表面強(qiáng)化鐵基粉末冶金材料的表面處理工藝分析

王彥康，王 濤，呂偉龍，李國平，劉增林

（1.山東魯銀新材料科技有限公司技術(shù)科，山東 萊蕪 271104；2.萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 271100；3.北京鋼鐵研究總院，北京 100083）

近年來工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程逐步加快，現(xiàn)代化粉末冶金屬于各類機(jī)械零件制造的專業(yè)技術(shù)，其具備優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗、節(jié)能性應(yīng)用特征，適用于諸多大批量零件生產(chǎn)。比如汽車零件生產(chǎn)中，選取鍛造、鑄造、機(jī)械加工等常規(guī)方式難以有效成型。即使能成型但也會(huì)形成諸多復(fù)雜形狀的應(yīng)用零件?，F(xiàn)階段選取粉末冶金技術(shù)工藝對(duì)各類零件展開生產(chǎn)，能有效提升零件生產(chǎn)精度，優(yōu)化零件基本性能，對(duì)現(xiàn)代化制造業(yè)發(fā)展經(jīng)濟(jì)成效具有重要促進(jìn)作用。

1 材料燒結(jié)后續(xù)處理以及表面強(qiáng)化

目前要想全面提升各類鐵基粉末冶金材料以及不同部件性能優(yōu)化，要注重做好燒結(jié)之后熱處理以及表面強(qiáng)化處理操作，有助于強(qiáng)化冶金材料以及各類部件綜合性能。在各類粉末冶金零部件強(qiáng)化處理與零件鍛軋中，基本運(yùn)行原理相同。但是對(duì)應(yīng)的制造技術(shù)方法存有一定差異，主要是用于諸多合金以及孔性差異性突出，在強(qiáng)化處理操作中會(huì)導(dǎo)致綜合性能以及基本構(gòu)成元素與鑄鍛材料之間存有一定差異。從研究中能得出，其和全密度碳鋼相同，在生產(chǎn)加工中含碳量超出0.4%的鐵基粉末冶金材料在整體淬火回火操作中。有助于集中改善表面強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、磨損抗力等。但是部分工程部件加工實(shí)踐中，失效部分主要是集中在次表面以及表層中，當(dāng)前技術(shù)人員要針對(duì)性做好氮化處理、滲碳處理、碳氮共滲處理操作，便于全面改善提升鐵基粉末冶金材料整體應(yīng)用性能。

2 鐵基燒結(jié)材料表面處理相關(guān)概述

現(xiàn)階段摩擦磨損現(xiàn)狀發(fā)生主要是集中在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，目前表面工程技術(shù)規(guī)范化運(yùn)用是全面提升運(yùn)動(dòng)表層摩擦性能相對(duì)經(jīng)濟(jì)的操作方式。現(xiàn)有的表面工程技術(shù)應(yīng)用中分類較多，應(yīng)用分布較廣。主要包含傳統(tǒng)的表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)，主要涉及到預(yù)加應(yīng)力強(qiáng)化技術(shù)、滾壓操作、噴丸等。在化學(xué)熱處理技術(shù)運(yùn)用中，主要涉及到滲氮技術(shù)、滲碳技術(shù)、滲硼技術(shù)等。在表面淬火強(qiáng)化中，要合理運(yùn)用火焰淬火、感應(yīng)淬火技術(shù)。電鍍技術(shù)應(yīng)用中，涉及到化學(xué)鍍、電鍍、刷鍍等。近年來隨著我國多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，薄膜技術(shù)應(yīng)用成效在不斷提升，比如離子注入、PVD、CVD以及LB膜等，納米表面工程技術(shù)、復(fù)合型表面工程技術(shù)、激光表面處理技術(shù)等。

在表面工程技術(shù)運(yùn)用中，要注重對(duì)各類零部件實(shí)施針對(duì)性表面以及局部強(qiáng)化處理、修復(fù)管控，促使其表面層多項(xiàng)性能全面提升。表層材料應(yīng)用與制造部件整體材料應(yīng)用對(duì)比來看，其占據(jù)面積較小、厚度相對(duì)較薄，但是承擔(dān)著諸多部件應(yīng)用性能。目前要對(duì)表面工程技術(shù)合理運(yùn)用，有助于調(diào)節(jié)本體材料應(yīng)用要求，節(jié)約更多資源材料損耗。針對(duì)性控制材料生產(chǎn)加工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益、綜合生產(chǎn)效益。傳統(tǒng)單一化表面工程技術(shù)應(yīng)用中局限性突出，不能有效適應(yīng)相對(duì)嚴(yán)苛的工況生產(chǎn)要求。當(dāng)前要注重對(duì)各類表面工程技術(shù)集中整合，突出技術(shù)應(yīng)用協(xié)同效應(yīng)，獲取更好的加工成效，集中控制各項(xiàng)技術(shù)加工難題?，F(xiàn)有的復(fù)合表面工程技術(shù)應(yīng)用成效在不斷提升，比如熱噴涂與刷鍍復(fù)合、熱噴涂與激光重熔復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍復(fù)合、表面強(qiáng)化與固體潤滑膜復(fù)合、非金屬材料與金屬材料涂層復(fù)合、各類多層薄膜技術(shù)應(yīng)用負(fù)合等。在鐵基燒結(jié)材料應(yīng)用中要注重突出耐磨性以及制造工藝性能，但是受到孔隙影響，材料加工強(qiáng)度、硬度會(huì)受到較大限制。當(dāng)前要注重保障表面工程技術(shù)與鐵末燒結(jié)技術(shù)有效融合，這樣能有效拓寬表面功能層。促使粉末燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，對(duì)燒結(jié)部件整體性能能有效優(yōu)化。

