寇充满 安春辉

1.西部宝德科技股份有限公司，陕西西安 710201；2.西安诺博尔稀贵金属材料有限公司，陕西西安 710201

粉末冶金材料在汽车、生活用品、装备制造行业的应用非常广泛，正在逐步取代低强度、低密度、低硬度的铸铁材料，而随粉末冶金材料技术水平的不断提升，其应用于高精度零件的前景非常广阔。其中，粉末冶金材料的热处理工艺水平是造成粉末冶金材料物理性能存在差异的主要问题之一，造成粉末冶金材料仍旧存在一定的缺陷。而为了扩大粉末冶金材料的应用，必须采取有效措施提高热处理工艺水平，提高粉末冶金材料的性能。

1 粉末冶金材料概述

1.1 粉末冶金材料的分类

传统粉末冶金材料包括铁基粉末冶金材料、铜基粉末冶金材料、难熔金属材料、硬质合金材料、粉末冶金电工材料、摩擦材料、减摩材料几种类型。铁基粉末冶金材料是最基本、最传统的材料，主要应用于汽车制造业，当前其应用范围和需求量正在逐步扩大；铜基粉末冶金材料抗腐蚀性好、表面光滑、没有磁性干扰，主要用于电工器件、设备零件等制造业；难熔金属材料的熔点、硬度、强度均处于较高水平，主要被用于国防、航空航天、科研领域；硬质合金材料由一种或多种难熔金属经碳形成，具有高熔点、高硬度、高强度的特点，多用于切削领域；粉末冶金电工材料主要用于电气行业，其中，电阻器件的主要材质就是此类材料，这种材料对真空技术中的电力管阴极、电加热元件具有显著作用；摩擦材料具有较强的摩擦磨损性能，能实现各个元件间的动力阻断与传递，实现物质的减速、停止；减摩材料摩擦系数较低、耐磨性较高，还具有较强的自润滑性能，主要用于金属铸造领域和塑料减摩材料领域[1]。

现代粉末冶金材料主要分布于信息领域、能源领域、生物领域。其中，软磁材料就是信息领域粉末冶金材料的主要类型，其又分为铁氧体软磁材料、金属软磁材料，具有较强的饱和磁化性能与导磁率；能源领域的粉末冶金材料有效促进了新能源的发展，不仅是当前新能源发展的关键组成部分，还是新能源材料发展的重要前提与基础，新能源材料发展的主要方向包括电池、氢能、太阳能等多个方面，能源领域的粉末冶金材料应用范围会逐渐变的广阔；生物领域的粉末冶金材料能够有效改善人们的健康状况，大大提高了人们的生活质量。

1.2 粉末冶金材料热处理效果的影响因素

粉末冶金材料的烧结孔隙产生不可避免，这种孔隙给材料的热处理效果带来了较大影响，特别是材料孔隙率的变化会影响热处理效果的变化，而通过加入一定的合金元素能够改善粉末冶金材料的致密性与晶粒度。文章对粉末冶金材料热处理效果的影响因素进行简单分析。

1.2.1 孔隙影响热处理过程

粉末冶金材料热处理过程中，需要通过快速冷却抑制奥氏体扩散，进而获取马氏体，但是粉末冶金材料孔隙的存在会影响材料散热性能。根据导热率公式可知，淬透性会随材料孔隙率的降低而提升，另外，孔隙会降低材料密度，直接影响粉末冶金材料热处理表面硬度及淬硬深度数值，同时与材料密度存在关联，容易降低材料表面硬度，并且由于孔隙的存在，淬火不能使用盐水作为介质，必须避免其造成腐蚀，多在真空或其他气体介质中进行[2]。

1.2.2 孔隙率影响表面淬硬深度

粉末冶金材料热处理成效与材料渗透性、密度、导热性、电阻特性都有关联，而这些因素的出现都是由于孔隙率的存在，当孔隙率超过一定数值后就会通过孔隙进行渗透，影响到粉末冶金材料的渗碳硬化，增加渗碳深度，降低表面硬化效果；并且若渗碳气体渗入过快，粉末冶金材料容易在淬火过程中出现软点，直接降低表面硬度，造成材料出现脆变、变形等问题。

1.2.3 合金含量及类型影响处理效果

常见的合金元素是铜、镍，在粉末冶金材料中，这两种元素的含量、类型都会影响材料热处理效果。粉末冶金材料的热处理硬化深度会随铜、碳含量增加逐渐升高，达到一定标准后又会逐步降低，而含有镍合金的粉末冶金材料刚度大于含有铜合金的粉末冶金材料，但是前者的不均匀性会造成粉末冶金材料奥氏体组织出现不均匀的问题。

