Introduction to Metallographic for Powder Metallurgy 粉制金金相技術 (一)

■ ACMT/ 邱耀弘

前言

Legend​of​special​translate:​two​parts​paper​of​ “Introduction​to​Metallographic​for​Powder​ Metallurgy”​were​showed​on​Powder​Metallurgy​ Review.​Part​I​translated​by​Dr.​Q​and​Part​II​translated​ by​Dr.​Dan​of​PIMA-CN.​專案翻譯說明：本文章為刊 載於英國國際期刊粉末冶金回顧 (Powder​Metallurgy​ Review)的期刊中連載二期的技術文件，由PIMA-CN 的邱耀弘博士與鄧忠勇博士(現於上海富馳高科技任職) 個別翻譯。

編者說明(Dr. Q)

金相分析技術其實算是微結構觀察中的一門重要技術， 已經不是單純的金屬微結構分析，而擴展到許多不同的 材料分析上。當然，觀察的主要工具仍舊以方便的光學 顯微鏡為主，目的在於方便工程師能夠因為樣品準備容 易，能夠快速定論以發現問題並加以修正錯誤。然而在 中國和台灣，許多PM與MIM公司的金相檢驗設備缺 乏甚至沒有金相分析的技術，那麼要做好PM與MIM 產品就相當困難，提出的品質數據也將令人懷疑。編者 希望拋磚引玉的協助大中華地區的PM與MIM廠家， 盡快的建立好金相分析技術，來提升自己的產品良率和 技術。

The Author 原作者

Thomas​F.​Murphy,​FAPMI,​Scientist,​Research​ &​Development​Hoeganaes​Corporation​ Cinnaminson,​NJ​USA​ Email:​tom.murphy@hoeganaes.com

Part 1 Sample preparation techniques
第一部分 樣品備製技術

文章出處︰P29~37,​Vol.3​No.4,​©​2014​Inovar​ Communications​Ltd,​Winter​2014,​Powder​ Metallurgy​Review 注意翻譯按照有關英式英文內容以更改為美式英文，請對照英文原文敘述，有錯誤與不懂之處，歡迎討 論！藍色字體為譯者與編者補充說明。 譯者：邱耀弘博士(Dr.​Q),​當時是台灣鐿鈦科技顧問/ 深圳鑫迪科技有限公司技術長,​2016/05/06

Metallographic​is​the​study​of​the​physical​structure​ of​metals​using​microscopy.​The​process​has​many​ advantages​as​a​method​to​characterize​Powder​ Metallurgy​products​and​helps​to​ensure​product​ quality​and​understand​issues​that​arise.​The​correct​ preparation​of​samples​involves​a​number​of​critical​ steps​and​is​essential​for​accurate​results.​ In​part​one​of​our​Introduction​to​Metallographic​for​ Powder​Metallurgy,​Thomas​F​Murphy,​Hoeganaes​ Corporation,​USA,​one​of​the​PM​industry’s​most​ recognized​metallographers,​looks​at​how​best​to​ prepare​samples​for​the​process.​
金相，是一種通過顯微鏡來研究金屬物理結構的技 術，可以用金相技術來表現粉末冶金製品的組織特 性，以及說明我們如何進行粉末冶金產品的品質控制 和解決製程中的問題。本文中來自美國赫格納斯公司 的Mr.​Thomas​F​Murphy，他將為我們介紹如何運用 這項技術來揭露和檢查粉末冶金樣品的顯微組織。

As​manufacturers​and​users​of​Powder​Metallurgy​ (PM)​materials,​our​mission​as​an​industry​is​ to​develop​and​produce​products​that​meet,​ and​where​possible,​exceed​our​customers’​ expectations​and​requirements.​In​order​to​ accomplish​this​goal,​we​must​evaluate​our​ products​on​a​periodic​and​systematic​basis​using​ all​the​available​test​techniques.​This​evaluation​ requirement​also​extends​to​end-users,​those​ in​new​product​development​and​researchers,​ where​the​attributes​that​influence​and​determine​ the​properties​are​defined.​Physical,​mechanical,​ chemical,​and​metallographic​tests​are​some​of​ the​methods​used​most​often​to​characterise​PM​ products.Of​the​aforementioned​test​techniques,​ Metallographic​is​probably​the​most​effective​and​ efficient​diagnostic​tool​considering​the​amount​ of​relevant​information​generated​compared​ with​Introduction​to​Metallographic​for​Powder​ Metallurgy:​ 對於我們是粉末冶金材料的製造和使用者而言，作為 此個行業的使命是開發和生產產品，在所有可能的情 況下，滿足並超越客戶的期望和要求。為了實現這一目標，我們必須定期在有系統的基礎上，利用所有可 用的測試技術，來作為我們的產品所必須的評價，這 一個評價要求也會延伸到最終用戶。對那些在新產品 開發和研究人員來說，有關產品其所擁有的特性，以 了解其影響並確定特性的定義。包含物理、機械、化 學和金相檢驗，這些手段是最常用的方法來描述產品 的特性。上述試驗技術中，金相分析可能是最有效的 診斷工具，我們結合相關的資訊，把傳統材料料與粉 末冶金金相比較介紹如下：

