鐵基粉末冶金零件的蒸汽處理.doc

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鐵基粉末冶金零件的蒸汽處理 關鍵詞: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中得到了廣泛應用。 本文論述了鐵基粉末冶金零件蒸汽處理的優(yōu)點、機理、工藝流程以及零件在蒸汽處理后的檢測方法和標準，并對常見的問題進行分析和提出相應的解決措施。 關鍵詞粉末冶金,蒸汽處理,鐵基零件 本論文已公開刊出，如需引用或參考，請注明出處： 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)代制造技術與裝備?？?012第十四屆華東五省一市粉末冶金交流會.2012：58-61. 作者簡介：李其龍，男，碩士學歷，主要從事材料科學與機械加工方面的研究。Email：li-qilong@163.com 1．引言 粉末冶金工藝可以用來制造多種材料的零件[1-4]，而鐵基零件又是主要產品，在汽車、農機、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，也可以作為結構零件使用，比如齒輪、轉子等。粉末冶金生產工序通常包括制粉、混粉、壓制、燒結等[5]，工業(yè)制造鐵基粉末冶金零件，此外，高溫水蒸汽處理，簡稱蒸汽處理，也是大部分零件中所必經的工序，它是對粉末冶金件的后續(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于生產，本文根據(jù)作者對蒸汽處理的理解和在實踐中的一些經驗總結，就蒸汽處理的優(yōu)點、機理、工藝流程、質量檢測以及常見問題和解決措施進行分析討論。 2．蒸汽處理工藝的優(yōu)點 在用粉末冶金工藝開發(fā)鐵基零件過程中，傳統(tǒng)的壓制-燒結工藝制造的零件，一次壓制密度一般在7.0g/cm3左右，即相對密度在90%左右，采用復壓-復燒工藝和溫壓工藝制造的零件，相對密度一般都在92%～94%之間，即粉末冶金零件不可避免的存在著空隙，蒸汽處理一個很重要的目的就是封孔作用。對于制冷壓縮機用粉末冶金零件來說，蒸汽處理已經成為對其封孔，增加其氣密性的最好、最經濟的工藝，比如連桿式壓縮機中的活塞，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]。為進行蒸汽處理的零件在使用和放置過程中，環(huán)境中的水汽和一些腐蝕介質容易吸附在表面和入浸到內部，在不均勻組織之間產生微電池腐蝕，導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發(fā)藍處理明顯增加[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表面，就會發(fā)生氧化反應，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，使零件的內部連通空隙封閉，達到封孔的目的，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，導致環(huán)境中的水汽和腐蝕介質難以進入零件內部，到達良好的防銹功能。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，抗拉強度也可以得到提高，文獻[8]顯示，蒸汽處理后，鐵基材料的抗拉強度提高40-50%。 蒸汽處理后的零件，上乘的處理結果是零件外觀顏色呈現(xiàn)出非常光滑美觀的藍黑色金屬光澤，這種顏色，人眼看上去是比較舒適的，在分揀、包裝產品時，不容易產生視覺疲勞。蒸汽處理前后對零件尺寸影響不大，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]，在技術和裝置都沒有苛刻的要求，企業(yè)較容易滿足其處理條件，處理時對環(huán)境沒有污染，能耗不高，經濟環(huán)保。 3．蒸汽處理機理 Fe在不同的條件下，可能會生成三種氧化物，即FeO、Fe2O3、Fe3O4，F(xiàn)eO不穩(wěn)定，且具有多孔結構，F(xiàn)e2O3是非常疏松的氧化物，它們兩者與鐵基體的結合力都不強，不利于提高零件的硬度、氣密性等，蒸汽處理應避免其生成，F(xiàn)e3O4是一種硬質化合物，是蒸汽處理所希望得到的氧化物。