粉末冶金零件的金相制樣

1、粉末冶金零件的金相制樣除鑄造、機(jī)械成形與機(jī)械加工等技術(shù)外，粉末冶金（P/M）技術(shù)也是制造金屬零件的重要方法之一。該技術(shù)可極大減少鋼錠金屬的不良性能，通過(guò)混合不同金屬粉末、或金屬與非金屬粉末，可以達(dá)到預(yù)期理想的金屬性能，而采用其它方法，這些金屬通常不易熔成合金。粉末加工、將其壓制為有用形狀、以及燒結(jié)的過(guò)程費(fèi)用很高，但與鍛件或鑄件相比，采用這種方法最終制成的零件具有某些無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)包括：- 可生成精細(xì)均質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)- 可形成復(fù)雜形狀，尺寸公差精密- 制成品表面光潔度性能優(yōu)良 與其它成形方法相比，花費(fèi)很高的機(jī)械加工過(guò)程可得以縮減或直接除去，于是減小了碎屑損失。因此，對(duì)于小型、形狀復(fù)雜，和精

2、密零件（如齒輪、鏈環(huán)等）的大批量生產(chǎn)而言，粉末冶金技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)有效的方法。而且，通過(guò)該加工技術(shù)，可制造大量特種合金，這些合金具有完全不同材料性能，如高溫剛度與硬度。由碳化鎢粉末燒結(jié)而成的高速切割刀具正是這樣一個(gè)實(shí)例：采用粉末冶金加工技術(shù)獲得許多獨(dú)特的金屬性能。燒結(jié)壓制零件的密度影響強(qiáng)度、韌性、硬度等重要性能，因此，達(dá)到特定的孔隙度至關(guān)重要。為了進(jìn)行工藝流程控制，需應(yīng)用金相學(xué)知識(shí)以檢驗(yàn)孔隙度、非金屬雜質(zhì)、以及交叉污染等。在研究與失效分析中，金相學(xué)也是一個(gè)主要工具，用于開發(fā)新產(chǎn)品，改進(jìn)加工工藝。除化學(xué)分析外，質(zhì)量控制還包括一些物理方法，以檢驗(yàn)密度、尺寸變化、流率等。金相制樣困難之處研磨與拋光下圖表

3、示正確、典型孔隙度。解決方案：足夠長(zhǎng)時(shí)間拋光粉末冶金零件制備制造為了達(dá)到粉末金屬零件的理想構(gòu)造與近凈成形，需對(duì)以下生產(chǎn)程序進(jìn)行嚴(yán)格工藝流程控制：- 制備粉末- 將粉末與添加劑（如：潤(rùn)滑劑、碳、和合金元素）混合- 在硬質(zhì)合金模具中壓制粉末- 在保護(hù)性氣體環(huán)境下高溫?zé)Y(jié)（1100-1200） 化學(xué)方法與霧化法是粉末制備中兩種最常用的方法?；瘜W(xué)方法將金屬在低于熔點(diǎn)的溫度下從礦石氧化物直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俜勰＠?，鐵粉末制備如下：首先，直接從鐵礦中提煉出海綿鐵，然后，通過(guò)機(jī)械加工，將海綿鐵壓碎為粉末，再通過(guò)降低溫度退火進(jìn)一步精煉得到純鐵粉末。這種方法適宜于合金與低密度金屬應(yīng)用場(chǎng)合，如軸承。在霧化加工過(guò)程中

4、，合金熔融金屬液體流經(jīng)一個(gè)噴嘴，并經(jīng)高壓水流或氣體噴流沖擊。于是形成微滴，固化后，形成粒狀物。與機(jī)械碎化粉末相比，霧化粉末可得到更高的金屬密度，因此，所有的鋼粉末都是通過(guò)霧化法加工的。銅粉末通過(guò)霧化法或電解法進(jìn)行制備。碳化鎢粉末通過(guò)在鎢粉末中加入一定控制量的碳，并在1400-2650高溫下滲碳得到。粉末制備與混合是一個(gè)非常專業(yè)、復(fù)雜的工藝加工過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程，可定制粉末達(dá)到設(shè)計(jì)性能，以滿足特定應(yīng)用需求。粉末混合良好不僅可實(shí)現(xiàn)特種合金所需的性能，而且，對(duì)于方便下一步粉末處理、壓制與燒結(jié)也非常有必要。例如：粉末的易流動(dòng)性、及其與其它粉末的均勻混合性對(duì)于粉末在壓制之前均勻分布非常重要，確保最終制作完

