金属粉未爆炸烧结的机理

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.01.00M 北京钢铁学院学报 第9卷，第1期 Journal of Beijing University Vol.9 No.1 1987年1月 of Iron and Steel Technology Jam,1987 金属粉末爆炸烧结的机理 杨让解子章·王小鹏 (北京钢铁学院) 邵炳璜周之洪 李国豪 (中国科学院力学所) 摘 要 本文采用环状飞片柱面收缩爆炸方法，研究了CF。高速钢粉末在冲击波作用下，瞬 时（几微秒）产生高温高压，使颗粒表面熔化，在随后微冷凝固过程中形成微晶组 织，使粉末颗粒相互粘结在一起，达到烧结的目的。 关键词：爆炸烧结、微冷凝固。金属粉未 An Investigation on Sintering Consolidation Mechanism During Dynamic Powder Compaction of High Speed Steel Powders by Explosive Means Vang Rang Xie Zizhang Shao Binghuang Abstract In this paper,the sintering mechanism of GF3 high-speed steel powders has been investigated by means of a cylinderically converging explosive me- thod with a ring-shaped flyer.It has been shown that shock waves pro- duce high temperature and high pressure in a few microseconds,which leads 1986-05-12收稿 23

第 卷 ， 第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 金属粉末爆炸烧结的机理 杨 让 解子章 、 王小鹏 北京钢铁学院 邵炳磺 周之洪 李国豪 中国科学院力学所 摘 要 本文采用环状飞片柱面收缩爆炸方法 ， 研究了 。 高速钢粉末在冲击 波作用下 ， 瞬 时 几微秒 产生高渴高压 ， 使颗粒表面熔化 ， 在随后激冷凝 固过程 中形成微 晶组 织 ， 使粉末颗粒相 互粘结在一起 ， 达到烧结的目的 。 关键词 爆炸烧结 激冷凝 固 金属粉末 ” 刀 炸 ， 一 一 力 七 ， 飞 一 尽 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．01．004

to that melting occurs at the interface of the metallic powders and caructure causes inter-particle welding,resultion in microcrystaline structure and sin- tering of powder particles in the rapid solidifying process followed,Key words:consolidation by explosive,rapid solidification 前 言 随着科学技术的发展，出现了激冷非晶和微晶材料，但激冷材料大都是制成薄带状或粉 末状，并未成材。粉未治金法虽然是制取各种特殊性能材料的行之有效的方法，但用来生产 激冷非晶和微晶材料却困难极大。其主要原因是烧结的温度较高，时间较长，必将发生品化 和晶粒长大现象，这样会部分或全部失去激冷材料的优异性能。 为解决上述问题，近年来，国外对于爆炸烧结固化的研究工作十分活跃。如：在最近两 次国际金属爆炸加工学术会议上，苏联明斯克白俄罗斯工学院和伏尔加格勒工学院分别提出 “爆炸载荷对非晶粉末结构的影响”和“粉末与金属爆炸焊接”等一些报告；美国和瑞士的 一些学者，于最近两年对低碳钢、镍基合金粉的爆炸烧结机理进行了初步研究。 本文在研究爆炸烧结技术的基础上，对粉末高速钢的爆炸烧结机理进行了初步探讨。 1实验方法 采用的粉末为水雾化GF3高速钢粉，经过650℃真空脱氧，其化学成分如下： GF4:C%1.40~1.60,W%9.5~11.50,M0%5.00~4.40,C0%8.5~9.5,V%2.80~ 3.40,Cr%3.80~4.40,0%<0.06,Si、Mn%≤0.04，S、P%≤0.3 粉末粒度为-100目，颗粒为不规则形状。 色套结构如图1所示，材料为不锈钢(1C18Ni9Ti)爆炸装置如图2所示。隔爆板的 作用是防止冲击波在自由表面上反射为拉伸波，将色套底垫拉脱致使粉末喷出。 图1包套示意图①抽气管②包套主体③底垫 Fig.1 Schematic of container system used 图2环状飞片柱面收缩爆轰装置 2实验结果 Fig.2 Schematic of cylinderic converg- ing explosive system with 采用环状飞片柱面收缩爆炸法重复制 ring-shaped flyer 取了三个色套(1,2、3)其组织与形貌基 1.霜管.2.引燥装置.3，炸药.4.环状飞片.5.包套、 本类似。本文仅以1包套为代表。为比较 6.硬纸壳.7.隔燥板。8，空气间隙.9，高速铜粉、 合金烧结后的状态，还采用直接爆轰方式 10,拉伸块。 24

