李 燕

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710089）

生產(chǎn)實踐·應(yīng)用技術(shù)

鐵基粉末冶金零件常見生產(chǎn)缺陷的金相分析

李 燕

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710089）

針對冶金粉末零件的缺陷，從壓制過程、燒結(jié)過程、熱處理過程三個方面通過金相分析的方法具體分析產(chǎn)生缺陷的原因，從而可根據(jù)原因采取措施指導(dǎo)生產(chǎn)、提高質(zhì)量。粉末冶金這種綠色環(huán)保、先進的技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于家電、汽車等一大批制造領(lǐng)域中。

鐵基粉末冶金 金相分析 缺陷

粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除不均勻的鑄造組織。對制造新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、粉末耐蝕鋼、不銹鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。在進行粉末冶金零件生產(chǎn)過程中，主要生產(chǎn)步驟為混粉、壓制、燒結(jié)、熱處理、機加工及其他表面處理工序，這是一套非常復(fù)雜的工藝，如果其中某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)任何小問題，那么在后期的生產(chǎn)中都會導(dǎo)致零件存在質(zhì)量問題和使用過程中出現(xiàn)失效現(xiàn)象。例如當(dāng)生產(chǎn)過程中，我們在進行粉末冶金的混粉施工工藝過程中，為了能夠避免由于工藝不當(dāng)造成的合金元素的偏析，必須要在進行軋制時使合金的參數(shù)保持在正常的范圍內(nèi)，防止零件在生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋、裂縫等現(xiàn)象；同時，注意生產(chǎn)過程中由于合金元素的偏析造成的零件脫碳、滲碳，以及氧化和冷卻速率的異常，這樣就能夠避免在后期的熱處理過程中防止由于出現(xiàn)滲碳造成的零件材料質(zhì)地變硬，或者是由于處理時的溫度沒有達到標準溫度出現(xiàn)零件硬度過低的現(xiàn)象。但是，利用金相分析可以通過顯微鏡來觀察組織評估，從而找到零件失效的主要原因，進而尋求一種解決辦法改善生產(chǎn)工藝技術(shù)，金相分析是一種非常直觀并有效的檢測手段[1]。

1 金相分析的概念

1.1 金相分析的發(fā)展

英國冶金學(xué)家索比最早在1885年，利用光學(xué)顯微鏡應(yīng)用直射光源，從而清晰地觀察到珠光體的片層結(jié)構(gòu)，并且其預(yù)測片層結(jié)構(gòu)中厚的地方為純鐵，薄的片層為滲碳體組織。當(dāng)時這是傳統(tǒng)光學(xué)金相分析技術(shù)的雛形，從此標志著傳統(tǒng)金相分析學(xué)的誕生。在隨后的幾年時間里，傳統(tǒng)光學(xué)金相分析技術(shù)得到了非常迅猛的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高分辨率的數(shù)碼相機的研究成功，逐漸取代繁瑣的暗室工作，并且將圖像記錄處理及測量工作配合多種金相分析應(yīng)用模塊，從而得到了更加準確的金相分析結(jié)果和光學(xué)相機無法達到的金相分析圖片，減輕了相關(guān)的金相分析工作者的自身勞動強度。下面詳細介紹金相分析技術(shù)及其應(yīng)用，以供參考[2]。

1.2 金相分析過程

在進行金相的分析過程中，必須要明確的是試樣切割的過程要保持溫度不能過熱，防止試樣表面的組織結(jié)構(gòu)受到影響。在進行磨拋操作時，必須要注意在切割過程中零件的變形問題，不能夠因為進行磨拋施工就產(chǎn)生二次變形。此外，還需要在試樣時注意一些鑲嵌的工藝，只有這樣才能夠真正將試樣制備零件的孔隙度體現(xiàn)出來。