5、成的零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持均質(zhì)一致。零件加工時(shí)，混合粉末首先在高壓下硬質(zhì)合金模具中壓制成形。在此階段，零件具有最終產(chǎn)品的幾何形狀，但沒(méi)有達(dá)到其強(qiáng)度要求，因而被稱之為“綠色”部件。為了改進(jìn)材料的機(jī)械與物理性能，需通過(guò)在燒結(jié)爐中高溫?zé)Y(jié)進(jìn)行冶金結(jié)合。冶金結(jié)合通過(guò)相鄰晶粒之間擴(kuò)散得以實(shí)現(xiàn)。為了避免氧化作用（氧化作用將影響晶粒間的結(jié)合），燒結(jié)過(guò)程應(yīng)在保護(hù)性氣體環(huán)境下進(jìn)行。冶金結(jié)合增加了零件密度，經(jīng)壓制與燒結(jié)后的粉末金屬零件通常含有5-25%的殘余孔隙。根據(jù)應(yīng)用需要，一些零件還需另外經(jīng)過(guò)熱均衡壓制以使尺寸更為精確，或經(jīng)過(guò)表面拋光、油浸滲等工藝過(guò)程。然后，進(jìn)行終處理，如表面硬化、電鍍、或涂層等。粉末冶金零件金相

6、制樣困難之處硬質(zhì)合金的燒結(jié)通過(guò)真空燒結(jié)工藝流程進(jìn)行。碳粉末與3-25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈷混合，并加入微量的鈦與碳化鉭以抑制晶粒生長(zhǎng)。然后對(duì)該混合物進(jìn)行壓制與燒結(jié)。在1280-1350高溫下，鈷發(fā)生液化作用，并形成類似共晶體狀的WC/Co。溫度稍低后開始發(fā)生固化，并在液化之后很快達(dá)到理論上100%。在液化過(guò)程中，零件體積縮減達(dá)40%之多。應(yīng)用粉末冶金零件主要用于以下領(lǐng)域：- 機(jī)械與結(jié)構(gòu)零件，主要是鐵基，也有銅、黃銅、青銅、與鋁等。粉末冶金（P/M）零件的最大用戶是汽車工業(yè)領(lǐng)域。零件供應(yīng)商應(yīng)用該技術(shù)制造連桿、同步接合套、鏈輪、凸輪、齒輪等。- 耐高溫金屬，因其熔點(diǎn)很高，通過(guò)熔化、鑄造很難制造。- 多孔材

7、料，其中孔隙度經(jīng)過(guò)控制以作特殊用途，如自潤(rùn)滑軸承。- 不形成合金的復(fù)合材料，如用于電觸點(diǎn)的銅/鎢、硬質(zhì)合金切割工具（圖3）、制動(dòng)襯片與離合器襯片材料、金剛石切割工具、或金屬基復(fù)合材料等。- 特種重型合金，如用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)零件的鎳鈷基超合金；以及高速工具鋼，其碳分布均勻，并具有各向同性性能（圖4、5）。 此外，還生產(chǎn)用于熱噴涂涂層的各種粉末與粉末混合物，并經(jīng)金相質(zhì)量控制。金相制樣的主要挑戰(zhàn)在于：在研磨與拋光后顯示真實(shí)的孔隙度。根據(jù)材料的硬度不同，成功程度也不盡相同。在軟金屬研磨過(guò)程中，磨掉的金屬被壓入孔中，然后通過(guò)拋光去除?；旌嫌杏膊牧吓c軟材料的零件樣品具有顯著離隙。因“綠色”零件易碎，其制樣