影響蒸汽處理的關鍵參數(shù)有：蒸汽處理溫度即爐中的溫度、保溫時間和通入爐中的水蒸汽量，根據(jù)零件的工藝要求，通過控制這三個參數(shù)來控制蒸汽處理的質量。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發(fā)生下面5個可逆反應[6]： 570℃以下，3Fe+4H2O?Fe3O4+4H2反應① 570℃以上，K值較低：Fe+H2O?FeO+H2反應② 570℃以上，K值較高：3FeO+H2O?Fe3O4+H2反應③ 570℃以下,③未完成：4FeO→Fe3O4+Fe反應④ K值很大時：2 Fe3O4+H2O?3Fe2O3+H2反應⑤ 若蒸汽處理按反應①進行，蒸汽與鐵基材料發(fā)生反應生成一種粘附性的蘭黑色氧化物，即Fe3O4，此是蒸汽處理時的理想反應，是我們想要得到的，例如在550℃，K=0.5時，即發(fā)生該反應。反應②是在溫度超過570℃，在蒸汽量較低時發(fā)生，反應③是在反應②的基礎上發(fā)生的，我們單從反應結果上看，都生成了Fe3O4和H2，兩者沒有什么不同，但實際是不同的，由于FeO與鐵基體的結合力較弱，在此基礎上生成的Fe3O4難以牢固的黏附于基體上，若反應②生成的FeO沒有進一步發(fā)生反應③生成Fe3O4，在降溫時570℃以下會發(fā)生反應④，這種結果同樣也達不到蒸汽處理的目的。當K值很大時，比如500℃，K=19，可能會發(fā)生反應⑤，生成的Fe3O4可能會進一步反應生成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部的水分，防止有些零件生銹。有些流程根據(jù)實際情況可以省去，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量，6是后處理，主要目的是防銹，7是對結果進行檢驗，確保零件蒸汽處理的結果符合要求。 蒸汽處理的具體過程是：將適量工件放入夾具內，在爐溫達到350～370℃時裝入爐中，10～15min后（估計工件的溫度在150℃以上，以避免蒸汽凝結）通電加熱，隨即通入蒸汽，這時，應完全打開排氣閥，進氣壓保持在0.2～0.3MPa，以便排除爐膛中的空氣，排氣10～15min，調節(jié)排氣閥，提高爐膛蒸汽壓力到0.3～0.5MPa，進氣壓力相應地提高到0.4～0.6MPa，然后直接升溫到540～570℃，保溫60～200min，保溫時間根據(jù)裝爐量的多少和經驗確定。保溫時蒸汽壓力保持不變。保溫完畢，應立即打開排氣閥，進氣壓力可適當加大，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，提高表面質量。要注意的操作事項有：首先裝料必須合理，這是保證處理質量的前提，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，接著是清洗后的入爐過程，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，最好將蒸汽，電源切斷，然后出爐。 5．蒸汽處理質量檢測 蒸汽處理后的零件表面已經生成了一層氧化膜，為了保證膜的質量，應對其進行質量檢測，包括外觀檢測、耐磨性檢測、抗腐蝕性檢測等，檢測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，再次進行拋光等處理，重新蒸汽處理。 外觀檢驗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的黑色，但由于零件化學成分及蒸汽處理的時間溫度不同，顏色也會略有不同。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》、《黑色金屬化學保護層的外觀》等。 