扫描电镜在硬质合金研究和生产中的应用

图 5 Co 粉 Fig. 5 Co powder
2. 2 硬质合金断口形貌与缺陷分析的应用 断口是试样或零件在试验或使用过程中断裂后
所形成的 相 匹 配 表 面［3］。 常 规 检 查 硬 质 合 金 产 品 各类缺陷（ 孔洞、渗碳、脱碳、过烧等） 的严重程度是 用金相显微镜从其各自不同的形态加以区分。而用 扫描电镜检查，除这些宏观形态外，还可以观察它们 的微观结构，对缺陷进行定性定量分析。通过对孔 洞作定性定量分析，可以研究孔洞形成的原因，硬质 合金中的杂质元素，尤其是 Cu、团聚态游离碳的存 在容易造 成 合 金 中 大 孔 洞 的 形 成［4］。 下 面 从 宏 观 和微观两方面分析断口，具体介绍了扫描电镜断口 分析在硬质合金中的应用，并用电镜图片对各种应
Abstract： The principles and characteristics of scanning electronic microscope （ SEM ） are introduced and its application in R＆D and production of cemented carbide are summed up on base of previous experience and works． SEM can intuitively reflect the merits of powder； not only can observe their microstructure and detect various types of defects ，such as porous carbide，free carbon，η-phase，over-burning et． but also can analyse qualitatively and quantitatively the defects ． The SEM analysis software expands its range of application． Key words： cemented carbide； SEM； powder； fracture surface； defect analysis
随着硬质合金行业的不断进步和发展，常规的 物理和化学检测手段已不能满足硬质合金研发和生 产的需要，迫切需要引入新的检测分析手段。而将 能谱仪、扫描电镜及计算机技术结合为一体的扫描 电镜是一种可以对样品进行全面分析的多功能电子 显微仪器，将在硬质合金研究和生产中发挥不可替 代的作用。笔者通过多年在硬质合金研发和生产中 对扫描电镜的使用，积累了一些经验，本文将详细介 绍扫描电镜在硬质合金研究和生产中的一些应用。
图 9 渗碳 Fig. 9 Free carbon
图 10 脱碳和钴池 Fig. 10 η-phase and cobalt pool
图 11 鼓泡 Fig. 11 Bubbling
2. 2. 4 断裂源 硬质合金断裂属脆性断裂，在断面上只有轻微
的塑性变 形，很 容 易 在 断 口 上 发 现 各 种 宏 观 缺 陷。 合金断裂可分为正常断裂（ 沿晶断裂、穿晶断裂、钴 池的韧性断裂） 和异常断裂（ 由粗晶、夹杂、大孔洞、 脱碳相，钴池等引起的断裂） ［8］。这些异常断裂降
第 29 卷第 6 期 2011 年 12 月
粉末冶金技术
Powder Metallurgy Technology
Vol. 29，No. 6 Dec. 2011
扫描电镜在硬质合金研究和生产中的应用
Baidu Nhomakorabea
张 方* 黄 伟 黄 帅
（ 南昌硬质合金有限责任公司，南昌 330013）
摘 要： 介绍了扫描电镜的原理和特点，总结了扫描电镜在硬质合金研究和生产中的应用。扫描电镜可以 直观地反映出粉末的优劣； 不仅可以检测硬质合金各类孔洞、渗碳、脱碳、过烧等产品缺陷的严重程度，而且可 以观察它们的微观结构，对缺陷进行定性定量分析； 扫描电镜的分析软件更是扩展了其应用范围。 关键词：硬质合金； 扫描电镜； 粉末； 断口形貌； 缺陷分析
低了合金的强度，用扫描电镜可以很容易找到断裂 源并确定其种类。确定了断裂源及其种类，就可以 做出针对性的调整，消除这些缺陷。断裂源在电镜 下表现为较为平滑的点或面，断裂面呈放射状形貌。 图 12 是由粗晶引起的断裂，粗晶是断裂的源泉； 脏 孔夹杂是图 13 的断裂源； 大孔洞是图 14 的断裂源；
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2 扫描电镜的应用
2. 1 原材料形貌、杂质、粒度分布等应用 通过扫描电镜可以直观地反映出 W 粉、WC
图 2 含有粗大颗粒的 WC 粉 Fig. 2 WC powder with coarse particles
图3 W粉 Fig. 3 W powder
图 4 WC 粉 Fig. 4 WC powder
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Chris Schade 等： 通过预混合粉的粘结剂处理改善粉末性能
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参考文献
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［3 ］ McDermott M J． P / M Parts Fabricati on Experience with ANCORBOND （ Binder Treated ） Premixes，Advances in Powder Metallurgy ＆ Particulate Materials － 1990． Vol． 1，Metal Powder Industries Fedustries Federation，Princeton，NJ，pp209 － 237
扫描电镜具有场深大、放大倍数范围大（ 一般 为 20 ～ 200000 倍） 、不必经常对焦等特点，对于相组 成非均匀的材料便于低倍下普通分析和高倍下微观 分析。它还具有相当高的分辨率，可达 2 ～ 6nm，所 成图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。同时 它的自由度 大，可 对 试 样 作 三 维 移 动，试 样 制 作 简
