[科普中国]-烧结钢

简介

生产烧结钢产品最常使用的方法就是金属注射成型，即将非常细小的钢粉末与一定比例的塑料粘结剂混合，然后注入模具中，成为具有任何形状的半制成品，例如齿轮、轴承或表壳。这一过程与塑料的注射成型相似，但是注射温度稍高，不过仍低于200°C。然后将半制成品放入温度超过1000°C的高温炉中，这样可将塑料粘接剂烧掉而钢则留下。

烧结钢的性能与一般钢铁材料类似，主要取决于材料的密度、化合碳含量、合金元素的种类与数量、组织状态。烧结钢与钢铁材料的最大区别在于前者组织中存在着孔隙，其密度在一定范围内可任意调节，因此材料密度是影响烧结钢性能的重要参数之一。在选择烧结钢牌号时，首先要确定材料密度，用粉末冶金法可以根据使用要求制造从低密度到完全致密的具有各种性能的烧结钢。烧结钢热处理的特点

烧结钢的组织特点(1)孔隙度对材料性能的影响

粉末冶金材料含有孔隙，使其密度低于理论值，并改变了材料的热传导性、铁磁性、弹性模量、抗拉强度、断裂韧性以及冲击韧度。

粉末冶金零件在压制、烧结至最终形状时，其内部含有大约10%的残余孔隙。温压的零件的残余孔隙可低至5%。一般铸锻钢的硬化取决化学成分与晶粒尺寸，而粉末冶金的硬化更大程度上受其连通孔隙的影响。

由于粉末冶金工艺能够提供最终形状的产品，其硬化过程就更为关键。粉末冶金产品的尺寸变化一般是发生在淬火和回火过程中。对于形状简单的制品，其收缩是可以预测的，能通过压制模具的设计予以调节。

对于形状复杂的粉末冶金零件，像典型的多台阶面零件，不同台阶面中的孔隙的变化，会引起明显的热处理变形，影响工件在装配中的功能和配合。发生这种现象时，需要进行精加工，但这将减少粉末冶金在成本上的优势。

孔隙也影响材料的硬化。连通孔隙起到了绝热的作用，减少了材料的导热能力，当零件从奥氏体相区迅速淬火时，孔隙延缓了冷却速率，造成了混合型显微组织，以及不均匀的硬度。零件形状越复杂，这种现象越明显。

由于上述原因，铁基粉末冶金材料的硬度障孔隙度增加而降低。图5.1-1为烧结碳钢和类似成分铸锻钢的距表面不同距离的硬度对比。该图表明：不仅因孔隙对材料热传导性造成的影响而致使硬度下降，而且孔隙本身也减少材料的硬度测量值。在某些情况下，由于孔隙的影响，有可能出现材料表观硬度低，但实际上显微硬度并不低，因此应选用低载荷的硬度测量方法。此外，淬火介质水或液态盐能浸入孔隙造成腐蚀，使用真空淬火，可避免这类问题。

(2)孔隙对硬化层深度的影响

具有连通孔隙的烧结钢零件的表面硬化工艺，如渗碳、碳氮共渗和氮碳共渗，由于气氛气体的快速渗入，对工艺的控制十分敏感。这些高碳势气氛由零件外表面通过孔隙表面扩散进入内部，造成在外表面下迅速渗碳至有效深度，以及表层/心部过渡区的消失。烧结低碳钢渗层深度与密度的关系曲线见图5.1-2。烧结钢渗碳层的深度随密度增大而下降。低密度烧结钢渗碳时，渗碳气体通过连通孔隙以分子扩散方式向零件心部渗透，而通过碳原子扩散的作用不大；高密度烧结钢的连通孔隙很少，当密度达到7.2 g/cm3后，连通孔隙几乎都已封闭，阻止渗碳气体的直接渗入，渗碳方式主要是通过碳原子扩散的形式进行。当对密度小于6.8 g/cm3的烧结钢进行渗碳时，由于渗碳性气氛通过零件内部的连通孔隙而使整个零件变脆，故一般要求渗碳的烧结钢零件密度不低于7.0 g/cm3。图5.1-2表明适于表面硬化工艺的密度应控制在大于或等于7.2 g/cm3范围。为提高零件表面密度，可用表面滚压、精整、整形、喷砂、切削加工等方式，或采用氧化处理和硫化处理来封闭孔隙，从而得到薄而明显的渗碳层。

烧结低碳钢表面硬化的主要目的是提高硬度、耐磨性，维持心部的韧性和弹性。这样，便可给予齿轮和其他高强度零件的综合力学性能。但当碳势失控时，这类零件可能非常脆，还会出现淬火后的变形。