8、尤其需要謹(jǐn)慎與耐心。粉末冶金零件制樣建議 切割 要對(duì)特種金屬與合金的粉末冶金零件進(jìn)行切割，用戶可根據(jù)推薦的表格與準(zhǔn)則選擇合適的切割砂輪。對(duì)于混合材料，建議選用的切割砂輪應(yīng)能適宜于對(duì)零件主要組成材料進(jìn)行切割。對(duì)于燒結(jié)硬質(zhì)合金，建議使用樹脂粘合的金剛石切割砂輪（24TRE，25EXO）。“綠色”零件在切割前需鑲嵌在冷埋樹脂中（請(qǐng)參見“鑲嵌”章節(jié)），以避免夾緊時(shí)被壓碎。 鑲嵌 為了確保鑲嵌樹脂與樣品材料之間具有很好的粘性，有必要在鑲嵌之前采用丙酮、甲苯、或合成異構(gòu)烷油 C*等，徹底清除樣品油漬（處理溶劑時(shí)，請(qǐng)遵循安全使用操作規(guī)程）。燒 結(jié) 零 件 可 熱 鑲 嵌 在 樹 脂 中 ， 樹 脂與 樣 品

9、 材 料 的 硬 度 一 致 ， 可 采 用 酚醛 樹 脂 （ M u l t i F a s t ） 或 增 強(qiáng) 樹 脂(DuroFast,IsoFast）?！熬G色”零件在切割后需在真空環(huán)境下用冷埋環(huán)氧樹脂(CaldoFix,EpoFix,SpeciFix-40）重新浸滲。可通過(guò)將少量（約1/2茶匙）粉末與慢凝環(huán)氧樹脂混合，并將其倒入埋杯容器的方法，對(duì)粉末進(jìn)行鑲嵌。在8小時(shí)凝固過(guò)程中，微粒在杯底沉淀，形成層狀物。硬金屬粉末可通過(guò)與一量匙微粒鑲嵌樹脂IsoFast混合的方法，進(jìn)行熱鑲嵌。然后，將混合物倒入鑲樣機(jī)圓筒中，并用酚醛樹脂封頂。研磨與拋光 粉末金屬的研磨與拋光遵循相同的程序，即制備相同

10、材料鋼錠樣品的程序。大批量材料硬度>150HV的樣品粗磨可在氧化鋁磨石、或金剛石研磨盤（MDPiano）上進(jìn)行。材料硬度<150HV，可在碳化硅砂紙上粗磨。對(duì)于金剛石精磨而言，精磨盤MD-Al legro適用于材料硬度>150HV的樣品，而MD-Largo適用于材料硬度<150HV的樣品。然后用3m金剛石懸浮液進(jìn)行完全拋光，并用1m懸浮液、或氧化拋光懸浮液進(jìn)行短暫終拋光，粉末冶金零件制樣的主要目標(biāo)之一是顯示真實(shí)的孔隙度，因此，金剛石拋光步驟應(yīng)足夠長(zhǎng)以達(dá)到該目標(biāo)（參見圖6-9），這一點(diǎn)非常重要。對(duì)于大型零件、或軟金屬零件制樣，金剛石拋光需長(zhǎng)達(dá)10-15分鐘，以去除研磨過(guò)程

11、中壓入孔中的殘余金屬，并顯示真實(shí)的孔隙度。對(duì)于軟金屬而言，不應(yīng)無(wú)謂拖長(zhǎng)終拋光時(shí)間，因這將導(dǎo)致孔邊緣磨圓。從500#或800#開始，“綠色”零件將在碳化硅砂紙上手工研磨至4000#。如有必要，表面需重新浸滲。對(duì)于單個(gè)零件制樣，拋光可在半自動(dòng)拋光機(jī)上進(jìn)行。為了確定特種合金與零件的正確拋光時(shí)間，建議在拋光過(guò)程中每隔兩分鐘用顯微鏡檢驗(yàn)其金相結(jié)構(gòu)一次，只有當(dāng)全部殘余金屬都從孔中去除后，才能進(jìn)行下一步拋光程序。一般而言，建議使用多晶金剛石懸浮液對(duì)粉末金屬進(jìn)行拋光。如拋光過(guò)程過(guò)長(zhǎng)，可使用Diapro金剛石懸浮液來(lái)代替。 清洗與干燥 拋光后，有必要用水/清潔劑混合液對(duì)樣品進(jìn)行清洗，以去除孔中殘余的拋光懸浮液與

