粉末冶金制品力學(xué)性能不佳？選合適的熱處理工藝很重要！?。?/h1>

1600　 2023-09-28 09:07:14

粉末冶金是一種利用微米到納米級(jí)的金屬粉末（或金屬與非金屬粉末的混合物）作為原料，通過(guò)成型和燒結(jié)等環(huán)節(jié)將這些顆粒緊密結(jié)合，制備出各種制造復(fù)雜形狀的工程材料和零部件的工藝。 在粉末冶金工藝中，熱處理過(guò)程發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過(guò)精確控制加熱和冷卻過(guò)程，它可以調(diào)整粉末冶金制品的晶體結(jié)構(gòu)，增進(jìn)分子間的距離，從而在盡量不改變?cè)胁牧闲螤畹那闆r下，改善前道工序的缺陷，提高其硬度、韌性、強(qiáng)度和耐磨性等關(guān)鍵性能，...

粉末冶金是一種利用微米到納米級(jí)的金屬粉末（或金屬與非金屬粉末的混合物）作為原料，通過(guò)成型和燒結(jié)等環(huán)節(jié)將這些顆粒緊密結(jié)合，制備出各種制造復(fù)雜形狀的工程材料和零部件的工藝。

在粉末冶金工藝中，熱處理過(guò)程發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過(guò)精確控制加熱和冷卻過(guò)程，它可以調(diào)整粉末冶金制品的晶體結(jié)構(gòu)，增進(jìn)分子間的距離，從而在盡量不改變?cè)胁牧闲螤畹那闆r下，改善前道工序的缺陷，提高其硬度、韌性、強(qiáng)度和耐磨性等關(guān)鍵性能，使得粉末冶金產(chǎn)品在航空航天、汽車(chē)制造、醫(yī)療設(shè)備和電子行業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為創(chuàng)新和高性能材料的開(kāi)發(fā)提供了無(wú)限可能。

熱處理的基本過(guò)程

熱處理是采用先熱后冷的方式，使得金屬材料表面或者內(nèi)在的基本組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使得該金屬材料能夠符合一定的性能和結(jié)構(gòu)要求。熱處理方法因材料類(lèi)型和所需的最終性能而多種多樣，但大致都包含了升溫、保溫、降溫三個(gè)基本階段，每一個(gè)階段之間互相銜接形成了完整的熱處理過(guò)程。

熱處理過(guò)程曲線

1、升溫：在熱處理工藝中加熱屬于最為基本的前提條件，并且也是非常重要的處理階段。在這個(gè)階段，金屬材料會(huì)被加熱到特定的溫度范圍。升溫速度和目標(biāo)溫度對(duì)于所需的晶體結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要。采取緩慢升溫、均勻升溫還是快速升溫的方式，都取決于具體的熱處理工藝。

2、保溫：一旦達(dá)到目標(biāo)溫度，材料需要在該溫度下保持一段時(shí)間，具體的保溫時(shí)間根據(jù)材料類(lèi)型和所需性能來(lái)確定的。在這個(gè)階段，金屬材料發(fā)生連續(xù)反應(yīng)，其晶體內(nèi)的原子重新排列，以適應(yīng)并穩(wěn)定新的結(jié)構(gòu)，從而使得金屬材料的性能變得更加穩(wěn)定和提高。一般情況下，在金屬熱處理過(guò)程中都需要保溫階段， 但在一些特殊情況，例如高頻淬火、火焰淬火、激光淬火等表面處理，在快速加熱的情況下，保溫階段可以省去。

3、降溫：與升溫階段一樣，冷卻也是熱處理過(guò)程必不可少的一個(gè)階段，在這階段，冷卻的方法和速率會(huì)影響最終的晶體結(jié)構(gòu)和性能?？焖倮鋮s通常會(huì)導(dǎo)致較硬的材料，而較慢的冷卻可能會(huì)增加材料的韌性。

幾大熱處理方式

01

整體熱處理

整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。根據(jù)加熱、冷卻的方式不同，包括了正火、退火、淬火、回火四個(gè)基本工藝。

（1）退火

退火是將金屬緩慢加熱到一定溫度（溫度根據(jù)不同退火需求或工藝設(shè)定），保持足夠時(shí)間，然后緩慢冷卻的一種金屬熱處理工藝。退火可以改善或消除粉末冶金壓制和燒結(jié)過(guò)程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，防止工件變形、開(kāi)裂，同時(shí)能夠使得工件軟化，使得便于加工。通常其目的是為最終熱處理（淬火、回火）作好組織準(zhǔn)備。

45鋼退火組織（顯微鏡400X下）來(lái)源：仁成精密鋼管廠

（2）正火

正火與退火效果類(lèi)似，但其冷卻速度快于退火（慢于淬火），過(guò)冷度大，因此能夠使材料的結(jié)晶晶粒細(xì)化，不但可得到滿意的強(qiáng)度，而且可以明顯提高韌性，降低構(gòu)件的開(kāi)裂傾向。常用于改善低碳材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些硬度要求不高的零件作為最終熱處理。