(3)烧结钢组织不均匀性的影响

烧结钢是以几种纯元素粉末或予合金粉末为原料进行混合后而制成时，由于未经熔炼，而烧结过程以固相烧结为主，粉末颗粒之间进行扩散均匀化，使得烧结钢在微观结构上存着化学成分和显微组织不均匀的特点。这种特点以及孔隙的存在，使烧结钢与铸锻钢相比，其过冷奥氏体稳定性较低，淬硬性较差。在热处理过程中，烧结钢的组织变化规律，基本遵循铁．碳相图，以及三元或多元相图。但显微组织不均匀造成材料组织不是完全按相图中对应成分点的直线改变，而是按成分点附近区域的成分改变，呈多种组织共存的非平衡状态。1

合金元素在烧结钢热处理中的作用烧结钢的化学成分、组织与性能在烧结钢中添加合金元素，能改善材料的金相组织及孔隙形态。烧结钢的组织变化规律，基本遵循铁-碳相图，以及铁的其他三元或多元相图。但与熔炼材料相比，由于孔隙的存在，以及未经熔炼过程，合金化充分程度有差异。随着温度的变化，材料组织不是完全按相图中成分点对应的直线改变，而是按成分点附近的区域成分改变，呈多种组织共存的非平衡状态。

合金元素在烧结钢中的作用大致可归纳为：

1)活化烧结，即在烧结时，合金元素与基体形成低熔点共晶，或加速扩散过程：

2)球化孔隙，即在烧结时提高扩散系数，通过铁原子扩散，使孔隙由多边形趋于球形；

3)固溶强化、弥散强化、细化晶粒、生成化合物强化以及提高淬透性等。

碳、铜、镍和钼对烧结钢的组织、性能影响规律与对致密钢的影响相同。此外，铜还有活化烧结和调节烧结收缩的作用。

硫、磷在致密的钢材中是有害元素，但在烧结钢中，加入适量的硫或磷，却会产生有益的作用。烧结钢结构零件，除热锻件外，一般不进行热压加工，故无热脆性问题。硫的质量分数为0.4%以下时，加硫可提高材料的断后伸长率；硫的质量分数为0.2%以下时，加硫可提高材料的抗弯强度；此外，加硫可改善材料的被切削性能，提高减摩性能。

磷溶于铁素体中，固溶强化的同时使铁素体的塑性降低，故在致密钢材中要尽量减少磷含量。对于烧结钢来说，孔隙是影响材料韧性和塑性的主要因素。磷的存在，可于1050°C与铁、953°C与铁和碳分别形成共晶，产生液相，活化烧结，提高材料密度(即减少孔隙)，并使残留孔隙呈球状，从而提高材料的韧性和强度。烧结钢中磷的加入量ωp不得高于0.8%(一般控制在0.6%)，否则Fe3P沿晶界析出，会降低材料的韧性。

铬、锰、钒合金元素对烧结钢性能的影响与对致密钢相同。这三种元素均与氧有很强的亲合力，因而对烧结时的保护气氛要求很高，通常用预合金粉的方式加入，也可以铬或钒的碳化物形式加入，经热处理后，获得高强度烧结合金钢。2

烧结钢的热处理工艺烧结钢的热处理、化学热处理、蒸气处理和电镀 烧结钢制品，进行整体热处理(在奥氏体化温度淬火，于200～280°C回火)。烧结钢的热处理与熔炼的致密钢的基本相同，但由于孔隙的存在和合金化的特殊性，铁基结构材料的热处理有以下特点：

1)密度对热处理后的材料性能影响很大，密度越高，热处理效果越好，性能越稳定。

2)由于孔隙的影响。材料表观硬度偏低。但其组织的显微硬度并不低。为了反映材质本身的硬度，应选用载荷1.96N以下的维氏硬度(HV)。

3)孔隙降低材料的导热性，造成过热敏感性差，以及淬透性差。为此，淬火温度应比致密钢高500°C左右，加热时间相应延长。

4)热处理过程应防止有害物质由表面孔隙进入材料内部，低密度件不宜用盐浴加热；不宜在水中淬火，而应选机油作为介质；加热时需用保护气氛等。

5)对于密度低于7.0g/cm3的制品，在化学热处理时，渗透速度快，渗层过厚。为防止此现象，可用封孔措施，如液相烧结或渗硫。烧结钢常用的化学热处理有渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗以及渗合金元素等。2