1.3 鐵基粉末冶金零件的金相試樣磨拋過程

當(dāng)進行鐵基粉末的冶金零件試樣制備磨拋過程中，工作人員首先要進行水磨加工，需要依次選用180號、320號、500號、800號、1200號不等的水磨砂紙進行磨拋施工，進行磨拋的時間為1 min。施工人員注意在進行零件的磨拋施工時，必須要注意磨拋施工的操作技巧，當(dāng)更換磨拋砂紙時注意改變零件的角度，從而避免在磨拋時產(chǎn)生劃痕。并且，當(dāng)進行機械的半自動精磨施工時，必須要選擇適當(dāng)?shù)慕饎偸瘧腋∫簛泶嫔凹堖M行拋光處理，一般都是選擇3μm金剛石懸浮液，然后再配合一些粗制的羊毛拋光布來進行半自動的拋光施工，這時需要拋光的時長為5～15min。對于時長的選擇，是根據(jù)材料自身的特性進行的，當(dāng)選擇的拋光材料越軟，那么拋光時間就需要越長，這樣才能夠?qū)⒘慵恼鎸嵖紫扼w現(xiàn)出來。而當(dāng)選擇的拋光材料非常軟，材料自身的孔隙不能夠體現(xiàn)的情況下，那么將在拋光過程中配合少量的清潔劑來進行輔助。最后進行終拋處理時，工作人員可以通過使用1μm金剛石懸浮液，配合細軟絨布拋光，掌握拋光的時間為30～60s。最后，當(dāng)進行零件的最終試樣侵蝕操作時，需要工作人員針對冶金的材料來選擇一種合適的侵蝕劑，這樣才能夠?qū)⒉煌慵陨淼目紫墩嬲w現(xiàn)出來。并且，在進行侵蝕過程中，需要在侵蝕操作完成后立即清洗金相試樣，這樣才能夠有效保證侵蝕的水劑不影響后期顯微組織的判斷標準。

2 粉末冶金零件的缺陷

2.1 壓制過程中的缺陷

2.1.1 分層

為了調(diào)查粉末冶金過程中零件產(chǎn)生分層的原因，取一個合格件和不合格件在1 120℃下，在N2＋H2（體積比為9∶1）的氣氮中進行燒結(jié)30 min。隨后，將不合格件的分層處和合格零件的結(jié)構(gòu)組織在電子顯微鏡下進行掃描對比。通過對比發(fā)現(xiàn)不合格零件的分層處的孔隙特別多，并且這些零件的自身材質(zhì)中還存在大量的游離石墨和銅元素。分析的結(jié)果最終顯示，分層現(xiàn)象主要是由于石墨和銅的偏析造成的。通過生產(chǎn)現(xiàn)場檢查分析確定，出現(xiàn)問題的所有方向都集中在粉末的融合處，粉末自由落體就會造成石墨和銅粉末的偏析，從而抑制分層離析。因此，造成零件生產(chǎn)中分層的主要原因就是生產(chǎn)過程中粉末轉(zhuǎn)移。分層零件將會出現(xiàn)燒結(jié)后性能變化、力學(xué)性能不穩(wěn)定。

2.1.2 裂紋與斷裂

為了能夠有效解決冶金零件生產(chǎn)過程中存在的各種問題以提升零件的質(zhì)量，將一些產(chǎn)生裂紋與斷裂的零件在顯微鏡下進行放大觀察，其顯微鏡下的裂紋與非裂紋的形態(tài)為圖1所示。通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)零件的裂紋出美元燒結(jié)產(chǎn)生時，這時表明此零件還處于生坯的過程。但是對這些零件的斷裂部位進行深入觀察，從圖1-3中可以清楚地看到，當(dāng)零件的內(nèi)部呈現(xiàn)一種直線時，這時的裂紋兩邊的密度非常均勻。

由于該零件非常長，為一上沖二下沖，兩下沖段差大于2 0mm，壓制非常困難。如果兩下沖壓制不同步，也就是一個下沖對應(yīng)位置已完全成形，另外相連的下沖對應(yīng)位置還處于疏松的粉末狀態(tài)，而繼續(xù)壓制至兩處均完全成形時，便會在臺階處產(chǎn)生剪切裂紋。使用機械式壓機時模沖的行程比較難調(diào)整時，若改為數(shù)控液壓壓機并調(diào)整兩下沖的粉末填充高度以及粉末移動，使得兩下沖壓制同步，即可消除裂紋，而且粉末填充更均勻、減小了拐角處密度差，從而減少了零件在使用時可能由于拐角處密度差異導(dǎo)致的失效。