1.2.4 高温烧结对热处理效果的影响

粉末冶金材料的高温烧结能够获取最佳的合金效果，并提升粉末冶金材料的致密化，但是由于现场处理过程中烧结温度存在差异，会出现不同结果，特别是较低的烧结温度情况下，粉末冶金材料的热处理敏感性降低，减少固溶体中的合金含量及其机械性能，所以高温烧结过程中要注意添加还原气体进行辅助，以便获取较好的热处理效果[3]。

2 粉末冶金材料的热处理工艺分析

粉末冶金材料的热处理工艺需要结合材料化学成分、晶粒度等进行确定，其中，材料孔隙是一项非常重要的参数，在压制和烧结粉末冶金材料的过程中，整个部件孔隙贯穿其中，其存在会直接影响热处理工艺方式的选择和最终的热处理工艺效果。较为常用的粉末冶金材料热处理工艺形式包括：淬火处理、蒸汽处理、化学热处理、特殊热处理，现就这几种方式进行简单分析。

2.1 淬火处理

由于粉末冶金材料中存在孔隙，影响其传热速度，低于致密材料的传热速度，在进行淬火处理过程中，其淬透性相对较差。并且，在粉末冶金材料淬火时，其烧结密度与材料导热性能成正比，粉末冶金材料由于烧结工艺与致密材料的差异，其整体均匀性比致密材料要好，部分小型微观区域的不均匀性存在差异，因此，完全奥氏体化的时间相对要长，在增加了合金元素后，完全奥氏体化的温度变高、周期变长。

为提高粉末冶金材料的热处理工艺中的淬透性，一般会加入镍、钼、锰、铬、钒等合金元素，其与致密材料中的存在作用、机理是一致的，能够显著细化晶粒，若其溶于奥氏体后能够有效提升冷奥氏体的稳定性，确保淬火处理过程中的奥氏体转化，提高淬火材料表面硬度，增加淬硬深度。在粉末冶金材料淬火处理完成后会进行回火处理，其温度对控制粉末冶金材料性能影响较大，需要根据相应的材料特征来确定对应的回火温度，努力降低回火脆性的不利影响[4]。

2.2 蒸汽处理

使用蒸汽对粉末冶金材料进行热处理，可以使得材料表面氧化，然后在粉末冶金材料的表层形成氧化膜，只有这样才能达到改善粉末冶金材料性能的目的，特别是对于粉末冶金材料的防腐性能来说，相较于发蓝处理具有更好的效果和更长的寿命，受到蒸汽氧化处理后的粉末冶金材料的硬度、耐磨性等方面都会显著增加。

2.3 化学处理

粉末冶金材料的化学处理过程中一般出现分解、吸收、扩散三个过程，如：渗碳热处理就是通过一氧化碳与碳、二氧化碳之间的转化进行放热，然后通过甲烷与碳、氢之间的转化进行吸热，在这个过程中，碳被分解出来后，被金属吸收，然后逐步向其内部扩散，当粉末冶金材料表面的碳浓度满足相应标准后再进行淬火、回火处理，能够大大提升粉末冶金材料表面硬度，以及材料整体的淬硬深度。由于粉末冶金材料密度越高、孔隙效应越弱，化学热处理效果越差，因此，需要使用还原性气体进行保护，结合粉末冶金材料孔隙的特征可知：其加热、冷却的速度都是低于致密材料的，加热过程中要注意延长保温时间，提供加热的温度数值。

粉末冶金材料的化学处理包括多元共渗、渗氮、渗碳、渗硫几种方式，在进行化学处理过程中，材料的淬硬深度与材料密度有很大关系，所以在进行粉末冶金材料的热处理工艺过程中采取相应措施，如采用适当延长时间的方式进行处理，以便更好地提升材料的硬度和耐磨性。

2.4 特殊处理

粉末冶金材料的特殊热处理工艺包括激光表面硬化、感应加热淬火等多种新型技术类型。激光表面硬化的特殊热处理工艺借助激光作为热源对金属表面进行快速升温、冷却，促使奥氏体晶粒内部结构无法及时恢复成结晶状态，从而获取相应的超细结构；感应加热淬火的特殊热处理工艺利用高频电磁感应涡流，大幅提升材料加热温度，显著增加其表面硬度，但是在处理过程中容易存在软点，可以采取间断加热的方式来延长材料奥氏体化的周期。

3 结语

粉末冶金材料的热处理工艺是一项复杂的反应过程，其热处理工艺水平与烧结温度、合金元素含量、孔隙率、合金类型等都存在关联，材料整体的内部均匀性较差，要想获得良好的淬透性，必须延长相应的处理时间，并加入合金元素。因此，要想扩大粉末冶金材料的应用范围必须在当前技术条件下找出最为适宜的热处理工艺模式，以便满足工业发展需求。