铁基粉末冶金材料烧结程度的判定.pdf

第 2 8卷第 2期 2 0 1 0年 4月 粉末冶 金技 术 Powde r M e t al l ur gy Te c h nol o gy Vo 1 ． 2 8，No ． 2 Apr ． 2 01 0 铁基粉末冶金材料烧结程度的判定 Th o ma s F． Mu r p h y S c i e n t i s t ，L a b o r a t o r y S e r v i c e s Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n 1 0 0 1 T a y l o r s L a n e C i n n a mi n s o n， NJ 0 8 0 7 7 US A 摘要 烧结过程可改进压 制 一 烧结 的铁基材料 的物理 一力学性能 。烧 结时 因扩 散产生颗 粒结合 与合金 化 ； 随着烧结时间增长 ， 强化材料性能。烧结 的作用通过显微组织特征 诸如颗 粒边界与孔 隙边缘 的变化可 以看 出。烧结 的一些改进表现为颗粒边界消失 ， 孑 L 隙边缘变得较平滑和颗粒间尖角特征数量减少 。一般将这 些特 征与特性 的外观和它们发生的频率一起当做是烧 结程度 。用众所周知 的体视技术 S t e r e o l o g i c a l p r a c t i e s 与适 当制备 的金相试样 ， 可以判定烧 结程度 。关 于判定与 区分 烧结程度 不 同的材料 ， 将讨论 3种试 验方法 。 另外 ， 将用烧结时间不同的铁 一 铜 一 碳预混合粉材料的图像来说明这些显 微组 织的变化 。 关键 词 铁基粉末冶金 材料 ； 烧结 ； 烧结程度 ； 判定 Qu a n t i f y i n g t h e d e g r e e - o f - s i n t e r i n f e r r o u s P ／ M ma t e r i a l s Tho ma s F． M ur phy S c i e n t i s t ， L a b o r a t o ry S e rvi c e s Ho e g a n a e s C o rpo r a t i o n 1 0 0 1 T a y l o r s L a n e C i n n a mi n s o n， NJ 0 8 0 7 7 US A Abs t r ac tI mp r o v e me n t s i n t h e p hy s i c a l a n d me c h a n i ca l pr o p e r t i e s o f p r e s s e d a n d s i n t e r e d f e r r o us ma t e ria l s a r e ma d e d urin g t h e s i n t e rin g p r o c e s s ．Pa r t i c l e b on d i n g a nd a l l o y i n g b y d i ffus i o n o c c u r du r i n g s i nt e r i n g wi t h p r o p e rty e n h a nc e me nt s r e s u l t i ng a s t he s i n t e rin g t i me i s i n c r e a s e d．Th e e f f e c t s o f s i n t e r i ng a r e v i s i b l e a s c h a ng e s i n mi c r o s t r ue t ur a l f e a t ur e s， s u c h a s p a rti c l e bo u n da r i e s a n d p o r e e dg e s ．S o me o f t h e i mpr o v e me nt s i n s i n t e ring a pp e a r a s a l o s s i n p a r t i c l e b o un d a rie s， s mo o t h e r p o r e e d g e s， a n d a l e s s e ni n g i n t h e n u mb e r o f a n g ul a r f e a t ur e s b e t we e n pa rti c l e s ． T h e a p p e a r a n c e o f t h e s e f e a t u r e s a n d c h a r a c t e ris t i c s ， i n C O n j u n c t i o n w i t h t h e i r e q u e n e y o f o c c u r r e n c e， i s o ft e n r e f e rr e d t o a s d e g r e e o f - s i n t e r ．