粉末冶金零件的表面处理工艺

1、工艺 粉末冶金零件的表面处理工艺山 东省 机械设计 研 究院 ( 济南2 50 0 3 1)徐玉秀 夏玉海 编译原则上 , 所有 应用于 致密钢产品的表面处理工艺都可 以 用于 铁基粉末冶金材料 , 但有两个先决条件必须加以考虑。 首先是 处理后 能保持作为粉末冶金零件具有强 大竞争能力之优点的精确 的尺寸公差 , 如果所用的表面处理工艺使粉冶零件丧失此优 势 . 则不能应用。 其次 , 由于 粉末冶金零 件含有孔隙 , 这将对某些现有的表面处理 产生 明显的影响 .对粉末冶金 零件进行表面处理 的主 要 目的有三个 : (1 ) 提高耐磨性 ; ( 2) 提高耐蚀 性 ; ( 幻 提高疲 劳

2、 强度 。应 用于 粉末冶 金零件 的表面处理方法基本 上 可以分 以下五 类 :( )1 涂层 : 在被 处理零件的表面 覆 盖一层 别的材料而不 发生 任何化学反 应 ;( )2 表面 化 学处理 : 被处理 零件 的表面和 外加 反应物之 间的化学反 应 ;3( ) 化学热处理 : 其它元素如 C 和 N 扩散到被 处理零件的表层 ,( )4 表面热处理 : 通过温度的循 环变化 而 产生相变 , 使被处理件表面的微观组织发生变化 ;( )5 机械形变法 : 使被处理件表面产生 机构形变 ,主 要是 使 其产 生压 缩残余应 力 , 同时也 提高表层密度。l 涂层电 镀能应用于粉末冶金零

3、件 , 但只 有在粉冶件预处理 (如 浸铜 或浸蜡 以封孔 ) 后才 能进行 , 以 防止 电解液的渗入 。 经 电镀处理后通常能使零件的耐腐蚀性能得到改善 。 常见的例子是镀锌 ( 镀锌后用重格酸盐作钝化处理得到一 个黑色 或军绿色光泽 的表 面 ) 和 镀镍。非电解镀镍在某些方面 例 如控制镀层 厚度 和电镀效率方面比 电解镀镍优越。 非电解镀镍的镀层 厚度在 。 . 0 20 至 o . o 60 m m 之 间 , 由于 磷 的加入 产生 沉淀硬化作用 , 热处理后镀层 的硬度能从 05 0 H v 。 二 提高到1 0 0 0 H v o 、 。 硬铬镀层 的厚度为妻 0 . 0 7

4、 m m , 硬度 ) 4 0H R c 。 镍或铬镀层 在室内环境中具有足够好的抗腐蚀性能, 但在盐雾试验中, 其抗腐 蚀能力较弱 。 然而锌镀国 外金属热处理层 在盐雾中具有很 强的抗腐能力 , 为 02 0 小时 。“ 干 ” 锌镀层方 法 , 不 需要 进行封孔处理 。粉末镀锌 , 是在 一 个封 闭的罐 中 , 将被 镀零件埋入锌粉和细砂 中 , 在 3 7 5 的温 度 下 , 使锌扩散进 入基体 , 从而 产生一层细晶粒的锌涂层 。机械镀锌是 将零 件放 入 盛有锌 粉 , 微小玻璃球和活性溶液的容器 中 , 玻璃球 将锌撞入基体表 面 , 产生冷焊 。 在这个过程 中不需要加热

5、 。很有希 望 的是 有机 锌涂层 , 如 “ D ac or m te ” 或“ D e l t a ta n e , 。 涂层 由加入 环氧树脂中的重铬酸锌一 铝粉末组成 , 采用旋转浸涂 法 , 使达到 。 . 0 8 0 . 0 01 m m的层 厚。 一般 它们的盐雾腐蚀试验能达到 4 0 5 0h , 而最近的研究开发使其延长到 了 2 0 O h 。当需要防锈 、 防腐蚀 , 外表美观及 电绝缘时 , 可以使用涂漆的方法 。 对 需要涂漆的材料没有任何限制。但是为了防止浸入空隙 , 需要对油漆的粘 度作适当的调整。塑料涂层 , 由固体 润滑剂 ( 即碳氟聚 合物 ) 和环 氧涂层

