蒸汽处理原理

1、秘！某外资粉末冶金公司内部培训教材之表面蒸汽处理(1/2)2014-10-15黑占右遑注 粉末冶金圈点击上方蓝字关注我们m序言为了提高铁基粉末冶金制品抗腐蚀的能力，有时还进行必要的表面处理和其 他处理，如蒸气处理、电镀浸渍等，经处理后，制品表面生成一层抗腐蚀的薄，或者镀复一层薄膜等，以防止腐蚀介质对制品的侵蚀或获得其他性能要求。气处a蒸气处理就是把制品放在过饱和蒸气中加热，水蒸气和制品表面的铁发生氧 化反应，生成一层新的氧化膜。当氧化膜主要为致密的Fe3O4时，该氧化膜具 有防锈的能力，并且稍许提高制品的强度和硬度，在运转中又能降低摩擦系数， 因而提高了耐磨性和抗腐蚀性。目前该公司蒸汽处理有两

2、种形式：一是连续黑化，另一种是井式黑化。这两 种形式的基本原理是一样的。但两者之间也有差别。他们的黑化层的厚度不同。一般井式黑化的厚度层是4um，最厚的可以达到10um.连续黑化的厚度层为2um。蒸气处理的基本原a蒸气处理在不同的温度和蒸气压力下，能生成Fe3O4、也能生成FeO。FeO 是一种不致密的多孔结构、并且与基体铁的结合强度很弱，不能起到保护表面层 的作用。所以这个反应在蒸气处理过程中是不希望的。铁、氧化铁、与水蒸汽、 氢气（反应生成的），在不同温度下是可逆的平衡反应。水蒸汽处理温度低于570C时，3Fe+4H26Fe3O4+4H2水蒸汽处理温度高于570C时，Fe+H2AFeO+H

3、2温度高于570C时，与FeO共同存在。在570C以上生成的FeO，当温度降低 到达570C以下时，FeO不稳定，易分解成Fe3O4/Fe，组织的抗蚀性不佳，容 易被腐蚀，将按下式发生共析分解：4FeO-Fe3O4+Fe这时生成的Fe具有强烈的腐蚀倾向。这就是一般蒸汽处理时，为什么规定温度 不高于570C的理论根据。此时FeO与Fe3O4的比例则与冷却速率有关，冷却愈快则残留的FeO愈 多。这就是连续式蒸汽处理炉冷却部不是水冷，与烧结炉不一样，而炉尾采用保 温。且炉尾温度不宜过低，防止冷却过快；另一方面防止水蒸汽在炉尾形成冷凝 水，而滴落产品表面而形成锈斑（Fe2O3）。一般炉尾温度控制在18

4、0C 380C 左右（针对本公司连续式蒸汽处理炉而设定的工艺条件）。在温度高于570C以上，根据理论，所得氧化层由内往外分别为Fe , FeO, Fe3O4与Fe2O3，愈接近外界，氧化物的氧含量愈高，此时的Fe2O3层为青 白色，极薄而不易观察到，系零件在高温下由炉内取出时，与空气发生反应而产 生。因此井式黑化炉出炉温度不宜过高。一般480C500C时出炉。但是要提出，当零件的碳含量约0.8 1.0%,且处理的负载量很大，若直接 将零件由高温移到空气中冷却，空气将会与零件中的碳发生放热反应，所释放的 热会使铁产生红锈。所以，对于碳含量较高的零件，一般400OC450OC时出炉 （针对本公司井

5、式炉状况而设定的工艺条件）。当蒸汽处理的气氛中水分含量高，也就是K= H2O /H2高于临界值时，将 发生下列反应：2Fe3O4+ H263 Fe2O3+ H2就K= H2O / H2来看，在下列二种情况下，K都可能增大到大于临界值。 是气氛中含H2量很少，比如，在一个大炉子中仅处理几个小的铁零件时，一 是由于水进入炉膛，H2O的浓度增大。比如，温度400C时，Fe2O3/ Fe3O4 处于平衡状态的K值为9。若有水滴在零件的表面，则水湿处的K值可能达到 100，因这时K9，在400C下，在零件表面的滴水处将生成Fe2O3被处理的零件加热不充分时，通入的水蒸汽也可能在被处理的零件上凝结为 水，

6、这也可能增高炉膛中水的浓度。红色氧化铁（即铁锈）疏松多孔，不粘附在Fe基体上。因此，在蒸汽处理 中应尽量避免生成红色氧化铁（Fe2O3）。当水蒸汽处理的气氛中含有游离O2时，也可能由于下列反应生成红色氧化 铁：2Fe3O4+2H2O+1/2O23 Fe2O3+2 H2O因此，蒸汽处理时，零件装炉后必须将炉中的空气全部赶出，将处理气氛中 的含氧量降低到0.1%以下。一般认为制品孔隙度小于20%时实际上只是在制品表面上形成一层Fe3O4 薄膜，厚度一般控制在34微米，水蒸汽不能侵入到制品内部。但当制品孔隙 度大于2 0%时，随着孔隙度增加，氧化增重也增加，即孔隙度增大、制品被蒸汽氧化量也增多。（二