淬火-回火烧结钢零件的整体热处理主要是淬火一回火。这种热处理工艺主要为了提高零件的耐磨性和改善心部强度。烧结钢零件一般含碳0.5%～0.8%，密度通常超过6.8g/cm3。大多数烧结钢零件常用周期密封淬火炉(而不是连续网带炉)进行热处理。因为产品具有最终形状，所以在加热过程中不能相互接触或碰撞，否则会引起变形和软点。广泛用于热处理的气氛，用甲烷和空气燃烧而成并控制碳势的吸热性气氛。由于气氛快速渗透到零件内部连通孔隙，在工艺温度相当低及处理周期相当短时，碳的扩散也非常快。

对中等到高密度(6.8～7.2 g/cm3)零件，更宜选择周期密封淬火炉，以便于控制炉温曲线。使用这种设备，零件能摆放在专门工装中，使加热淬火时零件变形最小，而且碳势的控制也很精确。很多新型炉设计都有内部自动升降操作设备以改变淬火的热负荷。

当零件需要较深的淬硬层深度时，可使用搅拌油冷。搅拌油冷的冷却速率较快。负载大小也是获得零件硬度均匀的限制性因素。大多数密封淬火炉的设计能力是每4 L淬火油处理0.5kg钢件，对于烧结钢，使用11.5～15 L淬火油来冷却0.5 kg零件。为获得均匀的热处理性能，应尽量避免过载。

回火用于减少零件内因快速淬火和马氏体相变产生的热应力与组织应力，这种应力如不去除，会增加烧结钢零件的脆性和缺口敏感性，使之较易断裂。这种应力随零件密度增大而增加。所有密度大于6.7 g/cm3的零件淬火后，都应回火。建议烧结钢的回火温度范围为150～200℃。在200℃以上回火，会改善淬火零件的韧性和断裂性能，提高抗拉强度和冲击强度。但在这一温度范围内回火炉应该对淬火油挥发所引起的大量的烟雾有专门措施，以减少对大气的污染。回火也用于减少烧结合金钢快速淬火时产生的奥氏体。这种奥氏体的影响表现于材料的尺寸变化和硬度变化。通过低温冷冻处理(低于-100℃)数小时，可使残余奥氏体转变成马氏体。通常要在200℃进行二次回火，以消除新形成的马氏体内应力。图5.1-8表示了在淬火后回火温度对FLA205烧结合金抗冲击性的影响。1

感应淬火直齿圆柱齿轮、锥齿轮、带花键槽轮毂以及凸轮都是应用粉末冶金技术制造的典型零件。这些零件的某些部位需要具有坚硬、耐磨的表面，同时保留烧结基体的延展性。感应淬火一般可满足这类需求的。可采用自动生产线，以减少操作程序。由于孔隙的存在，影响了粉末冶金材料的感应加热，所以与同样成分的铸锻材料相比，烧结钢一般需要较高的功率或较长的加热时间，才能达到给定的淬火深度。与铸锻钢相似，感应淬火主要受化合碳含量、合金元素含量和表面脱碳的影响。粉末冶金零件则主要受表面脱碳的影响。传统的带式烧结炉，可能使零件在离开保温带，从1100℃缓慢冷却到800℃的过程中发生脱碳。新近的烧结炉设计有能够通过控制进入这一转变区冷却的装置，补偿脱碳问题。

多数情况下烧结钢零件的感应淬火是用水基冷却剂，其中含有一些种类的防锈剂，以防止零件内部腐蚀。零件密度大于90%才能进行感应加热。随着密度减低，材料的电阻率增加，磁导率减小。基于这一原因，粉末冶金件的表面硬化常使用带高速喷液淬火的整体淬火线圈。

渗碳和碳氮共渗烧结钢的渗碳和碳氮共渗这两种表面处理工艺最常用于那些承受频繁循环负载和表面黏着磨损的零件。这些零件需要表面硬度高与心部具有韧性、延展性相结合。大多数高负载的齿轮都需要进行这些处理。

渗碳和碳氮共渗处理可用于高密度预合金化或部分合金化烧结钢零件，这些零件的碳含量低于0.5%。孔隙度高于10%的零件不宜于进行这些处理，这是由于大量连通孔隙会使碳迅速渗透零件，增加了零件的脆性。

在锻造钢中，表面处理后零件表面硬度均匀，有效渗层深度通常是用测量50HRC(513HV)的深度来确定的。显微硬度能精确地表明锻造钢横截面剖面上的硬度分布，但对于烧结钢则可能产生误差。烧结钢中表面下的孔隙能影响硬度读数。对表面下的每个渗层深度，至少取3个读数，取平均值确定实际渗层深度。图5.1-9表明，对于3种不同密度的Fe-Cu合金，真空渗碳过程中，孔隙对实际渗层深度的影响。