［2］ Kondohi M，Okaiima H． High Density Powder Compactio on Using Die Wall Lubrication： Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials － 2002． Part 3，pp3 － 47 thru 3 － 55，Metal Powder Industry Federation，Princeton，NJ 2002
元素 质量分数 原子数分数
C 16. 74 32. 70
S 3. 37 8. 65
Ca 10. 02 14. 57
Co 9. 36 9. 25
W 60. 51 19. 19
2. 2. 2 渗碳和脱碳 渗碳和脱碳是影响硬质合金质量的最常见的两
种现象。扫描电镜下观察到渗碳的特征和光学显微 镜下基本相同，都是呈凸起的菜花状［7］，如图 9 所 示。脱碳相如图 10 所示，深色且连成片的区域都是
脱碳相，中间光滑区是钴池。钴池也是影响硬质合 金性能的一大因素，它的存在会降低合金的硬度和 强度［7］。 2. 2. 3 过烧和鼓泡
过烧的特征是 WC 晶粒异常长大，严重过烧的 合金会产生鼓泡现象。所谓鼓泡即烧结制品内部存 在钴相流动所形成的大小不同的圆形孔，其孔壁上 的钴层很厚，呈波纹状，WC 呈聚集状分布［8］，如图 11 为合金表面鼓泡区。
1 扫描电镜的原理和特点
1. 1 扫描电镜的原理 扫描电镜是聚焦电子束在试样表面逐点扫描成
像。由电子枪发射出的电子束，在加速电压的作用
下，经过电磁透镜会聚成一个细小的电子探针，在末 级透镜上部扫描线圈的作用下，电子探针在试样表 面作光栅状扫描。高能量电子与所分析试样物质相 互作用，会产生各种信息。所获得各种信息的二维 强度和分布与试样的表面形貌、晶体取向及表面状 态等因素有关，所以通过接收和处理这些信息，便可 以得到表征试样微观形貌的扫描电子图像［1］。 1. 2 扫描电镜的特点
Applications of scanning electronic microscope in research and production of cemented carbide
Zhang Fang，Huang Wei，Huang Shuai （ Nanchang Cemented Carbide Limited Company，Nanchang 330013，China）
2. 3 分析软件的应用 扫描电镜所附带的分析软件具有强大的测量分
析功能。在电镜图片上可以测定任何距离、面积以 及相成分等。可以研究微观组织结构及性能［9］，纳 米级的粉末和硬质合金更是离不开分析软件的应 用［10］。通过扫描电镜得到轮廓清晰的电镜图片，应 用分析软件中的线段长度测量功能，用截距法在多 视场随机线段上的测量，可以准确地得出硬质合金 的晶粒度，甚至可以测量出纳米晶硬质合金的晶粒 度［11 ～ 13］。图 16 表示的是长度测量，可据此计算出 其晶粒度。
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图 15 中的断裂源是脱碳相。这是几种典型的断裂 源形貌。
图 12 粗晶断裂源 Fig. 12 Coarse-grained fracture
图 13 夹杂断裂源 Fig. 13 Mixed fracture
图 14 大孔洞断裂源 Fig. 14 Large pores fracture
用加以说明。 2. 2. 1 孔洞
孔洞分为空孔和脏孔两种。空孔是不含夹杂物 的孔［5］，如图 6 所示，空孔中很干净。脏孔是含有夹 杂物的孔，如图 7 所示，脏孔中含有黑色的杂质。脏 孔中的夹杂物可以用扫描电镜所配的能谱仪做定性 分析确定其种类，脏孔中常见的夹杂物元素有 Ca、 Na、Mg、Al、Si、S 等，其中 Ca 居多［6］，给图 7 的脏孔 区打能谱，其结果如图 8 和表 1 所示，Ca 居多。据 此可以对含 Ca 物料作针对性调整，降低其含量以 避免出现此类缺陷，从而提高产品质量。
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粉末冶金技术
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图 6 空孔 Fig. 6 The empty pore
图 7 脏孔 Fig. 7 The dirty pore
图 8 脏孔区能谱峰图 Fig. 8 The energy spectrum
of the dirty pore area
表 1 脏孔区能谱值
Table 1 The dirty hole area energy spectrum value %
* 张方（ 1981 － ） ，男，助理工程师。E-mail： zhfang56@ 126． com 收稿日期： 2011 － 05 － 24
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单，表面无需进行特别处理［2］。图 1 为 笔者所使用 的 Quanta200 型扫描电镜，附带牛津 INCA energy 型 能谱仪。
粉、Co 粉等的形貌、粒度分布以及杂质状况，并判断 它们质量的优劣。还可以系统展现硬质合金生产全 过程中的各种物料形貌及演变［3］。图 2 是含有粗大 颗粒的 WC 粉，粗大颗粒是指大于平均粒度 5 倍以 上的颗粒； 图 3、图 4、图 5 分别是优质的粉末，它们 形状饱满，颗粒均匀无杂质。
图 1 Quanta 200 型扫描电镜 Fig. 1 Quanta 200 scanning electronic microscope
3 结语
在硬质合金的研究和生产中，引入扫描电镜来 检测样品，不仅丰富了检测手段，更重要的是提高了 检测的直观性和准确性。
图 15 脱碳断裂源 Fig. 15 η-phase fracture
图 16 长度测量 Fig. 16 Length measurement
1） 通过扫描电镜可以直观地反映出 W 粉、WC 粉、Co 粉等的形貌、粒度分布情况以及杂质状况，来 判断它们质量的优劣。