一 、 前 口口 目 ‘ 口 随着科学 技术的发 展 ， 出现 了激冷非 晶和微 晶材料 ， 但激冷材料大都是 制成薄带状或粉 末状 ， 并 未成材 。 粉 末冶 金法 虽然 是制取各种特殊性 能材料的 行 之有 效的方法 ， 但用 来生 产 激冷非 晶和 微晶材料却 困难极大 。 其主要 原 因 是烧结的 温度较 高 ， 时 间较长 ， 必将发生 晶化 和 晶粒长大现象 ， 这样会 部分或 全部失去激冷材料 的优异性 能 。 为解决上述 问题 ， 近 年来 ， 国外对于 爆炸烧结 固化的研究工 作 十分 活跃 。 如 在最近 两 次 国际金属 爆炸加工 学 术会 议上 ， 苏联 明斯克 白俄罗 斯工 学院和 伏尔加格勒工 学 院分别提 出 “ 爆炸载 荷对非 晶粉 末结 构的 影响” 和 “ 粉末与金属爆炸焊 接 ” 等一 些报告 ， 美国和 瑞士 的 一 些学 者 ， 于 最近 两 年对 低碳 钢 、 镍基合 金粉的 爆炸烧结 机理进 行 了初步研究 。 本文 在研究爆 炸烧结 技术 的基础 上 ， 对粉末 高速钢 的爆炸烧结机理进 行 了初步 探讨 。 实验方法 采 用 的粉 末 为水 雾化 。 高速钢粉 ， 经 过 ℃ 真空脱氧 ， 其 化学 成分如下 一 ， ， 。 。 ， ， ， ， ， 、 ， 、 《 粉末粒 度为 一 目 ， 颗粒 为不规 则形 状 。 色套结 构如 图 所示 ， 材料为不 锈钢 爆炸装置 如 图 所示 。 作 用是 防止 冲击 波 在 自由表面 上反 射为拉伸波 ， 将色套 底垫 拉脱致 使粉末喷 出 。 吓 一 隔爆 板 的 图 包套示意图① 抽气管⑧包套主体③底垫 、 、 心 卜飞， 万 ’ 户 匕’ 、 丫 ‘ 实验结果 采 用 环状 飞 片柱 面 收缩 爆炸法 重 复制 取 了三 个色套 “ 、 ” 、 其组织与形貌基 本类似 。 本文 仅 以 包 套 为代表 。 为 比较 合 金烧结 后的状 态 ， 还采 用直接爆轰方 式 图 环状飞片柱面收缩爆轰装置 一 雷管 引爆装置 炸药 ， 环状飞片 包套 、 硬纸壳 隔爆板 空气间隙 、 高速钢粉 拉伸块

(即炸药直接作用于包套)制取了4包套，用来研究爆炸烧结粉末高速钢的烧结机理。 图8、4、5分别为1*包套（由边缘到中心）横断面试样，经4%硝酸酒精溶液浸蚀 后的照片（100倍)。图中可观察到粉末颗粒呈暗灰色，上面白色点状物质为碳化物，而颗 粒边界为均白亮区，浸蚀极为困难。 图31试样（包套内缘），100X图41·试样（包套中部），100X及图51试样（包套边缘），100× Fig,3 Sintered body *1(the Fig.4 Sintered body"1 Fig.5 Sintered body*1 centerzone),100× (the mid zone),100× (the edge zone),100x 图64包套横断面100X 图71试样扫描电镜照片3000X 图81#试样扫描电镜照片10000X Fig.6 Transversal section Fig.7 SEM photograph Fig,8 SEM photograph of body*4,100× of sintered*1,3000× of sintered #1,10000x 图6为4*包套（即直接爆轰法）横断面试样经4%硝酸酒精浸蚀后的低倍(100×)光 学显微照片。图6可明显看到黑色颗粒界，而没有白亮区。 图7、8为1包套试样经10%硝酸酒精溶液浸蚀后的扫描电镜照片。可看到颗粒界有细 小组织，将选区内组织放大至10000倍如图8所示，可观察到非常细小的微晶组织，这是颗 粒间熔化并随后激冷凝固的结果。其晶粒最大直径为0.5~0.6μm,一般只有0.25~0.3um。 图9、10、11分别为1#试样的内、中和边缘部位的断口照片。从图中可以看出，除极少 有颗粒界外，其余基本上全部烧结。在图11中可看到颗粒的形貌和颗粒边界的白亮区，即沿 颗粒间的熔化区。图12是图11选区中白亮带放大至3600倍的扫描电镜照片，为典型的韧性断 25