6、 粘结剂组成 , 通过 加入 低摩擦 系数的固体润滑剂改善耐磨性 。 经过表面磷酸锌防锈处 理 , 在 1 06 进行烘干得到 0 . 10 一 0 . 51 m m 厚的塑料涂层 。涂 釉是应用 各种各样的硅酸盐 , 其中可加 入着 色添加剂 , 并且在 空气中 8 0 亡 左右被玻璃化 。 涂 釉 的零件可用于 既耐蚀又耐热的工作环境。粉末冶金零件的喷镀金属可 以 用氧乙炔焰、 电弧或等离子体实现 , 氧 乙炔焰方法是最常用 的。 通常涂敷金属包括碳钢 ( 0 . 1 0 . 8 % e ) 不锈 钢、 A I、 A I一 5 1 、 铝青铜 、 M g 青铜 、 磷青铜 、 M 。 、

7、zn 以 及一 系 列 能承受磨损的镍基和 钻基 合金。 喷镀 时工 件可处于 室温 下 , 也可处于 加热条件下。 在后一 种情况下 , 涂层 将更致密 。喷镀 层通常有几千微 米厚 , 但并非 十分均 匀 , 对 于 精密件 , 喷镀后需要精磨 。2 表面化学处理蒸 汽处理是粉末 冶金零件 所有表面处理工艺 中最常见的一种。 蒸汽处理是将零件在蒸汽 气氛中加热到 5 3 0 5 5 0 , 使零件产 生一层具 有磁性 ( Fe , o ; ) 的表层。通过铁基体表层 的氧化 , 改善了耐 磨性 和 摩擦 1 9 9 7 年第 刁期性 能 , 并 且 使 其具有 防锈性能 ( 通 过 浸 油

8、进 一 步加钝化处理应 用于 不锈钢零件 , 主要是形成表面氧强 ) . 氧化 层约 0 . 0 01 0 . 0 肠,厚 , 夜盖整个外表化物保护 层 , 这 些氧 化物可 以 通过 加热的 方式 形成面 , 并能通过内部互 相连 通的 孔隙扩散 到零件的中( 在空气中加热 至 3 05 5 0 亡 保持 51 分钟 )也可以心。这种孔隙的充填 , 提高了表观硬度 ( 见图 1) , 从 而通过化学方法形成 , 即用硝酸或抓酸钠溶液浸泡 ,为提高了耐磨性 以及使其具有中等 的压实度 。了防止溶液 浸入孔隙内 , 化学方法要 求预先进行封 蜡处理 。3化学热处理飞侧多阳已o烧结态纯铁.占。一一

9、一一压506 51. 7 _57 0密度以 c 衬图 l蒸汽处理后产 生的 F勺。 ; 层充填空隙而 使铁基 件表观硬度发生变化这种方法包括不同的化学原子扩散 到基 体 中 , 但不 同于化学反应 , 此时 , 大部分是 形成 固 溶体 , 而不形成新的化合物。 对于 致密的铁基材料 , 最普遍 的扩散原子是碳和 氮 。铁 基零 件 经气体渗 碳后显微硬 度能提高到 H v 8 0 0 以上 ( 如图 2 所示 ) . 使磨粒磨损性 能得到 改善 . 渗碳气氛通过 内部相连通的孔隙侵 入 , 使得表面、 心部之 间没有 明确的界线 。 所 以 , 诸 如象疲 劳强度这样的参数 , 由于 它 主

10、要依赖 于 表面 压缩残余 应力 的产 生 , 故不 能象致密钢渗碳 时那样得到明显的改善。708咖32465阳侧夕二,厂冷磷酸盐处理是通过在盐浴中的化学反应 , 使工件表面 形成复杂的磷酸盐 ( 一般是锌 和锰的磷酸盐 ) , 厚度约 0 . 0 0 0 5 0 . 0 01 m m . 磷酸锌用于涂层和塑料涂层的预处理 , 磷酸锰用于摩擦场合.发蓝是将工件置于 1 50 的氛酸钾浴槽 中 , 通过化学腐蚀完成。 工件表面具有暗蓝色。 发蓝层厚度约为 0 . 0 10 m m 。 发蓝后的零件 , 其表面 美观 , 并具有 防锈 功能。氮化着色是用 湿氮作 为氧化剂 , 工件在烧结后 的冷却

11、过程中, 在 20 0 一 5 50 的温度范围内 , 形成 一层氧化层 , 所形成 的氧化层 的颜色 随着处理温度的变化而 变化 ( 从淡色到暗灰色 ) 。阳极 氧化防腐处理用于铝基零 件以改善其外观和防腐性能。 通过电解在表 面形成富有弹性的氧化铝表层 , 随后用颜料着色 . 经 阳极氧化 防腐 处理的零件不能承受 高于 06 70 亡 的工作温度 , 因为残留在氧化层 内的水的气化导致性能降低。 国外金属热处理02040 . 60 . 81 . 0214表面以下深度m m图 2气体渗碳提高铁基件表面硬度 , 但 心部、 表面 之间的界线模栩碳 氮共渗 由于处理 温度 低 , 渗层深度能得