Q u a n t i f i c a t i o n o f t h e d e g r e e o f - s i n t e r c a n b e p e r f o r me d o n p r o p e r l y p r e p a r e d me t a l l o g r a ph i c s p e c i me ns u s i ng we l l - un de r s t o o d s t e r e o l o g i c a l pr a c t i c e s ．Thr e e t e s t me t ho d s wi l l b e di s c us s e d a s t e c h ni q ue s f o r qu a n t i f y i ng a nd s e pa r a t i n g ma t e r i a l s s i n t e r e d t o v a r y i ng d e g r e e s ． Ad di t i o n a l l y， i ma g e s o f a n i r o n c o p p e r - c a r bo n p r e mi x， s i n t e r e d a t v a ryi ng t i me s ， wi l l b e u s e d t o i l l us t r a t e t h e s e mi c r o s t r u e t u r a l c h a n g e s ． Ke y wo r dsf e rro us P／M ma t e ria l s ； s i nt e r ； de g r e e o f - s i nt e r ； qu a n t i f y i n g 在高质量粉末冶金零件生产 中， 成功的烧结是 生产过程 中最重要的一个工序。高温与炉子保护气 氛相结合 ， 使粉末颗粒紧密接触形成冶金结合 ， 同时 通过元素添加剂扩散使基体材料合金化。可用显微 结构状态 诸如 颗粒边界 消失 ， 沿孔隙边缘尖角平 滑化及孑 L 隙周长减小 的变化 ， 以 目视表征烧结的 效果。这些显微结构的变化都会导致颗粒对颗粒与 孔隙表面对材料体积之比的减小。通过评定这些特 性， 可以客观评估烧结的程度 。 在历史上 ， 这类评定都是在客观基础上进行的， 其在很大程度上取决于工作人员的技巧与经验 以及 确定在评估材料的哪些部位和何时存在差异。对于 这些试验而言 ， 许 多试验的基础是对适当制备的金 相试样的颗粒边界与尖角孔隙的精确计算。当试图 将试验结果与物理或力学性能相联系， 和试 图协调 多台试验设备的结果时 ， 发现了问题 ； 因为这些设备 使用的都是局限于比较性的用语 ， 诸如好、 相 当好 、 差等 ， 这对试验结果往往不适用。 图 1～图4示出由雾化铁粉混合 以质量分数为 2 ％的 c u与 0 ． 6 ％石墨制备 的预混合粉 ， 压制并在 推杆式炉中， 于 1 1 2 0 C下烧 结不 同时 间制造 的试 样 ， 可将其看作是烧结过程的例证。在这个试验中， 在加 热带 的保 温 时 间为 15 0 mi n ， 时 间 间 隔为 5 ra i n 。因此 ， 在加 热带保 温 1 0 m i n ， 或不 到 l O m i n的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷第 2期T h o ma s F ． M u sh y 铁基粉末冶金材料烧结程度 的判定 1 5 1 试样 ， 并没有达到烧结温度。 图 1 在加热带烧结 1 mi n的试样 颗粒边界 与未熔化 的 c u明显 ， 石墨没有扩散到铁颗 粒内 F i g ． 1 S a mp l e s i n t e r e d f o r 1 mi n u t e i n t h e h o t z o u e ． P a r t i c l e bo un da rie s a nd un me l t e d Cu p a r t i c l e s a r e e v i d e nt ． Gr a ph i t e h a s no t di ffu s e d i n t o t h e i r o n p a r t i c l e s ． 图 2 烧结 5 m i n的试样 c u颗粒仍 然未熔化 ， 但很 多石墨已扩散到铁颗粒 内 Fi g． 2 Sa mp l e s i nt e r e d for 5 mi n ut e s ． Co p p e r p a r t i c l e s r e - ma i n un me l t e d，h o we v e r mu c h o f t he g r a ph i t e h a s di f f us e d i nt o t h e i r o n p a rti c l e s ． 除铁． 碳试样外 ， 都用这个系列的试样作 为研 究烧结程度的对象。曾用两种体视试验方法和一种 类似分数的技术仔细研究过在烧结温度不变的情况 下 ， 改变 在加 热带 的 总加 热 时 间导 致 的 显微 组 织 变 化 。 