碳氮共渗一般是采用具有一定碳势的气氛，并在其中加入氨气以分解出活性氮原子。氮与碳同时扩散到烧结钢中，可延缓淬火的临界冷却速率，提高淬硬性。这有利于产生较为一致的表面硬度曲线，改善粉末冶金材料的耐磨性。碳氮共渗的工艺温度通常低于渗碳温度。与渗碳相比，碳氮共渗改善了零件的尺寸控制，减小了零件变形。加入氨时要小心，因为过量的氮扩散进内部孔隙，会引起脆化和强度减低。

碳氮共渗是浅渗层处理。渗层深度一般不大于0.5mm。基于这一原因，处理时间相当短，通常仅需30-45 min，主要决定于工艺温度、所需渗层深度以及密度。渗碳是工艺的第一步，随之加入氨。处理温度取决于烧结钢的成分和密度，通常为870℃。

在上述处理中，控制碳势是关键。为维持零件中碳的分布，一般规定碳势为1.0%-1.2%。为减少可能产生的混合相和残余奥氏体，通常的办法是保持碳势0.85%-0.95%。然而在烧结钢零件中，由于气体通过孔隙的快速渗入，在零件表面很难保持均匀的碳含量。

氮碳共渗氮碳共渗作为粉末冶金零件的硬化处理工艺，正在越来越多地替代其他处理方式而得到广泛应用。气态氮碳共渗是一种表面处理工艺，在一定条件下，氮、碳可以扩散进入低碳烧结钢的表面，这点与碳氮共渗有些类似，但在较低的处理温度(570～630℃)以及气氛成分方面，该工艺与前述工艺不同。碳氮共渗(780～870%)是用吸热性气氛为基体，添加NH3作为氮源，而氮碳共渗是用NH3作为基体气氛，加入各种碳氢化合物作为碳源。这种工艺可以使用各种类型的设备，如周期式箱式淬火炉、井式炉以及真空离子渗氮炉等。在氮碳共渗温度范围内，不发生奥氏体转变，因此关键是减少零件在油淬时可能发生的变形。氮和碳以一定的浓度扩散进零件表面，并在其表面形成氮化铁薄层，在金相观察时显示出白亮层。该白亮层提供的高硬度和润滑性改善了零件耐磨性。这种工艺的应用，能使钢表层的摩擦系数与未处理前相比降低一半。氮化层改善了零件表面耐黏着磨损性能。随后的氧化过程也能够提供耐蚀性和耐磨性。

由于气态氮碳共渗依靠扩散过程，所以应用于粉末冶金零件时，密度影响很大。如果氮从孔隙表面渗入并形成氮化物，会发生体积膨胀和脆化。基于这一原因，粉末冶金零件的密度应为理论密度的92%。只有采用温压或复压工艺，才能达到这一密度水平，也可使用价格较低的蒸汽处理作共渗前的封孔处弹，来解决这一问题。

离子氮碳共渗能够使零件保持良好的精度。在处理过程中零件被置于真空室中由离子轰击直接或间接加热。这种工艺常常用于象同步齿毂、凸轮翼等零件的生产中。应用辉光离子，将离子轰击到零件表面，并且使表面的氮、碳离子浓度和氮的扩散更为均匀。其内部孔隙表面的氮化很少，因此发生在气体氮碳共渗中的体积膨胀和脆化，在离子氮碳共渗中不明显。

氮碳共渗工艺可用于烧结密度超过6.9 g/cm3的铁及预合金粉制取的零件。低于这一密度，零件中孔隙的变化会导致不均匀的尺寸变化，烧结铁横向断裂试样在各种氮碳共渗工艺处理后的尺寸变化见图5.1-10。

对铁素体进行气体氮碳共渗工艺最适于用在要经受滑动摩擦磨损的零件上。因为坚硬的氮化物层相当薄，这种工艺不应用在高压应力或抗冲击负载的零件上。

经氮碳共渗的零件表面会形成ε相，该相具有相当于锉刀的硬度(大于60HRC)，硬度值的高低还取决于钢中的合金元素含量。由于氮碳共渗处理温度较低不会发生相变，因此零件可以空冷而不降低硬度。氮碳共渗还改善了烧结钢零件的强度对缺口的敏感性，而且不会因孔隙吸收油造成污染。图5.1-11是两种低碳烧结钢在氮碳共渗后的疲劳强度。

烧结硬化使烧结钢由烧结温度冷却而发生马氏体相变的工艺称为烧结硬化。这样：零件在烧结后便可获得所需的高强度和高硬度矿，这种工艺对于大批量生产的零件成本是最低的，因为烧结后不需要热处理。