3 表面強(qiáng)化鐵基粉末冶金材料的表面處理工藝應(yīng)用探究

3.1 滲碳處理

在工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域中，對(duì)于沒有游離石墨材料，其化合碳整體含量為0.10%至0.20%，此類鐵基粉末冶金材料運(yùn)用中能選取固體、氣體滲碳法實(shí)施有效滲碳處理管控。由于對(duì)冶金材料中的鹽分難以集中清除，在加工中主要是選取氣體滲碳處理，不選用液體滲碳。滲碳操作之后要注重及時(shí)對(duì)各類部件表面硬度現(xiàn)狀進(jìn)行判定，要確保其能達(dá)到800HV之上，這樣能有效優(yōu)化磨粒實(shí)際磨損抗力。但是在常規(guī)燒結(jié)加工狀態(tài)中，各類材料加工中內(nèi)部孔隙之間相互對(duì)接。滲碳?xì)夥諘?huì)基于材料表面不同孔隙進(jìn)入到材料內(nèi)部環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生諸多突出的硬化層。在分界面組建中會(huì)產(chǎn)生諸多殘余應(yīng)力，有助于對(duì)其疲勞強(qiáng)度集中改善。所以當(dāng)前針對(duì)不同性能應(yīng)用部件，鐵基粉末冶金材料滲碳處理技術(shù)應(yīng)用成效受限。加上諸多氣孔存在，在高溫滲碳環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生較大變形現(xiàn)狀，限制了技術(shù)應(yīng)用。

3.2 氮化共滲處理

鹽浴法在應(yīng)用中諸多鹽元素難以清除，當(dāng)前粉末冶金材料應(yīng)用中主要是基于氣體氮碳共滲以及氣體氮化處理操作。在粉末冶金材料運(yùn)用中主要是基于氣體實(shí)施氮化，當(dāng)氣體從諸多氣孔中滲入以后將導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生變形與脆化現(xiàn)狀。為了集中優(yōu)化各項(xiàng)問題，要注重做好離子淡化研究分析。離子出現(xiàn)主要是對(duì)內(nèi)部介質(zhì)滲入底端的問題實(shí)施有效控制，促使硬化層深度得到有效控制，對(duì)各類變形問題規(guī)范化管控。

3.3 碳氮共滲操作

此項(xiàng)技術(shù)操作屬于通過改良之后的氣體滲氮處理操作，在優(yōu)化改進(jìn)中主要是在滲氮?dú)夥諝怏w中引入氣體。之后在粉末冶金零件加工表面產(chǎn)生初生態(tài)氮，氮與碳在同時(shí)擴(kuò)散中能進(jìn)入到粉末冶金材料中，有助于產(chǎn)生含有氮元素的滲碳層。和氣體滲碳對(duì)比，碳氮共滲溫度相對(duì)較低，主要是出于840至870℃范圍內(nèi)。技術(shù)人員在碳氮共滲處理操作中，要注重對(duì)硬化層深度規(guī)范化控制，將其全面應(yīng)用在鐵基粉末冶金材料表面處理中。從實(shí)踐操作中能得出，F(xiàn)e-1.5%材料碳氮共滲彎曲疲勞壽命和氮化鍛鋼相類似。從生產(chǎn)操作實(shí)踐中能得出，碳氮共滲能用于耐磨性較高、心部韌性突出的加工部件中。