12、 到更 好的控制 ( 共渗温度为 7 908 朽 , 而渗碳温度为 92 。 9 5 0 ) 。 例如 , F e 一 1 . 5 纬 e u 的 粉 冶 体 ( p = 7 . 1s/ c m “ ) 进行碳 氮共渗 , 其弯曲疲劳寿命 的提高与致密钢渗氮后的情况相似 ( 如图 3 所示 ) 。 由于共渗层具有较浅的渗层深度和较高的表 面硬度 , 因而碳氮共渗对于表面要求有较高耐磨性 , 而心部仍需保持 韧性的零件比较合适。 1 9 9 7 年第 魂 期能只乞侧和目另因z冰一。“,:。M P a无缺口 K, 二 1 00()00碳氮共渗10 1710 17F e 一 C u10 17F e

13、一 C u( 烧结 1 1 2 0 C 义 3 0 :。 i n , p = 7 . 1 9 / e m 3 , R = 一 l , P: = 5 0 写)图 35 E 1 0 1 7 渗氮锻压 钢和 F e 一 土. 5 % e 、 1 烧结并 碳氮共渗的耐久性 比较0 0 0806 曰0n丫.一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 - 一 一化及把有机封孔剂吸入 孔隙相结合。 经这种工艺处理的粉冶件经 受住 了 50 0 多小时的盐 雾试验 。 扩散 物质不 限于 碳和氮 , 间隙元 素 ( 如 B ) 和 置换元素 ( 如 c r 、 s 、M n 等 ) 均可采用 。 扩散 M

14、 n 时 , M n 使奥氏体 稳定 化 , 随后 形变诱发马 氏体相变 , 使其具 有较高的表面 冷作硬化率。4 表面热处理如 致密钢 一 样 , 表面热处 理要 求有碳 的存 在 , 以使表层 产生马 氏体转变 . 提高硬度 。感应 淬火 是一 种表面局部淬 火 的方法 , 它能得 到比 一 般表面处理深得多的淬火层 ( 几 个毫米 ) 。 这 种方法对要求韧性而局部承受高载荷的零件比较合适。 例如 某些 粉冶齿轮箱同步器衬套 , 要求有一个 感应 淬 火的抗压表面 。激光淬火也能应用于 粉末冶金零件。 与感应淬火相比 , 激光淬火能更精确地选择位置 、 产生 的变形更小。另外 , 激光表

15、面熔 融以 改变表面 微观组 织 已经 在特殊 的粉末冶金材料如 高速 钢上 得到了 选择性 的应用。声忿芝2月, 0000滋。 . 石”坟160 . 240 . 3 20 040 84表面以 下深度 图 4赫格纳斯公司 As ta of y M 。 合金 ( 0 . 5 % c) 经离子 渗氮后 的表面 硬度分布 ( p 一 7 . 1 9 c/ m “ )离子渗氮处理克服 了含 c 、 N 原子的气氛 , 通过内部相连通之 孔隙而侵人的问题 。 尽管与气体渗碳工艺相比 , 其成本较高 , 但离子渗氮 已成为粉末冶 金件的一种恰 当的表面处理工艺 。 而等离子体渗碳和等离子体氮碳共渗的潜在应

16、用 已经成为近来会议论 文 的主题。 近年来开发 出的 以 1 . 5 % M 。 充分预合金化的铁粉系列 , 为表面 处理 提供了可能。 这种材料渗碳和离子渗氮的效果都很好 。 图 4 是经离子渗氮后产生的薄而明显的表面渗层和高的表面硬度的结合。iN tr ot e c 工艺将气体碳氮共渗与 外表面 的故意氧国外金属 热处理5 机械形变处理喷 丸强化是 用硬颗粒对 零件表面进行有控制的喷射 . 它不导致 明显 的塑 性变 形 , 但赋予零 件以 残余压应力 。 这种工 艺成本低 , 通常应用于 锻件或铸件 以改 善疲 劳强度 , 喷丸强化也适合于粉末 冶金零件 , 据报导 , 其疲劳强度可提高们% 以上 。强力精 压或重压 能使表层 致密化。 如前 所述重压与渗锰处理相结 合, 可更有效 。压球处理是将硬质 合金球穿过 烧结零 件中心孔以改善尺寸公差、 表面光洁度及园度 。 同时也使其表面致密化及 产生冷作硬化效果 。使粉末冶金零件表 层产生塑 性 变形并致密 化的表面冷轧 工艺已得到 应用 , 并常与 随 后进行渗碳处 理相结 合 , 以 提高滚 压接触疲 劳强度和 弯曲 疲劳 强 度。接触疲 劳强度和 弯曲疲劳强 度的较大改善使得 铁基粉冶零件完全能够