粉末冶金零件的金相制样.doc

粉末冶金零件的金相制样
除铸造、机械成形与机械加工等技术外，粉末冶金（P/M）技术也是制造金属零件的重要方法之一。该技术可极大减少钢锭金属的不良性能，通过混合不同金属粉末、或金属与非金属粉末，可以达到预期理想的金属性能，而采用其它方法，这些金属通常不易熔成合金。
粉末加工、将其压制为有用形状、以及烧结的过程费用很高，但与锻件或铸件相比，采用这种方法最终制成的零件具有某些无可比拟的优点。
主要优点包括：
- 可生成精细均质晶粒结构
- 可形成复杂形状，尺寸公差精密
- 制成品表面光洁度性能优良
与其它成形方法相比，花费很高的机械加工过程可得以缩减或直接除去，于是减小了碎屑损失。因此，对于小型、形状复杂，和精密零件（如齿轮、链环等）的大批量生产而言，粉末冶金技术是最经济有效的方法。
而且，通过该加工技术，可制造大量特种合金，这些合金具有完全不同材料性能，如高温刚度与硬度。由碳化钨粉末烧结而成的高速切割刀具正是这样一个实例：采用粉末冶金加工技术获得许多独特的金属性能。烧结压制零件的密度影响强度、韧性、硬度等重要性能，因此，达到特定的孔隙度至关重要。为了进行工艺流程控制，需应用金相学知识以检验孔隙度、非金属杂质、以及交叉污染等。在研究与失效分析中，金相学也是一个主要工具，用于开发新产品，改进加工工艺。除化学分析外，质量控制还包括一些物理方法，以检验密度、尺寸变化、流率等。
金相制样困难之处
研磨与抛光下图表示正确、典型孔隙度。

解决方案：足够长时间抛光

粉末冶金零件制备
制造
为了达到粉末金属零件的理想构造与近净成形，需对以下生产程序进行严格工艺流程控制：
- 制备粉末
- 将粉末与添加剂（如：润滑剂、碳、和合金元素）混合
- 在硬质合金模具中压制粉末
- 在保护性气体环境下高温烧结（1100℃-1200℃）
化学方法与雾化法是粉末制备中两种最常用的方法。化学方法将金属在低于熔点的温度下从矿石氧化物直接转变为金属粉末。例如，铁粉末制备如下：首先，直接从铁矿中提炼出海绵铁，然后，通过机械加工，将海绵铁压碎为粉末，再通过降低温度退火进一步精炼得到纯铁粉末。这种方法适宜于合金与低密度金属应用场合，如轴承。
在雾化加工过程中，合金熔融金属液体流经一个喷嘴，并经高压水流或气体喷流冲击。于是形成微滴，固化后，形成粒状物。与机械碎化粉末相比，雾化粉末可得到更高的金属密度，因此，所有的钢粉末都是通过雾化法加工的。铜粉末通过雾化法或电解法进行制备。碳化钨粉末通过在钨粉末中加入一定控制量的碳，并在1400-2650℃高温下渗碳得到。粉末制备与混合是一个非常专业、复杂的工艺加工过程，通过该过程，可定制粉末达到设计性能，以满足特定应用需求。粉末混合良好不仅可实现特种合金所需的性能，而且，对于方便下一步粉末处理、压制与烧结也非常有必要。
例如：粉末的易流动性、及其与其它粉末的均匀混合性对于粉末在压制之前均匀分布非常重要，确保最终制作完成的零件内部结构保持均质一致。零件加工时，混合粉末首先在高压下硬质合金模具中压制成形。在此阶段，零件具有最终产品的几何形状，但没有达到其强度要求，因而被称之为“绿色”部件。为了改进材料的机械与物理性能，需通过在烧结炉中高温烧结进行冶金结合。冶金结合通过相邻晶粒之间扩散得以实现。为了避免氧化作用（氧化作用将影响晶粒间的结合），烧结过程应在保护性气体环境下进行。冶金结合增加了零件密度，经压制与烧结后的粉末金属零件通常含有5-25%的残余孔隙。根据应用需要，一些零件还需另外经过热均衡压制以使尺寸更为精确，或经过表面抛光、油浸渗等工艺过程。然后，进行终处理，如表面硬化、电镀、或涂层等。

