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CAD技巧

粉末冶金铁基零件蒸汽处理易出现问题及解决方法

时间:2020-01-18 15:51:49   作者:Jack.L   来源:   阅读:147   评论:0
  蒸汽处理是一种提高粉末冶金零件硬度、防锈、耐腐蚀性、密封性的常用方法。井式蒸汽炉是粉末制品蒸汽处理中广泛使用的设备,但在蒸汽处理过程中,零件会出现表面粗糙无光泽;呈暗红色,易脱落;灰白花纹,似未氧化;零件发脆等质量问题。本文基于蒸汽处理的基本原理,对蒸汽处理后的法兰和皮带轮的外观颜色,力学性能和表面化学成分进行分析与测定。并结合实际生产经验,通过调节工艺参数(温度℃,蒸汽处理时间t,单位气体流量(Mp/s))和蒸汽炉料筐内零件的摆放方式。解决蒸汽处理过程中出现的质量问题,达到理想效果。

  1蒸汽处理的基本原理


粉末冶金铁基零件蒸汽处理易出现问题及解决方法

  蒸汽处理过程中,Fe在不同的温度和蒸汽压力下能生成三种氧化物:FeO、Fe3O4、Fe2O3。图1、图2为蒸汽处理反应的两个基本图形。

  如图1所示,在570℃左右,Fe在不同蒸汽流量下发生三个可逆反应:

  570℃以下,a-T

  3Fe+4H2O?Fe3O4+4H2(1)

  570℃以上K(<1.1)值较低(K=%H2O/%H2),T-b

  Fe+H2O?FeO+H2(2)

  570℃以上k(>1.1)值较高,T-c

  3FeO+H2O?Fe3O4+H2(3)

  图2的上方,表示在不同气流平衡常数K下的可逆反应:

  2Fe3O4+H2O?3Fe2O3+H2(4)

  平衡常数K>4以后生成的Fe3O4有可能进一步氧化生成Fe2O3。

  另外,在温度570℃上方生成的FeO如未进一步完成反应(3)生成Fe3O4,则在随后的冷却过程中,即570℃以下时,FeO将发生歧化反应生成新生态的银白色Fe:

  4FeO→Fe3O4+Fe(5)

  蒸汽处理的成败,或者说表面质量好坏,取决于在蒸汽反应过程中,表面是否生成了连续且致密的Fe3O4氧化膜。如果在处理过程中,还伴有其他氧化反应,则根据其反应的先后和程度,导致出现各种质量故障[1,2]。

  2实验材料及蒸汽处理工艺

  2.1实验零件

  莱钢粉末冶金公司生产的100目的雾化铁粉,经混粉压制,烧结等处理后的法兰和皮带轮(如图3)。

  2.2零件处理工艺

  烧结成型—出炉(冷却、干燥)—抛丸(抛丸机)—井式蒸汽炉加热到一定温度—放入零件—通蒸汽(加热至480℃)—保温—冷却(480℃)—停止通蒸汽—随炉冷却—出炉。具体蒸汽处理工艺流程见图3。

  蒸汽炉升温至480℃,然后将零件放入蒸汽炉内,此时温度急剧下降至320℃,继续加热至480℃,通入蒸汽;再加热至520℃,保温60分钟;然后降温至460℃,停止通蒸汽并保温20-40分钟;然后降至室温,出炉。

  3零件表面出现的质量问题,分析及解决方法

  3.1问题之一的分析及解决方法

  质量问题:零件出炉后(如图6料筐1的中下部位),表面呈蓝黑色,但无美观的金属光泽,表面粗糙无光滑,防锈能力差(如图5-a)。

  分析:蒸汽处理主要的目的是生成一层蓝黑色具有金属光泽致密的Fe3O4膜,由图1可知,反应在570℃以下进行。其反应是一个放热反应,料筐的局部温度可能超过570℃,受测温装置局限性的影响,显示的数据不能准确反应局部温度。若蒸汽量供应不足,则按反应(2)生成FeO。在料筐中间及气流死角处,蒸汽供给不足,通气也不流畅。使蒸汽和氢气比值下降,而生成的FeO不能完全参与公式(3)反应。在冷却过程中,FeO发生歧化反应生成Fe3O4和Fe。在炉内环境下,新生成的Fe极易被氧化腐蚀,结果导致以上质量问题。