12、潤(rùn)滑劑。然后再用水清洗，隨后，用異丙醇溶液進(jìn)行徹底清洗；將樣品放在一個(gè)合適的角度，用溫?zé)峥諝饬鬟M(jìn)行干燥。請(qǐng)勿從頂部直接將空氣流吹向樣品表面，因?yàn)檫@樣將迫使液流從孔中排出，從而在表面上留下污漬（圖10）。使用高品質(zhì)乙醇進(jìn)行清洗，以最小程度減小污漬，這一點(diǎn)非常重要。粉末冶金(P/M)銅的制樣方法浸蝕 建議首先檢驗(yàn)未浸蝕的樣品，以查核密度、孔形狀尺寸、氧化與雜質(zhì)狀況、燒結(jié)凹槽與游離石墨（參見圖11、12）等。掌握理論密度，以與孔隙度相比較，這一點(diǎn)非常重要。經(jīng)過(guò)這樣的初步檢驗(yàn)后，建議對(duì)樣品即刻進(jìn)行浸蝕以避免污漬干燥（當(dāng)清洗與干燥液流從孔中逐漸排出時(shí)，即發(fā)生干燥）。與具有定量孔隙度的其它粉末金屬相較，對(duì)

13、于非常致密的硬質(zhì)合金而言，這一點(diǎn)就不那么重要。為了顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可使用文獻(xiàn)中提及的常用化學(xué)腐蝕溶液，用于金屬及其合金的腐蝕。浸蝕程序如下：用異丙醇潤(rùn)濕表面，將樣品表面朝上，浸入浸蝕劑中，并微幅攪動(dòng)。當(dāng)達(dá)到一定的浸蝕時(shí)間后，將樣品從浸蝕劑中取出，根據(jù)選用的浸蝕劑（參見下圖），用異丙醇或水進(jìn)行清洗，并用熱氣流進(jìn)行干燥。干燥后，應(yīng)立即制作文字說(shuō)明文檔與照片文檔。粉末冶金(P/M)鋼的制樣方法燒結(jié)硬質(zhì)合金的制樣方法 浸蝕時(shí)間取決于合金材料，時(shí)間選定需要經(jīng)驗(yàn)。如浸蝕時(shí)間過(guò)短，不同相之間的對(duì)比度就不夠。如浸蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則很難對(duì)不同相進(jìn)行區(qū)分鑒別（參見圖15-17）。如對(duì)某些不熟悉的材料進(jìn)行浸蝕，建議縮短浸

14、蝕時(shí)間，并先用顯微鏡檢驗(yàn)浸蝕結(jié)果。如有必要，可再進(jìn)一步浸蝕；而如果樣品被過(guò)度浸蝕，則只有重新拋光。以下是一些常用的浸蝕劑?；旌匣蚴褂没瘜W(xué)試劑時(shí)，請(qǐng)遵循標(biāo)準(zhǔn)安全使用規(guī)程。銅與銅合金：1. 100ml水 20ml鹽酸溶液 5g三氯化鐵 10-20秒 先用水清洗，然后用異丙醇溶液清洗2. 100ml水 10g過(guò)硫酸銨溶液。僅可使用新鮮未用的溶液！先用水清洗，然后用異丙醇溶液清洗鋼：1. 1-3%硝酸乙醇腐蝕液，用于鐵碳合金、鐵碳銅合金、及預(yù)熔鐵鉬合金100ml乙醇1-3ml硝酸10-60秒，取決于碳含量用異丙醇溶液清洗（圖14）2. 使用苦味酸乙醇溶液，區(qū)分馬氏體與奧氏體100ml乙醇 4g苦味酸

15、10-60秒，取決于碳含量。先用水清洗，然后用異丙醇溶液清洗(圖13)3. 區(qū)分珠光體、貝氏體、與馬氏體：200ml乙醇 4g苦味酸 1-2ml硝酸 20-100秒，取決于碳含量及合金成分 先用水清洗，然后用異丙醇溶液清洗不銹鋼：Vllella試劑：45ml甘油15ml硝酸30ml鹽酸30秒至5分鐘先用水徹底清洗，然后用異丙醇溶液清洗燒結(jié)碳化鎢：Murakami試劑100ml水10g氫氧化鈉或氫氧化鉀10g鐵氰化鉀通過(guò)浸泡進(jìn)行浸蝕，或擦洗浸蝕先用水徹底清洗，然后用異丙醇溶液清洗小結(jié)： 粉末冶金是零件制造的方法之一，適宜于通常不易熔成合金的金屬零件制備，或結(jié)合了金屬與非金屬各自優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料零件制備。