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鐵基粉末冶金零件的蒸汽處理 關(guān)鍵詞:粉末冶金 蒸汽處理 鐵基零件 鐵基粉末冶金零件的蒸汽處理 摘要：蒸汽處理在鐵基粉末冶金零件生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。 本文論述了鐵基粉末冶金零件蒸汽處理的優(yōu)點(diǎn)、機(jī)理、工藝流程以及零件在蒸汽處理后的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析和提出相應(yīng)的解決措施。 關(guān)鍵詞粉末冶金,蒸汽處理,鐵基零件 本論文已公開(kāi)刊出，如需引用或參考，請(qǐng)注明出處： 李其龍, 徐偉, 董吉寶, 段聰翀, 張東.鐵基粉末冶金零件的蒸汽處理.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備?？?012第十四屆華東五省一市粉末冶金交流會(huì).2012：58-61. 作者簡(jiǎn)介：李其龍，男，碩士學(xué)歷，主要從事材料科學(xué)與機(jī)械加工方面的研究。Email：li-qilong@163.com 1．引言 粉末冶金工藝可以用來(lái)制造多種材料的零件[1-4]，而鐵基零件又是主要產(chǎn)品，在汽車、農(nóng)機(jī)、儀表、家電等行業(yè)中均有使用，既可以作為減摩零件使用，比如含油軸承，也可以作為結(jié)構(gòu)零件使用，比如齒輪、轉(zhuǎn)子等。粉末冶金生產(chǎn)工序通常包括制粉、混粉、壓制、燒結(jié)等[5]，工業(yè)制造鐵基粉末冶金零件，此外，高溫水蒸汽處理，簡(jiǎn)稱蒸汽處理，也是大部分零件中所必經(jīng)的工序，它是對(duì)粉末冶金件的后續(xù)表面熱處理，可以提高或改善零件的性能，比如硬度、氣密性、耐磨性和耐腐蝕性等。為了使蒸汽處理更好的服務(wù)于生產(chǎn)，本文根據(jù)作者對(duì)蒸汽處理的理解和在實(shí)踐中的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，就蒸汽處理的優(yōu)點(diǎn)、機(jī)理、工藝流程、質(zhì)量檢測(cè)以及常見(jiàn)問(wèn)題和解決措施進(jìn)行分析討論。 2．蒸汽處理工藝的優(yōu)點(diǎn) 在用粉末冶金工藝開(kāi)發(fā)鐵基零件過(guò)程中，傳統(tǒng)的壓制-燒結(jié)工藝制造的零件，一次壓制密度一般在7.0g/cm3左右，即相對(duì)密度在90%左右，采用復(fù)壓-復(fù)燒工藝和溫壓工藝制造的零件，相對(duì)密度一般都在92%～94%之間，即粉末冶金零件不可避免的存在著空隙，蒸汽處理一個(gè)很重要的目的就是封孔作用。對(duì)于制冷壓縮機(jī)用粉末冶金零件來(lái)說(shuō)，蒸汽處理已經(jīng)成為對(duì)其封孔，增加其氣密性的最好、最經(jīng)濟(jì)的工藝，比如連桿式壓縮機(jī)中的活塞，要求能承受1.5～3.0MPa的氣體壓力不發(fā)生泄漏，蒸汽處理封孔僅是滲銅封孔處理的15%和氟塑料封孔處理的30%左右[6]。為進(jìn)行蒸汽處理的零件在使用和放置過(guò)程中，環(huán)境中的水汽和一些腐蝕介質(zhì)容易吸附在表面和入浸到內(nèi)部，在不均勻組織之間產(chǎn)生微電池腐蝕，導(dǎo)致零件較容易的生銹和被腐蝕，蒸汽處理防腐蝕的有效期比化學(xué)發(fā)藍(lán)處理明顯增加[7]。