1 试验方法 评定边界表 面的表 面对体积之 比的最简单与 最常用的技术是， 在实 际图像或光学显微照片 中使 用一系列平行 的直线状探针- 2 。实 际上 ， 是将直 线状探针覆盖在图像上 见 图 5 ， 当直线穿过孔隙 边缘时， 计数器计 的数增大； 每穿过孔隙边缘一次叫 图 3 在加 热带烧 结 1 5 m i n后 的显 微组织 C u已熔 化 ， 并沿颗粒边界 、 孔隙边缘 及晶界流 动 ， 因扩散 时间短 ， 仍 存 留在边界 区域 ； 显微组织为珠光体、 铁素体及颗粒边界 上 的 C u ； 在颗粒边缘处仍可看出颗粒边界残余 Fi g ．3 A h i gh e r ma g ni f i c a t i o n i ma g e s h o wi n g t h e mi c r o - s t r uc t u r e a f t e r 1 5 mi nu t es i n t h e h o t z o n e ． Th e c o p pe r h a s me l t e d a n d t r a v e l e d a l o ng t h e p a rti c l e bo u n da r i e s．po r e e d g e s，a nd g r a i n b o u nd a rie s ． S o me o f t h e Cu r e ma i n s i n t h e bo u nd a r y r e g i o n s d ue t O i n s u f fic i e nt t i me for d i f f us i o n． Th e c o mpo s i t i o n i s pe a r l i t e，f e r r i t e，a n d f r e e Cu i n t h e p a r t i c l e bo u n da r i e s ．Re mna n t s o f t h e pa r t i c l e bo u n da rie s c a n b e s e e n a t t he p a r t i c l e e d g e s ． 图 4 在加热带烧结 2 0 ra i n后的显微组织 颗粒边界已消失 ， 而且 没有未熔 化 c u的痕迹 Fi g ． 4 I ma g e s h o wi n g t he mi c r o s t r uc t ur e a f t e r 2 0 mi nu t e s i n t h e ho t z o ne ． Pa r t i cl e b o u nd a r i e s h a v e d i s a p p e a r e d a nd n o e vi d e n c e o f u nme l t e d Cu r e ma i ns ． 做一个“ 点” ， 将这些点累积起来 ， 测定检验的线的 总长度。计算单位线长度的平均“ 点” 数 ， 用于确定 金属／ 孔隙复合 材料 的 表面对 体 积之 比 S 。式 1 示 计算 的公 式 ， 复合材 料 的表 面对体 积之 比 S 等于每单位线长度的平均点数 P 的 2倍 S 2 P 1 采用这项技术时， 试样必须具有的重要特征是 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 2 粉末 冶金技术 2 0 1 0年 4月 a 烧结好的材料抛光而未浸蚀 的表面和一 系列 平行 的直线状探针 ； b 在孔隙内重合 的线段终点表 明了在每个 区域 中的各个“ 点 ” 图 5 覆盖在图像上的直线状探针 F i g ． 5 a s h o w s a p o l i s h e d a n d u n e t c h e d s u r f a c e o f a w e l 1 ． s i n t e r e d ma t e r i a l w i t h t h e a r r a y o f p a r a l l e l l i n e s a mp l e p r o b e s ． Th e e n ds o f t h e c o i nc i de nt l i ne s e g me n t s s ho wn w i t h i n t h e p o r e s i n F i g u r e 5 br e p r e s e n t i n d i v i d u a l‘ p o i n t s ’i n e a c h fi e l d ． 各 向同性 、 均一 及 随机 分 布 I U R 。鉴 于 压 制 零 件 采用的方法 ， 对于大多数粉末冶金材料而言 ， 这是有 问题的。压制作业会使孔隙结构具有方 向性， 从 而 促使人们在进行试验 时， 或是从试验材料 中除去正 交截 面 ， 或者 寻找 另外一 种试 验方 法 ， 一 种能 说明在 采样中各向异性存在的方法 。关 于这个问题 ， 建议 确定除 去试样 的取 向和 决定用 于试 样表 面 的探 针类 型。对于试验 ， 要除去 的是垂直取 向平面的水平平 面， 而不是随机取 向的平面 ； 这被认为是垂直截面。 