粉末冶金零件金相制样困难之处
硬质合金的烧结通过真空烧结工艺流程进行。碳粉末与3-25%质量分数的钴混合，并加入微量的钛与碳化钽以抑制晶粒生长。然后对该混合物进行压制与烧结。在1280-1350℃高温下，钴发生液化作用，并形成类似共晶体状的WC/Co。温度稍低后开始发生固化，并在液化之后很快达到理论上100%。在液化过程中，零件体积缩减达40%之多。
应用
粉末冶金零件主要用于以下领域：
- 机械与结构零件，主要是铁基，也有铜、黄铜、青铜、与铝等。粉末冶金（P/M）零件的最大用户是汽车工业领域。零件供应商应用该技术制造连杆、同步接合套、链轮、凸轮、齿轮等。
- 耐高温金属，因其熔点很高，通过熔化、铸造很难制造。
- 多孔材料，其中孔隙度经过控制以作特殊用途，如自润滑轴承。
- 不形成合金的复合材料，如用于电触点的铜/钨、硬质合金切割工具（图3）、制动衬片与离合器衬片材料、金刚石切割工具、或金属基复合材料等。
- 特种重型合金，如用于喷气式发动机零件的镍钴基超合金；以及高速工具钢，其碳分布均匀，并具有各向同性性能（图4、5）。

此外，还生产用于热喷涂涂层的各种粉末与粉末混合物，并经金相质量控制。金相制样的主要挑战在于：在研磨与抛光后显示真实的孔隙度。根据材料的硬度不同，成功程度也不尽相同。在软金属研磨过程中，磨掉的金属被压入孔中，然后通过抛光去除。混合有硬材料与软材料的零件样品具有显著离隙。因“绿色”零件易碎，其制样尤其需要谨慎与耐心。
粉末冶金零件制样建议
切割
要对特种金属与合金的粉末冶金零件进行切割，用户可根据推荐的表格与准则选择合适的切割砂轮。对于混合材料，建议选用的切割砂轮应能适宜于对零件主要组成材料进行切割。对于烧结硬质合金，建议使用树脂粘合的金刚石切割砂轮（24TRE，25EXO）。“绿色”零件在切割前需镶嵌在冷埋树脂中（请参见“镶嵌”章节），以避免夹紧时被压碎。
镶嵌
为了确保镶嵌树脂与样品材料之间具有很好的粘性，有必要在镶嵌之前采用丙酮、甲苯、或合成异构烷油 C*等，彻底清除样品油渍（处理溶剂时，请遵循安全使用操作规程）。烧 结 零 件 可 热 镶 嵌 在 树 脂 中 ， 树 脂与 样 品 材 料 的 硬 度 一 致 ， 可 采 用 酚醛 树 脂 （ M u l t i F a s t ） 或 增 强 树 脂(DuroFast,IsoFast）。“绿色”零件在切割后需在真空环境下用冷埋环氧树脂(CaldoFix,EpoFix,SpeciFix-40）重新浸渗。可通过将少量（约1/2茶匙）粉末与慢凝环氧树脂混合，并将其倒入埋杯容器的方法，对粉末进行镶嵌。在8小时凝固过程中，微粒在杯底沉淀，形成层状物。硬金属粉末可通过与一量匙微粒镶嵌树脂IsoFast混合的方法，进行热镶嵌。然后，将混合物倒入镶样机圆筒中，并用酚醛树脂封顶。
研磨与抛光
粉末金属的研磨与抛光遵循相同的程序，即制备相同材料钢锭样品的程序。大批量材料硬度>150HV的样品粗磨可在氧化铝磨石、或金刚石研磨盘（MDPiano）上进行。材料硬度<150HV，可在碳化硅砂纸上粗磨。对于金刚石精磨而言，精磨盘MD-Al legro适用于材料硬度>150HV的样品，而MD-Largo适用于材料硬度<150HV的样品。然后用3μm金刚石悬浮液进行完全抛光，并用1μm悬浮液、或氧化抛光悬浮液进行短暂终抛光，粉末冶金零件制样的主要目标之一是显示真实的孔隙度，因此，金刚石抛光步骤应足够长以达到该目标（参见图6-9），这一点非常重要。对于大型零件、或软金属零件制样，金刚石抛光需长达10-15分钟，以去除研磨过程中压入孔中的残余金属，并显示真实的孔隙度。对于软金属而言，不应无谓拖长终抛光时间，因这将导致孔边缘磨圆。从500#或800#开始，“绿色”零件将在碳化硅砂纸上手工研磨至4000#。如有必要，表面需重新浸渗。对于单个零件制样，抛光可在半自动抛光机上进行。