蒸汽處理，即把鐵基零件放置在加熱爐中，在一定溫度下，向爐中通入一定量的過(guò)飽和水蒸汽，在零件的周圍就存在著大量水蒸汽，凡是接觸到蒸汽的表面鐵原子，包括外表面和連通空隙的內(nèi)表面，就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一層氧化物膜，這層氧化物膜的主要成分是Fe3O4，F(xiàn)e3O4屬體心立方系，密度5.16g/cm3，故Fe3O4比鐵的容積比大，使零件的內(nèi)部連通空隙封閉，達(dá)到封孔的目的，增加零件的氣密性。由于該氧化物膜和覆蓋在零件的基體表面，非常致密牢固的黏附著，導(dǎo)致環(huán)境中的水汽和腐蝕介質(zhì)難以進(jìn)入零件內(nèi)部，到達(dá)良好的防銹功能。由于Fe3O4的硬度很高，純Fe3O4的洛氏硬度為50HRC左右，處理后的零件的表觀硬度到達(dá)60HRB以上，有利于提高零件基體的表面硬度、耐磨性、抗磨損能力，抗拉強(qiáng)度也可以得到提高，文獻(xiàn)[8]顯示，蒸汽處理后，鐵基材料的抗拉強(qiáng)度提高40-50%。 蒸汽處理后的零件，上乘的處理結(jié)果是零件外觀顏色呈現(xiàn)出非常光滑美觀的藍(lán)黑色金屬光澤，這種顏色，人眼看上去是比較舒適的，在分揀、包裝產(chǎn)品時(shí)，不容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。蒸汽處理前后對(duì)零件尺寸影響不大，氧化物層深度可能在0.51～1.27mm[9]，尺寸一般增加約0.005～0.01mm[10]，在技術(shù)和裝置都沒(méi)有苛刻的要求，企業(yè)較容易滿足其處理?xiàng)l件，處理時(shí)對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，能耗不高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。 3．蒸汽處理機(jī)理 Fe在不同的條件下，可能會(huì)生成三種氧化物，即FeO、Fe2O3、Fe3O4，F(xiàn)eO不穩(wěn)定，且具有多孔結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e2O3是非常疏松的氧化物，它們兩者與鐵基體的結(jié)合力都不強(qiáng)，不利于提高零件的硬度、氣密性等，蒸汽處理應(yīng)避免其生成，F(xiàn)e3O4是一種硬質(zhì)化合物，是蒸汽處理所希望得到的氧化物。影響蒸汽處理的關(guān)鍵參數(shù)有：蒸汽處理溫度即爐中的溫度、保溫時(shí)間和通入爐中的水蒸汽量，根據(jù)零件的工藝要求，通過(guò)控制這三個(gè)參數(shù)來(lái)控制蒸汽處理的質(zhì)量。令H2O%/H2%=K，K即是水汽平衡常數(shù)，在570℃上下和不同的蒸汽量可能會(huì)發(fā)生下面5個(gè)可逆反應(yīng)[6]： 570℃以下，3Fe+4H2O?Fe3O4+4H2反應(yīng)① 570℃以上，K值較低：Fe+H2O?FeO+H2反應(yīng)② 570℃以上，K值較高：3FeO+H2O?Fe3O4+H2反應(yīng)③ 570℃以下,③未完成：4FeO→Fe3O4+Fe反應(yīng)④ K值很大時(shí)：2 Fe3O4+H2O?3Fe2O3+H2反應(yīng)⑤ 若蒸汽處理按反應(yīng)①進(jìn)行，蒸汽與鐵基材料發(fā)生反應(yīng)生成一種粘附性的蘭黑色氧化物，即Fe3O4，此是蒸汽處理時(shí)的理想反應(yīng)，是我們想要得到的，例如在550℃，K=0.5時(shí)，即發(fā)生該反應(yīng)。反應(yīng)②是在溫度超過(guò)570℃，在蒸汽量較低時(shí)發(fā)生，反應(yīng)③是在反應(yīng)②的基礎(chǔ)上發(fā)生的，我們單從反應(yīng)結(jié)果上看，都生成了Fe3O4和H2，兩者沒(méi)有什么不同，但實(shí)際是不同的，由于FeO與鐵基體的結(jié)合力較弱，在此基礎(chǔ)上生成的Fe3O4難以牢固的黏附于基體上，若反應(yīng)②生成的FeO沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)③生成Fe3O4，在降溫時(shí)570℃以下會(huì)發(fā)生反應(yīng)④，這種結(jié)果同樣也達(dá)不到蒸汽處理的目的。