3.4 表面硬化淬火

粉末冶金材料運(yùn)用中要注重做好高頻感應(yīng)淬火、激光硬化淬火。其中粉末冶金材料與各類常見的熔鑄材料對(duì)比，電阻率受到材料密度影響，密度不斷降低，電阻率逐步升高，要注重對(duì)加熱時(shí)間合理控制。當(dāng)前高頻感應(yīng)淬火處理技術(shù)應(yīng)用中主要是用于各類工業(yè)粉末冶金齒輪加工處理，集中改善接觸疲勞性能、提升耐磨屬性。在高頻感應(yīng)淬火操作中，在加工中感應(yīng)加熱表面熱處理操作應(yīng)用范圍較廣，是屬于綜合發(fā)展較快的表面熱處理技術(shù)。此項(xiàng)加工主要是處于交變磁場中，零件通過自身產(chǎn)生熱量實(shí)施有效加熱，對(duì)應(yīng)的熱損失較少。因此，加熱速率較快，整體熱效率偏高。實(shí)際熱處理成效較好，當(dāng)加熱時(shí)間較短，各類零件會(huì)沒有氧化以及脫碳情況。加上加工中零件中心位置在低溫環(huán)境中，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度較高，所以相應(yīng)的淬火變形系數(shù)偏小。目前要注重選取感應(yīng)淬火，這樣能保障零件表面加工中獲取更高的耐磨性以及硬度值，原有的的中心部保持最合理的塑性與韌度。

3.5 鐵基粉末冶金材料激光表面強(qiáng)化處理

激光熱處理技術(shù)工藝參數(shù)主要是激光器輸出功率P、掃描速度V、光斑直徑d構(gòu)成，其對(duì)硬化層寬度、硬度、深度、機(jī)械性能等會(huì)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)掃描速度和光斑直徑一定，工件表面最大加熱時(shí)間處于恒定狀態(tài)。隨著激光器輸出功率不斷增加，對(duì)應(yīng)的硬化層深度也會(huì)擴(kuò)大。主要是由于激光器應(yīng)用中輸出功率不斷增大，對(duì)應(yīng)的光斑平均功率密度也會(huì)不斷增加。隨著金屬表面吸收能量不斷增大，對(duì)應(yīng)的表面溫度也會(huì)不斷提升。在通過金屬機(jī)體快速熱傳遞中，金屬表面中處于相變溫度的區(qū)域會(huì)不斷擴(kuò)大。在現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)激光處理工藝可重復(fù)性進(jìn)行調(diào)控是全面提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障，但是激光淬火與各類傳統(tǒng)熱處理技術(shù)應(yīng)用相比，能有效控制制熱區(qū)域以及各類工件變形系數(shù)等，通過對(duì)激光淬火工藝流程合理控制，能全面提升各類產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。對(duì)原有的工件生產(chǎn)技術(shù)工藝有效優(yōu)化，控制工件生產(chǎn)成本，提升激光淬火處理成效。在材料激光熱處理中，全面提升處理表面硬度的主要原因是受到馬氏體高位錯(cuò)密度以及固溶含碳量影響。

現(xiàn)階段諸多成分鐵基粉末冶金材料在處理中通過寬帶激光表面淬火處理，對(duì)應(yīng)的硬度值能全面提升。鐵基粉末冶金材料硬度從淬火前到淬火后硬度能有效提升3倍左右，諸多合金元素中Cr含量不斷增加會(huì)導(dǎo)致實(shí)際硬化深度不斷遞增。在激光表面處理中，實(shí)際熱效率較高、加熱速率較快，加上對(duì)應(yīng)的加熱范圍偏小，很難產(chǎn)生裂縫等問題。在激光硬化中，激光與各類材料之間會(huì)產(chǎn)生相互作用。能基于激光輻射強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行階段劃分。加工材料受到激光輻射之后會(huì)產(chǎn)生晶格畸變，有助于強(qiáng)化硬化成效。激光表面淬火主要是基于激光對(duì)材料實(shí)施輻射，這樣能促使材料表面加工能以最快速率進(jìn)行溫度加熱，之后再基于材料自身導(dǎo)熱屬性實(shí)施快速冷卻。此類快速加熱以及快速冷卻特征，能保障加熱區(qū)域組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諸多變化，有助于優(yōu)化加熱性能。目前表面淬火操作與材料生產(chǎn)之間處于熱循環(huán)關(guān)系，基于激光功率控制、功率密度劃分、激光作用時(shí)間參數(shù)控制，能有效優(yōu)化控制熱循環(huán)，有助于提升材料表面淬火、退火技術(shù)工藝應(yīng)用成效。

4 結(jié)語

綜合上述，鐵基粉末冶金材料密度級(jí)別對(duì)其機(jī)械性能以及應(yīng)用性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，現(xiàn)階段要注重做好抗磨抗粘結(jié)力優(yōu)化，提升密度級(jí)別的同時(shí)有助于優(yōu)化燒結(jié)材料整體性能。在處理過程中能規(guī)范化運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)，比如在激光淬火技術(shù)處理中。各項(xiàng)操作對(duì)激光淬火要求較高，片面應(yīng)用輸出功率較高的二氧化碳激光設(shè)備，對(duì)鐵基材料實(shí)施熱處理難度較高。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)激光處理技術(shù)工藝規(guī)范化運(yùn)用是提升生產(chǎn)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。激光淬火技術(shù)應(yīng)用與傳統(tǒng)熱處理應(yīng)用對(duì)比，能精確化控制熱處理區(qū)域各項(xiàng)變形問題。