即炸药直接作 用于包套 制取 了 包套 ， 用来研究爆炸烧结粉末 高速钢的烧结机理 。 图 、 、 分别为 包套 由边缘到 中心 横断面试样 ， 经 硝酸酒精 溶 液 浸 蚀 后的 照片 倍 。 图中可观察到粉末颗粒 呈暗灰色 ， 上面 白色点状物质为碳 化物， 而 颗 粒边界为均 白亮区 ， 浸蚀 极为 困难 。 誊 郭熬 图 试样 包套内缘 ， 图 试样 包套中部 ， 很 图 试样 包套边缘 ， 里 ， “ 百 ， 只 “ ， 图 包套横断面 图 试样扫描电镜照片 。 。 。 。 ， 图 ， 试样扫描电镜照片 。 。 。 ， 火 非 ， 图 为 “ 包 套 即 直接 爆 轰法 横断面试 样经 硝酸 酒精 浸蚀 后 的低 倍 光 学 显微 照 片 。 图 可 明显 看到 黑色颗粒界 ， 而没 有 白亮区 。 图 、 为 包 套试样经 硝酸酒精溶液浸蚀 后 的 扫描 电镜 照 片 。 可 看到 颗粒 界有细 小组织 ， 将选区 内组织放 大至 倍如 图 所示 ， 可 观察到非常细 小的微晶组织 ， 这 是 颗 粒 间熔 化并 随后激 冷 凝 固的结果 。 其 晶粒 最大直径为 一 件 ， 一 般 只 有。 件 。 图 、 、 分别为 ” 试 样 的 内 、 中和边缘部位的断 口 照 片 。 从 图 中可 以 看 出 ， 除极少 有颗粒界 外 ， 其 余基本上 全部烧结 。 在 图 中可看到 颗粒 的 形貌和 颗粒 边 界的 白亮 区 ， 即 沿 颗粒 间的熔化区 。 图铭 是 图 选 区 中白亮带放 大至 倍的 扫描 卜匕镜 照片 ， 为 典型 的韧性 断

口，正是这种延展性较好的物质把两个颗粒粘结在一起。 258258 图91#试样断口（包套内缘）.300X 图101#试样断口（包套中部） Fig.9 Fractograph of sintered Fig.10 Fractograph of sintered body #1(the center zone),300x body *1(the mid zone) 图13是4*试样的断口照片（与图6的金相照片相对应）山图观察到沿颗粒界脱开的平整 断口，没有看到颗粒间的微晶组织。可看到明显颗粒边界，证明冲断时整个颗粒脱落。 图111试样断口（包套边缘）500×图121·试样断口（选区内）3600X图131·试样断口（未烧结）1000X Fig.11 Fractograph of Fig.12 Fractograph of Fig.13 Fractograph of sintered body *1(the edge sintered body *1 mag-body *4 magnification, zone magnification),500x nification,3600× 1000￥ 图14、15为超高压透射电镜照片，山照片看到两个截然不同的区域，较黑的区域，组织 细小，为颗粒问熔化区，另一区域是颗粒内部组织。 图16是对图14中的颗粒间进行衍射分析的结果。衍射光栏直径0.251m,衍射谱为圆环。 由此图可充分证明，在该区域内即0.25μm的范围仍是多品体。 显微硬度测定结果：对1*包套横断面沿径向不同区城进行了显微硬度测绿，对应图4的 颗粒内显微硬度的平均竹为380Hm(5个点的平均值，载荷为50克，以下同)颗粒间的熔化 区显微硬度平均任为722H,具体测量结果见表1。 26

口 ， 正 是这 种延 展性较好的物质把两 个颗粒粘结在一起 。 图 试样断 「以 包套 内缘 图 试样断 口 包套中部 ” ， 图 是 ” 试样 的断 口 照 片 与 图 的金相 照 片相对 应 由图观察到 沿颗粒 界脱开 的平整 断 口 ， 没 有看到颗粒 间的微 晶组织 。 可 看到 明显颗粒边界 ， 证 明冲断 时整 个颗粒脱落 。 图 试样断 口 包套 边缘 火 图 ， 试样断 口 选区 内 图 试样断 口 未烧结 。 、 ， 〔 “ ， 吐 图 、 为超 商压透射电镜 照 片 ， 山 照 片看到 两 个裁 然不 同的区域 ， 较黑的区域 ， 组织 细 小 ， 为颗粒 间熔 化区 ， 另一区域是 颗粒 内部组织 。 图 是 对 图 中的颗粒 间进 行衍 射分析的结果 。 衍 射光 栏直径 吞 ， 衍 射谱为 圆环 。 由此 图可充 分证 明 ， 在该 区域 内即 协 的范 围仍 是 多晶体 。 显 微硬度测定结果 对 ” 包 套 横断面 沿径 向不 同区域进 行 了显微硬度 测量 ， 对 应 图 的 颗粒 内显 微硬 度的平均 谊为 个点的平 均俏 ， 载 荷为 克 ， 以下 同 颗拉 间的熔 化 区显 微硬度，卜均值为 ， 其体测 觉结果 见 丧