这种工艺需要用预合金化粉末。为获得烧结零件的组织和性能，最重要的影响因素是冷却过程中合金转变为马氏体或贝氏体的能力。

各种商用钢材中常加入0.25%-1.0%Mn，以增加普通碳钢的强度和硬度。Cr也是常见的强化元素，但几乎不用于预合金化粉末中，因为很难除掉颗粒表面形成的氧化铬，而氧化又会阻碍颗粒同的扩散。Mo和Ni常用于低合金烧结钢，因为其氧化物易还原。这些元素在提高强度和韧性上证明是非常有效的。烧结硬化需要控制烧结后从奥氐体相区(1120-1290℃)的冷却速率。决定合金烧结硬化能力的因素是，600℃和150℃之间的冷却速率，这包含各种烧结钢马氏体相变的起始点(帆点)温度、合金元素含量、混合料成分。最常用的合金粉是4600型粉末加入铜和碳。

烧结硬化钢的显微组织是表层韵马氏体大于90%，而心部组织的马氏体小于70%。这种组织结合了零件表面的硬度和心部的韧性，而没有油淬后的高应力集中。

因此，了解冷却速率和合金成分是非常重要的，这可以提供具有给定质量、密度的零件所需要的淬硬性。在标准网带烧结炉中，对于给定的零件密度，为获得淬硬性，需要采用4600合金中加入0.2%Cu和0.9%C的成分。对于有效提高冷却能力的新型烧结炉，可以使具有较低的合金含量的烧结钢获得同样水平的淬硬性。有一种简单的试验方法，能够用于测定却速率、密度、合金含量对烧结材料的硬度和组织的影响，把热电偶埋在不同质量和密度的圆柱型试样的表面和心部，另一个热电偶被固定在网带上，用于在已知温度和带速下测量炉内的环境冷却速率。剖开这些试样，确定在热电偶定位处的组织和硬度，以构成图5.1-12的曲线。该图为4600型合金的结果。对于各种混合成分的不同密度的合金，根据给定的使用条件，能构造出相应的组织一硬度一冷却速率图，以便选择最低成本的材料。除了成本最低以外，烧结硬化还有以下几个优点：

1)能够很好地控制显微组织，提供较好的性能；

2)孔隙不含油．对环境无污染

3)与油淬相比，复杂形状霉件的变形小。

4)改善尺寸稳定性，并能保证大批量生产的产量和质量的稳定。

烧结硬化的主要缺点是零件的成分需要高碳含量，才能获得必要的淬硬牲。高碳含量降低了烧结钢的力学性能。1

烧结钢材料选择工艺因素当有多种不同成分和密度的材料都能满足使用要求时，应尽量选择密度低的材料。因为提高密度势必增大压制压力，加快模具消耗和增加工序。一般密度小于6.59/cm3时，一次压制即可达到。密度为6.5～6.99/cm3时，需选用压缩性好的铁粉。密度为6.9～7.49/cm3时，需增加复压复烧、热复压、浸铜等工序或采用温压工艺。密度大于7.49/cm3时，需采用热锻工艺或注射成形工艺。需要采用热处理工艺提高零件的强度和硬度时，应选择6.69/cm3以上的材料密度以避免过多的孔隙降低导热性影响材料的淬透性。

硬度特点测定铁基结构材料表观硬度时，压头作用在材料的金属基体与孔隙的复合体上，表观硬度值低于相同成分及组织的致密材料。但金属基体的显微硬度可能不低于致密材料(同成分时)，也可能高于致密材料(不同成分时)。大多数有硬度要求的结构材料在使用中，局部压应力并不很大，主要要求耐磨，故表观硬度低的粉末冶金材料，其耐磨性往往优于表观硬度高的致密材料。应注意，选材时对材料硬度的要求，要区别于通常对致密材料的要求，即相同使用效果时，允许粉末冶金材料有较低的表观硬度。另外，选用较小负荷的HV硬度，较之HRC硬度更能反映材料的表层状况。再者，密度分布的不均匀性及合金化效果各部位不平衡的特点，使粉末冶金材料表观硬度的波动范围增大，在制定硬度要求时，要允许有一个比致密材料更宽的硬度波动范围。

零件密度分布粉末冶金结构零件在成形时，因模壁摩擦和粉末流动性差的因素，造成制品的密度不均匀性，并使零件不同部位的物理一力学性能有差异。对性能要求严格的零件，必须规定零件不同部位分段密度允许的差值，并对零件主要工作部位，如最大应力处、摩擦处、导磁部位等，规定密度允许的最小值。2