當(dāng)K值很大時(shí)，比如500℃，K=19，可能會(huì)發(fā)生反應(yīng)⑤，生成的Fe3O4可能會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)生成Fe2O3。 4．蒸汽處理工藝流程 蒸汽處理的工藝流程一般為：1)拋光-2)除油污-3)清水洗-4)烘干-5)蒸汽處理-6)浸油-7)送檢。除油污包括超聲波清洗、除銹清洗等，有些零件還有煮油，煮油的目的是清除零件內(nèi)部的水分，防止有些零件生銹。有些流程根據(jù)實(shí)際情況可以省去，1～4為前處理，前處理主要目的是除去零件的表面油污、鐵銹、切削液、拋光液等，增加表面活性，是為了保證蒸汽處理的質(zhì)量，6是后處理，主要目的是防銹，7是對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，確保零件蒸汽處理的結(jié)果符合要求。 蒸汽處理的具體過(guò)程是：將適量工件放入夾具內(nèi)，在爐溫達(dá)到350～370℃時(shí)裝入爐中，10～15min后（估計(jì)工件的溫度在150℃以上，以避免蒸汽凝結(jié)）通電加熱，隨即通入蒸汽，這時(shí)，應(yīng)完全打開(kāi)排氣閥，進(jìn)氣壓保持在0.2～0.3MPa，以便排除爐膛中的空氣，排氣10～15min，調(diào)節(jié)排氣閥，提高爐膛蒸汽壓力到0.3～0.5MPa，進(jìn)氣壓力相應(yīng)地提高到0.4～0.6MPa，然后直接升溫到540～570℃，保溫60～200min，保溫時(shí)間根據(jù)裝爐量的多少和經(jīng)驗(yàn)確定。保溫時(shí)蒸汽壓力保持不變。保溫完畢，應(yīng)立即打開(kāi)排氣閥，進(jìn)氣壓力可適當(dāng)加大，斷電，爐冷到300℃，停止輸入蒸汽，出爐空冷。如果裝爐量較大，一次處理出來(lái)的氧化膜顏色較淺，可采取兩次蒸汽處理，以加深顏色，提高表面質(zhì)量。要注意的操作事項(xiàng)有：首先裝料必須合理，這是保證處理質(zhì)量的前提，然后是清洗去油污必須干凈，最后一道水清洗，水必須呈中性水質(zhì)，接著是清洗后的入爐過(guò)程，操作必須迅速，通入蒸汽量要大，再次在通入蒸汽前，必須先排除管道中的污水，避免沾在零件上造成缺陷，最后為了保證安全，出爐時(shí)，最好將蒸汽，電源切斷，然后出爐。 5．蒸汽處理質(zhì)量檢測(cè) 蒸汽處理后的零件表面已經(jīng)生成了一層氧化膜，為了保證膜的質(zhì)量，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括外觀檢測(cè)、耐磨性檢測(cè)、抗腐蝕性檢測(cè)等，檢測(cè)合格的零件按照工藝要求處理，不合格的零件，分析其發(fā)生的原因，再次進(jìn)行拋光等處理，重新蒸汽處理。 外觀檢驗(yàn)是在光線充足的條件下，用眼睛觀察，零件表面呈均勻的黑色或微帶藍(lán)的黑色，但由于零件化學(xué)成分及蒸汽處理的時(shí)間溫度不同，顏色也會(huì)略有不同。所有零件表面不允許有未氧化的部位、花斑、銹斑、附著的沉淀物、紅色附著物，不允許零件表面上出現(xiàn)腐蝕，可以參照《電鍍手冊(cè)》、《黑色金屬化學(xué)保護(hù)層的外觀》等。 