图141·试样透射电镜照片45000X图151试样透射电镜照片45900X 图161带试样颗粒问熔化层衍射 图，衍射光栏直径为0,25μm Fig.14 TEM photograph.Fig.15 TEM.photograph Fig,16 Diffraction patt- of sintered.body*1,of sintered body*1,45000.x ern in interparticlem olten 45000× zone of siutered body1 (aperture diameter =0,25um) 表1 颗粒内与颗粒界的显微硬度值（载荷50克）H。 Table 1 Microhardness H(P=50g)in different zones of particles The interior of particle The molten zone 386 677 2 429 689 .3 349 726 4 376 739 5 358 780 Average 380 722 综上所述，颗粒界的白亮物质，其显微硬度极高，浸蚀困难。经电子衍射证明是多晶 体，扫描电镜观察该区域的断口呈微晶形貌。当爆炸压力不足时，没有白亮区（见图6）即 没有熔化区，说明没有达到颗粒界熔化的温度。 用水静法测定爆炸烧结粉末高速钢试样的密度，其结果为8.18g/℃m3,相对密度 99.03%。 3 实验结果分析 在冲击波作用下，包套内金属粉未颗粒的表面温度急刷上升，并可能使颗粒表面发生熔 化。文献1一3)认为：温升可能来源于绝热压缩，‘粉来相互间的摩擦，宏观塑性变形等。 上述说法各有一定的理论与实验依据，并有待于今后进一步探讨。 爆炸烧结是一个瞬时过程，仅在数微秒内完成4)，来不及进行热交换，应当认为是绝 27

图 试样透射电镜照片 亏。 。 。只 ， 试样透射电镜照片 上 “ ， 图 。 口 · ， 又 图 争 一 试样颗粒间熔化层衍射 图 ， 衍射光栏直径为 山。 ‘ 卜 表 颗粒内与颗粒界的显微硬度值 载荷 克 ‘ 。 一一一一益一一山一一‘ ‘ 一‘ 声‘ 卜一一 一 一 山 ‘ ‘ 一，一 一一一 一 一一 一 甲 。 一 － 综上 所述 ， 颗粒 界的 白亮物 质 ， 其 显微硬 度极高 ， 浸蚀 困难 。 经 电子 衍 射证 明 是 多 晶 体 ， 扫描 电镜观察该 区域 的断 口 呈微晶形貌 。 当爆 炸 压力 不足 时 ， 没 有 白亮区 见 图 即 没 有 熔化 区 ， 说 明没 有达到 颗粒 界熔化 的温 度 。 用水静法测定 爆 炸烧结 粉末 高速钢试样 的 密 度 ， 其 结 果 为 “ ， 相 对 密 度 。 实验结果分析 在冲击波作 用下 ， 包套 内 金属粉 末颗粒 的表面 温 度 急剧上升 ， 并 可 能使颗粒 表面发生 熔 化 。 文 献 〔 ’一 〕 认 为 温 升 可 能来源于绝 热 压缩 ， ‘ 粉 末相 互 间的摩擦 ， 宏 观塑性变 形 等 。 上述 说 法 各有 一定 的理论 与 实验依据 ， 并有 待于 今 后进 一步 探讨 。 爆炸烧结 是 一 个瞬 时过程 ， 仅 在数微秒 内完成〔 〕 ， 来 不及进 行 热交 换 ， 应 当认 为 是绝