7、）蒸汽处理的优缺点蒸汽处理的优点1.铁基零件的耐磨性得到改善，位于零件表面的在连通孔隙网中形成的氧化铁 磨去后，位于孔隙网中的内层氧化铁仍可连续地提供耐磨性；. Fe3O4层非常牢固地粘附在铁基体上；.依据处理条件，抗压强度可增高达25%左右；. Fe3O4层厚达5um左右时，将变成非渗透性的，从而使所处理的烧结机械 零件的抗锈蚀性得到改进。在孔隙中产生局部腐蚀电池的危险性减小；蒸汽处理可将表面孔隙封闭。从而，可防止以后电镀时电解质渗入和残留在 零件内部；当烧结铁基零件表面的孔隙全部被封闭时，可承受高的气体压力；一般来说，水蒸汽处理时，尺寸会增加，但增加很小。对烧结零件的尺寸精 度影响不大；（

8、有些产品外径尺寸不但不增大，反而处理后会收缩）XGTT154-2F水蒸汽处理经济。蒸汽处理封闭孔隙的费用大约为渗铜封孔费用的15%，约 为树脂浸渍封孔费用的30% ；水蒸汽处理后，特别是浸油后，零件外观呈蓝黑色；已证实，某些合金（例如，Fe-Cu合金）在蒸汽处理的同时发生沉淀硬化，从而改进材料的性能。汽处理的缺点：抗压强度、冲击强度及延展性都有所减低。（三）水蒸汽处理对烧结铁基零件孔隙度的影响烧结铁基零件一般都是多孔性的。含有的孔隙有二种：一是与表面的开口孔 隙，一是孤立的不与表面连通的孤立孔隙。这两种孔隙的总和叫做总孔隙度。水蒸汽不断于所有开口孔隙的表面发生反应，致零件氧化增重，从而引起开口

9、孔 隙度的减小，在处理初期，一些开口孔隙变成了孤立孔隙，这些孤立孔隙并没有 被铁的氧化物填满。下图模型说明了这种情况。一旦开口孔隙被孤立，它就不再 能接触新鲜水蒸汽，因此，这些孔隙表面的氧化层就只能靠扩散来增厚了。（三）水蒸汽处理对烧靖铁基零件孔隙度的影响烧结铁基零件一般都是多孔性的。含有的孔隙有二种：一是与表面的开口孔 隙，一是孤立的不与表面连通的孤立孔隙。这两种孔隙的总和叫做总孔隙度。水蒸汽不断于所有开口孔隙的表面发生反应，致零件氧化增重，从而引起开口孔 隙度的减小，在处理初期，一些开口孔隙变成了孤立孔隙，这些孤立孔隙并没有 被铁的氧化物填满。下图模型说明了这种情况。一旦开口孔隙被孤立，它

10、就不再 能接触新鲜水蒸汽，因此，这些孔隙表面的氧化层就只能靠扩散来增厚了。孔隙孤立模型M初始阶段b）封闭时，箭头指水 汽流动方向反应得到的氧化物组成成分分布视反应温度而定，若温度较低（小于570。0 则可得到较多的Fe3O4但氧化层的生成速率却很慢若温度偏高大于600。）, 则大部分为FeO，而其生成速率却很快。利用高温处理虽然可缩短反应时间而 得到表面膜厚相同的氧化层。但FeO的高速成长会迅速地将零件表面的开口孔隙封住，使得蒸汽所能渗 入作用的区域变窄，也就是说水蒸汽不能供给内部孔隙，内部孔隙表面未能充分 的氧化，仅只增大表面氧化层的厚度。因此对于密度相同的零件，当反应时间相 同，以高温处理所增加的重量反而比以低温处理的低。处理时间的影响当氧化开始时，其反应速率很快，但随着氧化层厚度的增加，水蒸汽所能扩 散至内部反应的量减少，反应速率亦随之减缓。约二小时后反应即已大部分完成。零件密度的影响水蒸汽主要是靠零件内部连接网路而得以扩散至内部反应，当零件密度愈 高，其通孔的量亦愈少，通孔也愈容易变为闭孔，因而其蒸汽处理的效果较密度 低的差。铁粉类型的影响在相同的蒸汽处理条件下，由海绵铁粉制造的零件比由水雾化铁粉制