零件蒸汽處理后，檢測(cè)時(shí)應(yīng)按GB/T 12609 -2005《電沉積金屬覆蓋層和相關(guān)精飾計(jì)數(shù)檢驗(yàn)抽樣程序》從檢查批中隨機(jī)抽取樣品，氧化膜質(zhì)量的檢測(cè)是根據(jù)零件的使用條件及客戶的要求，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)的，均勻度及膜層厚度可以采用掃描電子顯微鏡測(cè)試；耐磨性可以使用NOS-ISO壹型磨耗試驗(yàn)機(jī)，采用Q/OJS0001－1995標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)合力也稱氧化膜疏松度，可以用5%中性硫酸銅滴在去油后的工件光滑表面，以在15min內(nèi)不顯示銅色為合格，粗糙面及邊緣棱角處則以5分鐘內(nèi)不顯示銅色為合格；耐腐蝕性采用鹽霧試驗(yàn)[11]，在25℃下，用0.05%氯化鈉水溶液作為腐蝕劑，30 min噴一次鹽霧；可以參考的標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 15519-2002《化學(xué)轉(zhuǎn)化膜鋼鐵黑色氧化膜規(guī)范和實(shí)驗(yàn)方法》、兵工民品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WJ 535-2007《炮彈、火箭彈、導(dǎo)彈、引信、火工品鋼零件堿性氧化膜層規(guī)范》和WJ 534-2007《炮彈、火箭彈、導(dǎo)彈、引信、火工品鋼零件加熱氧化膜層規(guī)范》、航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 5062-1996《鋼鐵零件化學(xué)氧化(發(fā)藍(lán))膜層質(zhì)量檢驗(yàn)》、GB5936-1986《輕工產(chǎn)品黑色金屬化學(xué)保護(hù)層的測(cè)試方法》、美國(guó)國(guó)防部軍標(biāo)MID-DLT-13924D標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)DIN50938標(biāo)準(zhǔn)等。 6．常見(jiàn)問(wèn)題和解決措施 粉末冶金方法生產(chǎn)零件，每一道工序都要對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，不合格的產(chǎn)品絕不流入下道工序，蒸汽處理也不例外。檢驗(yàn)處理后的零件，通常會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量問(wèn)題，下面對(duì)常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題的原因進(jìn)行分析，并提出對(duì)應(yīng)的解決措施，表1是對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)。 表1蒸汽處理鐵基粉末冶金常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施 出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題 可能的原因分析 對(duì)應(yīng)的解決措施 零件脆性增加，強(qiáng)度降低 蒸汽處理時(shí)間較長(zhǎng)，氧化層較厚 減少蒸汽處理時(shí)間 蒸汽壓偏大，速度加快，氧化膜較厚 減少蒸汽壓力 部分零件表面附有銹跡 爐內(nèi)零件受熱不均勻，蒸汽與部分零件沒(méi)有良好的接觸 減少裝爐量，或減少料框的裝填量，或增加料框的直徑（井式爐），或改善蒸汽通入方式 零件氧化膜呈暗紅色，甚至疏松多孔 蒸汽壓較大，有過(guò)多Fe2O3生成 增加裝爐量，或減少蒸汽壓力 局部溫度過(guò)高，有過(guò)多Fe2O3生成 降低溫度，或改善加熱方式 零件表面有花斑，或者氧化層不均勻 蒸汽處理前零件表面受到污染，殘存有油污、切削液、拋光液等 增加拋光處理，清洗，烘干等工序 蒸汽處理經(jīng)驗(yàn)需要長(zhǎng)期摸索和累積，除了表1中列出的因素外，在蒸汽處理過(guò)程中還要注意以下細(xì)節(jié)，才能保證零件的合格率。 