圖1 裂紋區(qū)及無裂紋區(qū)顯微組織形貌

2.2 燒結(jié)過程中的缺陷

2.2.1 表面熔化

通過對零件燒結(jié)表面的熔化原因進行詳細調(diào)查，并且將制備的金相進行試樣分析，并通過顯微鏡將零件的各個組織進行觀察。2-1為侵蝕前的顯微組織形貌，可以清晰地看到熔化區(qū)域材料非常致密，并且其零件的自身存在少量的圓孔。2-2為零件侵蝕后的情況，通過顯微鏡能夠看到其中存在大量的晶界滲碳體，說明這時零件內(nèi)的石墨含量非常高，從而斷定這是由于大量的石墨團聚造成的。所以零件中的熔化聚集區(qū)，主要是由于在混粉施工中出現(xiàn)了大量的石墨團聚造成的。因此必須要在進行零件混粉施工時及時解決，例如查看粉末混合是否有團聚，是否有過篩，篩網(wǎng)是否干凈等。

圖2 缺陷處的顯微組織形貌

2.2.2 硬度異常

為了分析燒結(jié)過后零件硬度異常情況的原因，通過合格件和不合格件侵蝕后的金相分析得知，合格件都是純鐵元素，而合格零件中不僅有鐵元素，還能夠發(fā)現(xiàn)一些細針狀態(tài)的鐵氮氧化物以及少量的馬氏體。所以在進行零件的燒結(jié)操作時，如果不能夠及時將零件材料中的氨徹底進行分解，那么將會造成零件在高溫下出現(xiàn)嚴重的滲氮現(xiàn)象，從而促使零件中的鐵元素形成氮化物，造成零件的表面硬度不斷升高。

2.3 熱處理過程中的缺陷

通過對粉末冶金零件進行侵蝕分析發(fā)現(xiàn)，在低碳馬氏體的基體上，發(fā)現(xiàn)了大量的低硬度組織結(jié)構(gòu)。并且通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度提升為820℃時，零件中的碳含量為整體組織的0.6%，而這時對于零件中原材料0.15%的碳含量來說，主要是由于滲碳溫度太低造成的零件未能完全的奧氏體化，而僅僅在奧氏體和鐵素體這兩元素間進行了加熱操作，從而導(dǎo)致零件在冷卻后自身結(jié)構(gòu)中殘留了大量的鐵素體。通過利用鐵和銅的生成量增加，在異常的碳粉表面硬度滲碳后，仔細觀察腐蝕后的微觀組織，發(fā)現(xiàn)這時的片狀高碳馬氏體和殘余奧氏體的表面上出現(xiàn)了大量的白色物體，這是由于零件表面過度滲碳導(dǎo)致滲碳體的出現(xiàn)。

3 分析

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉末的偏析現(xiàn)象出現(xiàn)時，會造成零件在燒結(jié)操作中出現(xiàn)自身化學(xué)性質(zhì)的波動，或表層組織和孔隙聚集，偏析會出現(xiàn)異常。粉體離析是由于粉體混合、運輸和壓實過程中操作不當(dāng)造成的。

4 結(jié)語

在粉末冶金的混粉、壓制、燒結(jié)、熱處理等過程中，存儲及生產(chǎn)工藝不當(dāng)均會造成零件產(chǎn)生缺陷，通過金相分析的方法檢驗缺陷件并與正常件進行對比，可找到引起缺陷的根本原因，從而指導(dǎo)生產(chǎn)、提高質(zhì)量。

[1] 杜海珍.鐵基粉末冶金零件的性能改善[D].青島：青島科技大學(xué)，2014.

[2] 蘇柏萬.磷、硼對鐵基粉末冶金材料摩擦磨損特性的影響[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

M etallographic Analysis of Common Defects in Ferrous Powder M etallurgy Parts

Li Yan
（AVIC Xi'an Aircraft Industry(Group)Co.,Ltd.,Xi'an Shaanxi710089）

Aiming at the defects of metallurgical powder parts,this paper analyzes the reasons for defects in the pressing process,sintering process,heat treatment process through metallographic analysis,so as to takemeasures to guide production and improve the quality.Powder metallurgy,a kind of green and advanced technology,has been widely used in a large number ofmanufacturing fields,such as home appliances and automobiles.

iron based powdermetallurgy;metallographic analysis;defects

TG115.21+3

A

1672-1152（2017）05-0087-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.33

2017-10-10

李燕（1972—），女，本科，畢業(yè)于西工大網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，工程師，研究方向：航空產(chǎn)品熱處理及其應(yīng)用。

（編輯：王瑾）