为了确定特种合金与零件的正确抛光时间，建议在抛光过程中每隔两分钟用显微镜检验其金相结构一次，只有当全部残余金属都从孔中去除后，才能进行下一步抛光程序。一般而言，建议使用多晶金刚石悬浮液对粉末金属进行抛光。如抛光过程过长，可使用Diapro金刚石悬浮液来代替。
清洗与干燥
抛光后，有必要用水/清洁剂混合液对样品进行清洗，以去除孔中残余的抛光悬浮液与润滑剂。然后再用水清洗，随后，用异丙醇溶液进行彻底清洗；将样品放在一个合适的角度，用温热空气流进行干燥。请勿从顶部直接将空气流吹向样品表面，因为这样将迫使液流从孔中排出，从而在表面上留下污渍（图10）。使用高品质乙醇进行清洗，以最小程度减小污渍，这一点非常重要。

粉末冶金(P/M)铜的制样方法

浸蚀
建议首先检验未浸蚀的样品，以查核密度、孔形状尺寸、氧化与杂质状况、烧结凹槽与游离石墨（参见图11、12）等。

掌握理论密度，以与孔隙度相比较，这一点非常重要。经过这样的初步检验后，建议对样品即刻进行浸蚀以避免污渍干燥（当清洗与干燥液流从孔中逐渐排出时，即发生干燥）。与具有定量孔隙度的其它粉末金属相较，对于非常致密的硬质合金而言，这一点就不那么重要。为了显示内部结构，可使用文献中提及的常用化学腐蚀溶液，用于金属及其合金的腐蚀。浸蚀程序如下：用异丙醇润湿表面，将样品表面朝上，浸入浸蚀剂中，并微幅搅动。当达到一定的浸蚀时间后，将样品从浸蚀剂中取出，根据选用的浸蚀剂（参见下图），用异丙醇或水进行清洗，并用热气流进行干燥。干燥后，应立即制作文字说明文档与照片文档。
粉末冶金(P/M)钢的制样方法

烧结硬质合金的制样方法

浸蚀时间取决于合金材料，时间选定需要经验。如浸蚀时间过短，不同相之间的对比度就不够。如浸蚀时间过长，则很难对不同相进行区分鉴别（参见图15-17）。如对某些不熟悉的材料进行浸蚀，建议缩短浸蚀时间，并先用显微镜检验浸蚀结果。如有必要，可再进一步浸蚀；而如果样品被过度浸蚀，则只有重新抛光。以下是一些常用的浸蚀剂。混合或使用化学试剂时，请遵循标准安全使用规程。
铜与铜合金：
1. 100ml水 20ml盐酸溶液 5g三氯化铁 10-20秒 先用水清洗，然后用异丙醇溶液清洗
2. 100ml水 10g过硫酸铵溶液。仅可使用新鲜未用的溶液！
先用水清洗，然后用异丙醇溶液清洗钢：
1. 1-3%硝酸乙醇腐蚀液，用于铁碳合金、铁碳铜合金、及预熔铁钼合金
100ml乙醇1-3ml硝酸10-60秒，取决于碳含量用异丙醇溶液清洗（图14）
2. 使用苦味酸乙醇溶液，区分马氏体与奥氏体
100ml乙醇 4g苦味酸 10-60秒，取决于碳含量。先用水清洗，然后用异丙醇溶液清洗(图13)
3. 区分珠光体、贝氏体、与马氏体：200ml乙醇 4g苦味酸 1-2ml硝酸 20-100秒，取决于碳含量及合金成分 先用水清洗，然后用异丙醇溶液清洗
不锈钢：
Vllella试剂：45ml甘油15ml硝酸30ml盐酸30秒至5分钟先用水彻底清洗，然后用异丙醇溶液清洗
烧结碳化钨：Murakami试剂100ml水10g氢氧化钠或氢氧化钾10g铁氰化钾
通过浸泡进行浸蚀，或擦洗浸蚀先用水彻底清洗，然后用异丙醇溶液清洗

小结：
粉末冶金是零件制造的方法之一，适宜于通常不易熔成合金的金属零件制备，或结合了金属与非金属各自优点的复合材料零件制备。尽管粉末冶金过程花费很高，但对于均质结构、形状复杂的小型零件大批量生产而言，该方法非常经济有效。压制烧结零件的密度对其强度、韧性、与硬度产生影响。因此，孔隙度的金相检验是质量控制必不可少的一部分。
在金相研磨过程中，金属被压入孔中，如随后的抛光程序执行不正确，盖住孔隙的残余金属“盖”将影响孔隙度的正确评估。用金刚石进行完全研磨与抛光，并在抛光过程中进行显微检查，可确保正确显示金属内部结构。自动制样特定程序及化学浸蚀剂已在日常实验室中得以实际成功应用，其结果具有可重复性。