用在 4个方位排列 的摆线型探针替代直线状探针。 当适 当应用于试样 中的方 向性时 ， 摆线型睦线表明 了试 样 的随机取 向结 构 I 4 。图 6示 一摆 线试 验 曲 线 。 摆线的形状可用下面的式 2 与式 3 来确定 ， 式 中 0 ≤ ≤1 『 0一s i n O 2 Y1一c o s O 3 摆线 4个 方位 的排 列是 均 一覆 盖 ， 并 用作 试验 探针。试验和上述 的直线状探针一样 ， 对穿过的点 进行计数， 同样地进行计算。摆线方位 的一种合适 的排列是 ， 如图 7所示， 像正弦波状覆盖。为了均一 覆盖图像 ， 如图 8所 示， 这种关联 的图形可 以多个 “ 波” 进行重复。与对许多独立 的摆线线段进行计 数不 同， 对于一些操作人员来说 ， 人工跟踪波形可能 比较 方便 。 用图 8的图像作为一个例子， 用和直线状探针 同样的方式计算了表面对体积之 比。确定表面对体 图 6 摆线试验曲线 曲线的长度是高度的 2倍 Fi g ． 6 Th e c y c l o i d t e s t c ur v e，wh e r e t he l e n g t h o f t h e c ur v e i s t wi c e t h e he i g h t ． 图 7 4个摆 线方位组成 的类似正弦 的波形 Fi g ． 7 S i n e l i k e wa v e c o mp o s e d o f t h e f o u r c y c l o i d o r i e n t a t i o ns ． 积之比的公式仍然是式 1 的 S ， 2 P 对 曲线穿 过孔隙边缘处所增加 的 P的计数 的增量也是相 同 的， 测量或根据摆线线段数量计算了线的总长度。 可用直线或摆线覆盖来计算金属相中颗粒边界 的表面对体积之 比。若材料是 由粉末压制成形的， 依然存在因取向的影响而产生的方向性问题 ， 但用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷第 2期T h o ma s F ． M u r p h y 铁基粉末冶金材料烧结程度的判定 1 5 3 图 8 覆盖于抛光视场上的多波形系歹 4 摆线 点是 以波形穿过孔 隙的边缘计数 的 Fi g ． 8 Mul t i p l e wa v e a r r a y o f c y c l o i ds o v e r l a i d o n a n a s po l i s h e d fie l d．Co u n t s o f po i n t s a r e ma de a s t h e wa v e c r o s s e s t h e p o r e e dg e s ． 摆线系列计数却是有效的。边界与孔隙边缘计数的 差异在于， 前者计算的是直线穿过的颗粒边界 ， 而不 是对每个孔隙进行二次或多次计算 多次穿过每个 孔 隙 。 用来 比较孔 隙边 缘平 滑度 与颗 粒边界 存 在 的另 外一种方法是 叫做 “ 计算 大小单 元” b o x c o u n t i n g d i m e n s i o n 的类 似分数技术 。这种方法是 将大 小不同的单元 b o x 网格覆盖在实际图像或光学显 ■ - - _孵 l 一 篱 孽 一 ． | } { l ． ． 微照片上 ， 从图像中抽出孔隙边缘或颗粒边界 ， 计算 含有孔隙边缘或颗粒边界的网格单元 ； 当网格尺寸 变小时， 因分辨率增高， 计算 的单元数增多； 计算结 束时， 将计数 的总数对单元 大小绘制成 l o g l o g图， 直线图的斜率乘 以“一1 ” 确定的是计算大小 的单元 见 图 9、 1 0、 1 1 。 图 9 压制 一烧结的材 料抛光 的表 面 大部分 颗粒边 界 都已烧结 ， 重要特征是孔隙边 缘 ； 用深暗色边限定的矩形 中含有表 明单元大小变化特征 的作 用 Fi g ． 9 S ur f a c e o f a n a s p o l i s h e d p r e s s e d a n d s i n t e r e d ma t e - r i a 1 ．Mo s t o f t he pa r t i c l e bo un d ar i e s h a v e be e n s i nt e r e d．Th e f e a t ur es o f i nt e r e s t a r e t h e p o r e e dg e s ．The r e c t a n g l e de fin e d wi t h t he bl u e e d g e s c o n t a i n s f ea t ur e s f o r i l l us t r a t i n g t he e f f e c t o f c h a n g e i n bo x s i z e ． 图 l O 左边 的图是 用网格覆盖 的图像 ； 右边的图像示出含有孔隙的彩色单元 Fi g ．1 0 Le f t i ma g e wi t h g r i d o v e r l a y．