比如蒸汽處理時(shí)，其它條件完全一樣，產(chǎn)品堆放方式不同，蒸汽處理的效果就可能不一樣。產(chǎn)品堆放有兩種情況：排列有序和隨意堆放。排列有序就是要根據(jù)產(chǎn)品的大小和形狀設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝料工裝，產(chǎn)品分層擺放、相互之間留有一定的間隙，為蒸汽處理質(zhì)量的一致性和均勻性提供了保障，還可以避免產(chǎn)品相互間的磕碰。隨意堆放就是將產(chǎn)品裝入一個(gè)框籃內(nèi)，產(chǎn)品擺放位置、相互之間間隙不確定，對(duì)爐內(nèi)蒸汽流動(dòng)方式和溫度均勻性就會(huì)產(chǎn)生差別，故對(duì)產(chǎn)品蒸汽處理的效果就會(huì)不一樣。 其二，蒸汽壓力和流量的影響。在實(shí)際連續(xù)生產(chǎn)中，溫度基本上是設(shè)定不變的，一般在550℃-570℃范圍，電器自動(dòng)控制，是相對(duì)穩(wěn)定的；蒸汽一般采用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，進(jìn)氣壓力會(huì)有一定的波動(dòng)，比如設(shè)定的是0.40MPa，一般會(huì)在0.25～0.45MPa之間波動(dòng)，它是蒸汽發(fā)生器本身決定的；控制蒸汽的進(jìn)氣流量，比如進(jìn)氣流量要求是6m3/h，實(shí)際上會(huì)有一定的波動(dòng)和誤差，減小進(jìn)氣流量的波動(dòng)誤差，可選擇合適量程的儀表、提高儀表如壓力表、流量計(jì)的精度來(lái)解決；要想減小蒸汽壓力和流量的波動(dòng)范圍，應(yīng)采用加大蒸汽發(fā)生器的功率和容量來(lái)保證。同時(shí)要確保爐體的密封，通常會(huì)因?yàn)闋t蓋邊緣的翹曲、爐沿的不平整影響爐蓋壓緊，造成蒸汽從邊緣冒出，爐內(nèi)氣壓不穩(wěn)定。 還有就是裝爐量，這是需要很準(zhǔn)確控制的。由于通常生產(chǎn)過(guò)程中制訂的蒸汽處理工藝是不變的，如果每次裝爐量不同，會(huì)導(dǎo)致蒸汽處理產(chǎn)品的質(zhì)量不一樣。裝爐量過(guò)多和過(guò)少，都會(huì)使產(chǎn)品表面色澤不一樣，甚至出現(xiàn)有部分產(chǎn)品表面發(fā)紅、尺寸不一致等質(zhì)量問(wèn)題，這是由于裝爐量不同導(dǎo)致蒸汽與產(chǎn)品接觸面積、加熱速度、爐內(nèi)氣氛成分的變化造成的。 總的來(lái)說(shuō)，就是產(chǎn)品要排列有序，減小蒸汽壓力和流量誤差，準(zhǔn)確控制裝爐量，就能較好的控制產(chǎn)品不出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。 7、總結(jié) 本文論述了鐵基粉末冶金零件蒸汽處理的優(yōu)點(diǎn)、機(jī)理、工藝流程、處理后的質(zhì)量檢測(cè)方法和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)蒸汽處理可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決措施。文中提供的內(nèi)容可供相關(guān)技術(shù)和操作人員作參考。 參考文獻(xiàn) [1]徐偉,尹延國(guó),田清源.鐵基粉末冶金齒輪泵側(cè)板摩擦學(xué)性能研究[J].粉末冶金工業(yè),20011,21(3):20-23. 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