蒸汽处理原理

2014-10-15點右邊關注粉末冶金圈

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膜，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。

蒸气处理

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。

（一）蒸气处理的基本原理

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570℃时，

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

水蒸汽处理温度高于570℃时，

Fe+H2O→FeO+H2

温度高于570℃时，与FeO共同存在。在570℃以上生成的FeO，当温度降低到达570℃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570℃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180℃～380℃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570℃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，係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480℃～500℃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400℃～450℃时出炉（针对本公司井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+ H2O→3 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。一是气氛中含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400℃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K>9，在400℃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，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+1/2O2 →3 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３～４微米，水蒸汽不能侵入到制品内部。但当制品孔隙度大于２０％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）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;

2．Fe3O4层非常牢固地粘附在铁基体上；

3．依据处理条件，抗压强度可增高达25%左右；

4．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；

5．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；

6.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；

7. 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；（有些产品外径尺寸不但不增大，反而处理后会收缩）XGTT154-2F 8. 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%；

9. 水蒸汽处理后，特别是浸油后，零件外观呈蓝黑色；

10.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。

蒸汽处理的缺点：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。