Ri g h t i ma g e s h o ws c o l o r e d bo xe s c o n t a i n i n g p o r e e d g e s J 图 1 1 与 图 1 0采 用的图像相 同， 但覆盖用的网格较小 ； 右边 图像 中的深 色单元含 有孔 隙边缘 Fi g ．1 1 Sa me i ma g e a s u s e d i n F i g ur e 1 0 wi t h a s ma l l e r g r i d o v e r l a y．Co l o r e d b o x e s i n fig h t i ma g e c o n t a i n p o r e e dg e s ． 含有逐渐减小 的单元的覆盖网格再继续使用最 小的 4种网格尺 寸 ， 然后绘制 曲线 图和计算斜率 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 4 粉末冶金技术 2 0 1 0年 4月 网格的大小改变时， 由于计算 的单元数不 同， 烧结程 度不 同的材 料 的变 化程 度应该 变得 明显 。在某 些情 况下 ， 将图像放大和改变单元大小相结合能够比较 满意地区分烧结程度不同的材料。 2 结论 试 验技术 有助 于研究 人员 判定 和区分烧 结 程度 不同的材料。体视试验方法 ， 利用原颗粒边界与孔 隙表面的凹凸不平 ， 通过使用人工或 自动程序都能 进行数量计算。计算大小不同的网格单元也可帮助 研究人员通过精心设计试验的放大倍数与网格大小 确定烧结效果的差异。 参考文献 [ 1 ]Un d e r w o o d E E ． S u rf a c e a r e a a n d l e n g t h i n v o l u m e ， q u a n t i t a t i v e mi c r o s c o p y ／ ／De Ho ff R T， Rh i n e s F N． Me Cr a w- Hi l 1 ． Ne w Yo r k， 1 9 6 8 7 8 一l 2 7 [ 2 ]R u s s J C， D e H o ffR T ． P r a c t i c a l s t e r e o l o g y ． N e wY o r k ， 1 9 9 9 4 9 6 2 [ 3 ]B a d d e l e y A J ， G u n d e r s e n H J G， C r u z O r i v e L M． E s t i ma t i o n o f s u rfa c e a r e a f r o m v e r t i c a l s e c t i o n s ． J o u r n a l o f Mi c r o s c o p y ， 1 9 8 6， 1 4 2 3 2 5 92 7 6 [ 4] G u n d e r s e n H J G． S o me H e W， s i m p l e a n d e f fi c i e n t s t e r e o l o g i e al me t h o d s a n d t h e i r u s e i n p a t h o l o g i c a l r e s e a r c h a n d d i a g n o s i s ． APMI S， 1 9 8 8， 9 6 3 7 9 3 9 4 [ 5 ]P e i t g e n H O， J u r g e n s H， S a u p e D ． F r a c t a l s f o r t h e c l a s s r o o m， p a r t o n e， i n t r o d u c t i o n t o f r a c t a l s a n d c h a o s ， s p ri n g e r v e r l a g ． Ne w Yo r k 2 4 0 2 4 4 本 文 由 美 国 H o e g a n a e s C o r p o r a t i o n授 权 本 刊 译为 中文发表 ， 特此致谢 如有 问题 ， 请联 系 H o e ． g a n a e s C o rpo r a t i o n中国办公 室 上海 王玮晔先生， 0 2 15 1 3 4 8 9 9 9 韩凤 麟译 上接 第 1 4 2页 图 5 烧 结块 的外观 Fi g ． 5 Ap p e a r a n c e o f s i nt e r e d p e l l e t s 2 U O 粉末 在空 气 中加热 ， 大致在 1 0 0～1 2 0 C 时失去吸附水 ， 在 2 4 0 C氧化时有极少量 的 U ， O 生 成 ， 3 8 2 C和 8 1 5 C下氧化 生成 了 U ， O 。 。 3 采 用 氧化 后 的 U O 粉末 制 坯 ， 经 1 4 0 0 C 3 h 低温烧结 ， 其芯块相对密度可达 9 4 ％左右。 [ 2 ] 参考文献 伍志 明 ．二 氧化铀 核燃料 的粉末 冶金技术 ．