零件蒸汽處理后，檢測時應按GB/T 12609 -2005《電沉積金屬覆蓋層和相關精飾計數(shù)檢驗抽樣程序》從檢查批中隨機抽取樣品，氧化膜質量的檢測是根據(jù)零件的使用條件及客戶的要求，根據(jù)相關標準進行檢測的，均勻度及膜層厚度可以采用掃描電子顯微鏡測試；耐磨性可以使用NOS-ISO壹型磨耗試驗機，采用Q/OJS0001－1995標準；結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內不顯示銅色為合格，粗糙面及邊緣棱角處則以5分鐘內不顯示銅色為合格；耐腐蝕性采用鹽霧試驗[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；可以參考的標準有：GB/T 15519-2002《化學轉化膜鋼鐵黑色氧化膜規(guī)范和實驗方法》、兵工民品行業(yè)標準WJ 535-2007《炮彈、火箭彈、導彈、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)標準HB 5062-1996《鋼鐵零件化學氧化(發(fā)藍)膜層質量檢驗》、GB5936-1986《輕工產品黑色金屬化學保護層的測試方法》、美國國防部軍標MID-DLT-13924D標準、德國DIN50938標準等。 6．常見問題和解決措施 粉末冶金方法生產零件，每一道工序都要對其進行檢驗，不合格的產品絕不流入下道工序，蒸汽處理也不例外。檢驗處理后的零件，通常會出現(xiàn)一些質量問題，下面對常見的質量問題的原因進行分析，并提出對應的解決措施，表1是對其進行歸納總結。 表1蒸汽處理鐵基粉末冶金常見問題及解決措施 出現(xiàn)的質量問題 可能的原因分析 對應的解決措施 零件脆性增加，強度降低 蒸汽處理時間較長，氧化層較厚 減少蒸汽處理時間 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 爐內零件受熱不均勻，蒸汽與部分零件沒有良好的接觸 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，有過多Fe2O3生成 增加裝爐量，或減少蒸汽壓力 局部溫度過高，有過多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 蒸汽處理經驗需要長期摸索和累積，除了表1中列出的因素外，在蒸汽處理過程中還要注意以下細節(jié)，才能保證零件的合格率。 比如蒸汽處理時，其它條件完全一樣，產品堆放方式不同，蒸汽處理的效果就可能不一樣。產品堆放有兩種情況：排列有序和隨意堆放。排列有序就是要根據(jù)產品的大小和形狀設計相應的裝料工裝，產品分層擺放、相互之間留有一定的間隙，為蒸汽處理質量的一致性和均勻性提供了保障，還可以避免產品相互間的磕碰。隨意堆放就是將產品裝入一個框籃內，產品擺放位置、相互之間間隙不確定，對爐內蒸汽流動方式和溫度均勻性就會產生差別，故對產品蒸汽處理的效果就會不一樣。 其二，蒸汽壓力和流量的影響。在實際連續(xù)生產中，溫度基本上是設定不變的，一般在550℃-570℃范圍，電器自動控制，是相對穩(wěn)定的；蒸汽一般采用蒸汽發(fā)生器產生，進氣壓力會有一定的波動，比如設定的是0.40MPa，一般會在0.25～0.45MPa之間波動，它是蒸汽發(fā)生器本身決定的；控制蒸汽的進氣流量，比如進氣流量要求是6m3/h，實際上會有一定的波動和誤差，減小進氣流量的波動誤差，可選擇合適量程的儀表、提高儀表如壓力表、流量計的精度來解決；要想減小蒸汽壓力和流量的波動范圍，應采用加大蒸汽發(fā)生器的功率和容量來保證。同時要確保爐體的密封，通常會因為爐蓋邊緣的翹曲、爐沿的不平整影響爐蓋壓緊，造成蒸汽從邊緣冒出，爐內氣壓不穩(wěn)定。 還有就是裝爐量，這是需要很準確控制的。由于通常生產過程中制訂的蒸汽處理工藝是不變的，如果每次裝爐量不同，會導致蒸汽處理產品的質量不一樣。裝爐量過多和過少，都會使產品表面色澤不一樣，甚至出現(xiàn)有部分產品表面發(fā)紅、尺寸不一致等質量問題，這是由于裝爐量不同導致蒸汽與產品接觸面積、加熱速度、爐內氣氛成分的變化造成的。 總的來說，就是產品要排列有序，減小蒸汽壓力和流量誤差，準確控制裝爐量，就能較好的控制產品不出現(xiàn)質量問題。 7、總結 本文論述了鐵基粉末冶金零件蒸汽處理的優(yōu)點、機理、工藝流程、處理后的質量檢測方法和檢測標準，并對蒸汽處理可能出現(xiàn)的質量問題進行分析，提出了相應的解決措施。文中提供的內容可供相關技術和操作人員作參考。 參考文獻 [1]徐偉,尹延國,田清源.鐵基粉末冶金齒輪泵側板摩擦學性能研究[J].粉末冶金工業(yè),20011,21(3):20-23. 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