  解决措施:①根据不同的零件形状,选择不同的摆放方式(如图6)。通气不流畅,导致料筐中间部位蒸汽供应不足。可将料筐3和2中间的零件呈凹字形摆放,以减少对蒸汽流通的妨碍;最上层料筐1,适当的多放些零件,以增加蒸汽的利用率。②适当的增加单位时间内蒸汽的流量。供气充足了利用率自然上升(建议上调0.01Mp/s即可达到理想的效果),此时应适当减少供气时间,提高生产率。③适当降低温度(降低20-40℃),避免炉子中间出现高温,影响零件的质量。绝大部分井式蒸汽炉,使用一组热电偶来测试炉膛外壁温度,测温点少,不能准确的反映炉膛中间的温度变化。故降低温度避开出现570℃以上的高温。

  如图5(e)所示,皮带轮表面光滑有金属光泽,经测试为合格零件。

  3.2质量问题之二的分析及解决方法

  质量问题:出炉后(在料筐3的最下部四周边沿),部分零件表面呈红色,有时出现大块红斑容易脱落(如图5-b)

  分析:在反应生成物中只有Fe2O3是红色的,俗称铁红。钢铁生锈出现红色后,容易形成疏松多孔物锈斑且易脱落。

  铁基材料的蒸汽处理反应十分迅速,经处理一段时间后,形成的Fe3O4氧化膜不断增多,并逐渐覆盖整个零件表面,随着反应的进行,反应速度逐渐下降。蒸汽处理60min后,零件氧化增重8.0%左右,但在开始20min内,氧化增重已达到6.0%左右,占整个反应过程的75%[1,2]。从中可以看出前后反应速率相差很大。Fe与蒸汽反应是一个产生H2和Fe3O4的过程。随着零件表面生成Fe3O4的增多,反应速度会逐渐降低,成生的H2不断减少,由图2可知,水蒸气与H2的平衡常数K会迅速增大,当K达到一定值时,加之炉内温在400℃以上,Fe3O4会氧化生成红色疏松多孔的Fe2O3。

  解决措施:在料筐中适当的增加零件数目,仍按凹字形摆放零件。充分的利用资源,使反应产生更多的H2,并使通气顺畅。

  3.3质量问题之三的分析及解决方法

  质量问题:皮带轮表面出现灰白色花斑,好像没有发生反应(如图5-c)。

  分析:由于皮带轮在烧结出炉后,要进行车削加工,蒸汽处理后要压入钢圈。这样不可避免的使部分切削液残留在零件表面或局部,干燥后留有痕迹。在进行蒸汽处理时,表面形成的油膜阻碍了水蒸气与Fe的反应,未氧化生成Fe3O4而形成银灰色或灰白色。

  解决措施:①在切削时尽量的避免切削液的污染。②如果被污染的现象严重,可以用汽油清洗,然后快速干燥。根据化学中的相似相溶原理[4],汽油可以溶解与之相类似的石油化工产物,且汽油易挥发,这样被污染的零件就清洁了。此方法使用于少量的被污染零件。③在进行蒸汽处理前,可进行抛丸处理,去除表面切削液留下的痕迹。④直接入炉,加热至380℃左右,使残留的切削液挥发,炉内会冒出大量的烟,直至蒸汽炉中无烟冒出,封盖进行蒸汽处理。

  3.4质量问题之四的分析及解决方法

  质量问题:将压制钢圈的皮带轮进行蒸汽处理,出炉后发现皮带轮出现微小裂纹,零件发脆,但表面硬度还很高,强度明显下降(如图5-d)。

  分析:Fe3O4是一种硬而脆的物质,硬度为50HRC[1]。蒸汽处理过程是铁基表面生成Fe3O4膜的氧化增重过程,也是密度下降的过程。粉末制品本身密度低,气孔率高,进行蒸汽处理氧化增重更大。由于低密度零件本身强度低,脆性大,氧化增重高,导致硬度上升,出现以上质量问题[3]。

  解决措施:对于不同的零件适当的减少蒸汽处理时间。对于薄壁零件,通入蒸汽的时间减少5-15min;厚壁零件根据要求适当调节。

  通过调节蒸汽处理时间,零件的硬度基本没变,韧性提高,达到实际生产的要求。

  4.结论

  为避免蒸汽处理后零件出现质量问题,结合以上理论和经验提出以下几点操作措施:

  (1)在入炉前根据零件自身的几何形状,选择合理的摆放方式,做到通气流畅。

  (2)由于采用热电偶测试炉膛外壁温度,测温点少,其中心温度过高,适当的降低炉膛内的温度(推荐降低20℃-40℃)。

  (3)适当的增加单位时间内的蒸汽流量,上调0.01Mp/s即可达到理想的效果。

  (4)选择合适的工艺流程,避免对未经处理的零件产生不必要的污染。

  

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