粉末冶金 技术 ， 1 9 9 6 ， 1 4 1 6 3 6 8 Bi e n A， Ne z i h i B A． T h e p o s s i b l e u s a g e o f E x - ADU u r a n ium d i o x i d e f u e l p e l l e t s wi t h l o w t e mp e r a t u r e s i n t c rin g ． J o u r n a l o f N u c l e a r Ma t e ri a l s ， 2 0 0 0 ， 2 8 0 1 4 5 5 0 [ 3 ]M c E a c h e r n R J，T a y l o r P ．A r e v i e w o f o x i d a t i o n o f u r a n i u m d i o x i d e a t t e mp e r a tur e b e l o w 4 0 00 C．J o u rna l o f Nu c l e a r Ma t e r i a l s ， 1 9 9 8， 2 5 4 2 ／ 3 8 71 2 1 [ 4]H a r a d a Y ．S i n t e r i n g b e h a v i o u r o f n i o b i a - d o p e d l a r g e g r a i n U O2 p e l l e t ．J o u rna l o f N u c l e a r Ma t e ri a l s ， 1 9 9 6， 2 3 8 2 ／ 3 2 3 7 2 4 3 [ 5 ]S o n g K W ， K i m S H，N a S H ．E f f e c t s o f N b 2 O 5 a d d i t i o n o n g r a i n g r o wt h a n d d c n s i f ic a t io n i n UO2 p e l l e t s u n d e r r e d u c i n g a n d ／ o r o x i d i z i n g a t mo s p h e r e s ． J o u rna l o f Nu c l e a r Ma t e ria l s ， 1 9 9 4，2 0 9 3 2 8 0 2 8 5 [ 6]G a o J C， Y a n g x D， L i R ．L o w t e mp e r a t u r e s i n t e r i n g m e c h a n i s m o n u r a n i u m d i o x i d e ．J o u r n a l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e ，2 0 0 7 ，4 2 1 5 5 9 3 65 9 4 0 [ 7]K i m H S ，K i m S H，Ki m B G ．P r o c e e d i n g s o f t h e w o r k s h o p o n ma n u f a c t u rin g t e c h n o l o g y a n d p r o c e s s for r e a c t o r f u e l s ． J AERI C o n f e r e n c e 9 60 0 6，To k a i ，J a p a n，1 9 9 69 2 [ 8 ]Y a n gX D， G a o J C， Wa n g Y ．L o wt e mp e r a t u r e s i n t e r i n g p r o c e s s f o r UO2 p e l l e t s i n p a r t i a l l y o x i d a t i v e a t mo s p h e r e ． T r a n s a c t i o n s o f N o n f e r r o u s M e t a l s S o c i e t y o f C h i n a ， 2 0 0 8 ，1 8 1 1 7 11 7 7 【 9]Mc E a c h e rn R J ，S u n d e r S ，T a y l o r P，e t a 1 ．T h e i n fl u e n c e o f n i t rog e n d i o x i d e o n t h e o x i d a t i o n o f UO2 i n a i r a t t e mp e r a t u r e s b e l o w 2 7 5 ℃．J o u rna l o f N u c l e a r Ma t e r i a l s ，1 9 9 8 ，2 5 5 2 ／ 3 2 3 4 2 4 2 [ 1 O ]韩瑞平 ．法国干法工艺制造 P WR用 U O 2粉末和芯块 的特点． 核电工程与技术 ， 2 0 0 1 ， 2 5 3 2 3 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m