热或准绝热过程。由热力学定律可知： △Q=△E+P△V=0 故△E=-P△V C,△T=△E 即内能的增加等于在压力作用下使体积收缩所做的功，并以热能的形式表现出来，使其 温度升高。粉末颗粒间与颗粒内存在大量孔隙，在冲击波作用下，空隙骤然被压缩，体积急剧 变小，产生的内能变化以热能的形式释放出来。能量在粉末颗粒内分布不均匀，表层能量密 度高，中心低，从而造成粉末颗粒表层熔化(2一4)，并在随后由于金属的高导热率使得熔化 层激冷(109~1011℃/s)〔4)。从图7和图8可以看出激冷的微晶晶粒，该区域的硬度很 高(722Hm)。如图11和图12所示，熔化区为韧窝状断口，使颗粒粘结较牢固，因而产生 穿颗粒断裂。 从上述分析可以证实高能爆炸烧结机理是颗粒间熔化粘结。从目前实验结果来看，这一 烧结机理带来了组织不均匀性问题，因为颗粒间熔化区形成微晶，而颗粒内部却是粗晶粒， 不过，从高能爆炸发展方向来看，其主要目的是制取微晶或非晶材料。当颗粒本身是微晶或 非晶粉未时，经爆炸烧结后，颗粒间熔化区也形成了微晶或非晶(5〕，这样整个合金就成为 微晶或非晶。因此，为今后制取微晶或非晶材料积累了可靠的技术数据。 4结 论 根据上述实验研究结果，可得如下结论： (1)高能爆炸烧结高速钢粉末，能产生接近致密金属的烧结体，颗粒间产生熔化，使粉末 颗粒相互烧结在一起。 (2)冲击波掠过包套后，由于金属高导热率，发生激冷，致使颗粒间熔融物形成包状微 晶。 (3)由实验结果推断，利用高能爆炸方法，制取微晶、非晶工程材料是可行的。 参考文献 [1]Meyers,M.A.:Gupta,B.B.:J.Metals,10(1981),21 C2]Morries,D.G.:Mat.Sci and Eng.,57 (1983),187 [8)Raybould,D.:J.Metals,16(1981),589 [4]Gourdin,W.H.:J.Appl.Phys,55(1 )(1984),72 [5)Murr,L.E,et al:Scripta Metallurgica,17 (1984),1353 28

热 或准绝热过程 。 由热力学定律可知 △ △ △ 故△ 一 △ ， △ △ 即 内能的增加 等于在压力作 用下使体积收缩所做 的功 ， 并 以热能的形式表现 出来 ， 使其 温度升高 。 粉末颗粒 间与颗粒 内存在大量孔 隙 ， 在冲击波作 用下 ， 空隙骤然被压缩 ，体积 急剧 变小 ， 产生 的内能变化以热能的形式释放 出来 。 能量在粉末颗粒 内分布不均匀 ， 表层 能量密 度 高 ， 中心 低 ， 从而造成粉末颗粒表层 熔 化 一 〕 ， 并在随后由于金属 的高导热率使得熔化 层 激冷 ” “ ℃ 〔 〕 。 从 图 和 图 可 以看出激冷 的微晶晶粒 ， 该 区域的硬 度 很 高 。 如 图 和 图 所示 ， 熔化 区为韧窝状 断口 ， 使颗粒粘结较牢 固 ， 因而 产 生 穿颗粒 断裂 。 从上述分析可 以证实 高能爆炸烧结机理是颗粒 间熔化粘结 。 从 自前实验结果 来看 ， 这 一 烧结机理带来 了组织不均匀性 问题 ， 因为颗粒 间熔化区形成微晶 ， 而颗粒 内部却是粗 晶粒 ， 不过 ， 从高能爆炸发展方 向来看 ， 其主要 目的 是制取微晶或非 晶材料 。 当颗粒本身是微晶或 非 晶粉末时 ， 经 爆炸烧结后 ， 颗粒 间熔化区也形成了微晶或非 晶〔 〕 ， 这 样 整个合 金就成为 微 晶或非 晶 。 因此 ， 为今后制取微晶或非 晶材料积累了可靠的技术数据 。 结 论 根据上述实验研究结果 ， 可 得如下结论 高能爆炸烧结 高速钢粉末 ， 能产生接近致密金属 的烧结体 ， 颗粒 间产生熔化 ， 使粉末 颗粒 相互烧结在一起 。 冲击 波掠过包套后 ， 由于金属高导热率 ， 发生激冷 ， 致使颗粒 间熔融物形 成 包 状 微 由实验结果 推断 ， 利用高能爆炸方法 ， 制取微晶 、 非 晶工 程材料是 可 行的 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ， 。 ， ， 〔 〕 ， ， ， 一 〔 〕 ， 。 ， ， 〔 〕 ， 。 一 。 ， ， 〔 〕 ， ，