， 低温有利于铁基粉末冶金零件的内部封孔 ， 高温 影 响产 品表 面氧 化层 结构 ， 不利 于腐蚀 性 的提 高 。 2 ． 2 S T时 间对零件 质 量的 影 响 在 蒸 汽处 理过 程 中 ， 氧 化 反应 是 一个 先 快 后 慢 的过 程 ， 文 献 报 道 了铁 基 零 件 氧化 增 重 与 蒸 汽 处 理时 间 的关 系 。蒸 汽 处 理 前 期 ， 水蒸 汽 与大 量 铁 原 子表 面接 触 ， 反应 迅 速 ， 随 着 反应 时 间 的进 行 ， 生 成 的 F e O 氧化层 不 断增 多 ， 内部孑 L 隙逐 渐堵 塞 ， 反 应 速度 逐 渐缓慢 ， 最 后 只有 表 面 的氧 化 层 在 继续 增 加 其厚度 。图 2为不同 s T处理时间与表面氧化层 厚 度 的金相 照 片 。可 以看 出 ， 随 着 S T处 理 时 间 由 4 h 、 5 h 、 7 h逐渐延 长 ， 产 品表 面 F e O 氧 化层 图 2 中 白色箭 头所 指灰色 组织 厚 度 由 3 m、 5 m、 6～ 7 m逐渐增加。生产过程中， 若达到较好的耐蚀性 和耐 磨性 ， 可适 当延 长 蒸 汽 处 理 时 间来 增 加 表 面 氧 化层 厚度 ， 以达 理想 的性 能指 标 。 2 ． 3成 形密度 对零 件质 量 的影 响 2 ． 3 ． 1 成 形整 体密 度与 S T密度 的关 系 成 形整体 密 度与 S T处 理后 产 品密 度 的关 系 见 图 3 。从 图 3可 以看 出 ， 成 形 密 度 一 定 ， 经 s T处 理 后 产 品密度 提高 ， 平均 增加 量在 0 ． 1 ～ 0 ． 2 g ／ c m ； S T 工 艺一 定 时 ， 在 6 ． 6～6 ． 9 g ／ c m 范 围 内 ， 成 形 件 密 度越高 ， s T后产品密度越高 ， 但 s T后产 品密度提高 的越 少 。 蒸汽处理后在产品外表面和内部连通孔 隙生成 了 F e O ， 故产 品密度提高 ； 成形件 密度越 高， 产 品 内部 的 连通孑 L 隙越 少 ， 生 成 的 F e O 越 少 ， 因 此 密度 的提 高量 越 少 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m