45鋼正火組織（顯微鏡400X下）來(lái)源：仁成精密鋼管廠

（3）淬火

淬火是把材料加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，隨即以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻，從而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的一種熱處理工藝方法。淬硬性和淬透性是淬火工藝的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別表示材料在一定條件下淬火時(shí)獲得淬透層硬度和深度的能力，為了提高這兩個(gè)指標(biāo)，通?？梢约尤腈?、鉬、錳、鉻、釩等合金元素進(jìn)行化學(xué)熱處理。

馬氏體的形成過(guò)程

（4）回火

淬火后，材料硬度雖然有明顯提高，但相應(yīng)的也會(huì)使材料具有很大的內(nèi)應(yīng)力和脆性，通常需要及時(shí)進(jìn)行回火工藝來(lái)避免材料變形和開(kāi)裂。具體操作是將淬火后的金屬成材或零件加熱到某一溫度（通常小于650℃），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫后，再一定方式冷卻。在回火加熱過(guò)程中，由于粉末冶金制品中的原子可以較快地進(jìn)行擴(kuò)散，并重新排列組合，從而使不穩(wěn)定的不平衡組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的平衡組織，最終提高材料的塑形。

各種回火工藝的對(duì)比

02

表面（局部）熱處理

與整體熱處理不停，局部熱處理只加熱工件局部，能夠改變其局部力學(xué)性能，但不會(huì)顯著改變改變其體積或整體性質(zhì)。為了只加熱工件局部而不使過(guò)多的熱量傳入工件內(nèi)部，通常采用火焰、電子束、激光等具有高能量密度的熱源，使工件表層或局部能短時(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。

（1）火焰淬火

火焰淬火是一種用乙炔一氧火焰（最高溫度達(dá)3100℃）或煤氣一氧火焰（最高溫度達(dá)2000℃）將工件表面快速加熱，隨后噴液（水或有機(jī)冷卻液）冷卻的一種表面淬火方法。由于其設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方法靈活，非常適用于單件小批生產(chǎn)或現(xiàn)場(chǎng)淬火。對(duì)于運(yùn)輸拆卸不便的重大零件和不適于采用其他表面淬火的零件，如大型齒輪、大型工作平面，一些凸輪、曲軸、機(jī)床導(dǎo)軌和鏈輪等，火焰淬火也具有廣泛的適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)性。

火焰淬火原理

（2）激光淬火

激光淬火是使用激光快速掃描工件表面，在極短的時(shí)間內(nèi)，表面薄層被加熱到相變點(diǎn)以上，激光移開(kāi)后，高溫薄層在基底冷卻下，進(jìn)行自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。

由于激光束光斑尺寸很小，局部淬火部分的形狀不受限制，即使是深孔底部及狹小的溝槽內(nèi)部也能淬火。 同時(shí)激光淬火是靠激光束在淬火工件表面的掃描運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此所有流程都可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面的精確控制。

（3）感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火將承載大量交流電的銅線圈放置在（不接觸）零件附近，此時(shí)工件（導(dǎo)體）內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電阻作用，工件被快速加熱，幾秒種內(nèi)工件表面溫度就可以達(dá)到800-1000攝氏度，而心部仍接近室溫。當(dāng)表層溫度升高至淬火溫度時(shí)，立即噴液冷卻使工件表面淬火。由于感應(yīng)淬火的加熱速度非?？?，可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)表面加熱，因此非常高效，對(duì)于批量生產(chǎn)或大型零件的局部淬火非常有利。

感應(yīng)加熱表面淬火原理

03

化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是通過(guò)改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。這種工藝是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素，從而改變工件表面的化學(xué)成分、組織和性能。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)化學(xué)熱處理后的材料滲層表面的含碳量可達(dá)2%以上，很好地提升材料的表面硬度和淬硬深度。

化學(xué)熱處理的方法繁多，多以滲入元素或形成的化合物來(lái)命名，例如滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、碳氮共滲等，但一般都包括分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程。以滲碳為例，滲碳熱處理的反應(yīng)如下：

2CO≒[C]+CO2 (放熱反應(yīng))

顯微鏡500X下滲碳前后對(duì)比圖（來(lái)源：鑫光熱處理）

滲碳介質(zhì)分解出活性炭原子后，由于粉末冶金材料的孔隙存在，使得活性炭原子從表面滲入，被材料吸收、溶入，形成間隙固溶體。當(dāng)碳濃度超過(guò)一定濃度時(shí)可形成金屬化合物，隨著滲碳的不斷進(jìn)行，工件表面所吸收的活性原子（或離子）逐漸向工件深處遷移，以形成一定厚度的擴(kuò)散層（淬硬層）。為了保證化學(xué)熱處理的效果，針對(duì)密度較高、孔隙較少的材料，可以采用碳勢(shì)較高的還原性氣氛保護(hù)，其加熱和冷卻速度也要高于密度低、孔隙多的材料。

總結(jié)

從總體上來(lái)說(shuō)，由于科技收獲了長(zhǎng)足的進(jìn)步，金屬材料的熱處理工藝技術(shù)有了很大程度的發(fā)展，除了上述這些工藝，與當(dāng)前科技發(fā)展相結(jié)合的新工藝、新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，比如結(jié)合信息技術(shù)的CAD熱處理技術(shù)以及可控氛圍的無(wú)氧化熱處理技術(shù)都是當(dāng)前熱處理工藝的主要發(fā)展趨勢(shì)。

                                                                                                                                                                                                                                          粉體圈Corange整理

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