Part​1,​Sample​preparation​techniques​ Metallographic​is​the​study​of​the​physical​structure​ of​metals​using​microscopy.​The​process​has​many​ advantages​as​a​method​to​characterize​Powder​ Metallurgy​products​and​helps​to​ensure​product​ quality​and​understand​issues​that​arise.​The​correct​ preparation​of​samples​involves​a​number​of​critical​ steps​and​is​essential​for​accurate​results.​In​part​ one​of​our​Introduction​to​Metallographic​for​ Powder​Metallurgy,​Thomas​F​Murphy,​Hoeganaes​ Corporation,​USA,​one​of​the​PM​industry’s​most​
recognized​metallographers,​looks​at​how​best​to​ prepare​samples​for​the​process.​Investments​in​ both​manpower​and​equipment.​Metallographic​ is​primarily​a​collection​of​visual​and​imaging​ techniques​that​provide​an​insight​into​the​history​ of​a​material​or​part​and​its​behavior.
With​consolidated​PM​materials,​where​the​ properties​are​controlled​by​the​density,​the​ combination​of​chemical​composition​and​alloying​ method,​and​the​microstructure,​Metallographic​ is​the​only​test​method​capable​of​providing​ information​on​all​three​contributors.​This​is​ accomplished​by​the​examination​of​properly​ selected​and​prepared​metallographic​specimens.​
第1部分、金相樣品製備技術是金屬在顯微鏡下觀察 其物理結構的方法，這個備製技術具有許多優點，可 作為一種有效的方法來表現粉末冶金產品的性能，並 有助於確保產品品質和理解所出現的問題。正確的樣 品製備涉及許多關鍵的步驟，是獲得準確結果必不可 少的技術。在第一部分，我們介紹了金屬粉末冶金的金相，P1-Fig.1(P1- 圖 .1) 美國赫格納斯公司的 Mr.​ Thomas​F​Murphy，是當今粉末冶金業界最認可的金 相技術人員，將告訴讀者如何做最好的樣品備製。在 人力和設備兩方面的投資，金相顯微結構主要是收集 視覺和影像的技術，提供了一個可觀察到一種材料或 部件的製程行為與歷史，且可對於粉末冶金材料的密 度控制、化學成分和合金相結合的方法，提供三個資 訊可在同一個觀察得到結果的測試方法。這是通過正 確選擇和準備的金相試樣來檢測完成。

1.Sample preparation樣品準備

Metallic​specimens​are​opaque​and,​as​a​result,​ optical​examination​must​be​performed​on​carefully​ prepared​planar​(two-dimensional)​surfaces.​This​ preparation​sequence​is​normally​separated​into​ several​well-defined​steps.​These​are:​ 金屬樣品是不透明的，因此，對其進行光學檢查必須 仔細的準備的一個平面(二維的)表面。這個準備序 列通常被分為幾個定義明確的步驟。這些是： 1.1​Sample​selection 樣品選擇 1.2​Sectioning切片 1.3​Mounting鑲埋 1.4​Grinding​&​Polishing研磨與拋光 此外，Etching​and/or​coating蝕刻或塗層(放在第二 部分) Each​step​in​the​sequence​must​be​successfully​ accomplished​before​progressing​to​the​next.​In​ most​cases,​errors​committed​during​one​step​in​ the​progression​cannot​be​corrected​later​in​the​ process.​Adhering​to​the​best​possible​procedures​ is​the​only​means​to​produce​consistent,​reliable​ results.​Basically,​the​effectiveness​of​an​examination​ is​ultimately​dependent​on​the​quality​of​the​sample​ preparation. 上述序列中的每一步都必須在進展到下一步之前有效 的完成。在大多數情況下，在過程中前一個步驟中犯 下的錯誤不能在以後的步驟中被修正。堅持盡可能的 做好每一步驟是唯一的方法，以產生一致且可靠的結 果。基本上，檢驗的有效性最終取決於樣品製備的品 質。

1.1 Sample selection樣品選擇

When​designing​a​test​programme,​the​selection​of​ the​sample(s)​to​be​tested​is​of​primary​importance.​ All​the​skill​and​care​used​in​subsequent​preparation​ will​be​wasted​if​the​samples​do​not​contain​the​ desired​information.​There​are​several​reasons​for​ selecting​specific​samples.​These​include: 在設計金相檢驗方案時，所選取的樣本是非常重要 的。如果不能包含所需要的資訊，所有的技能和整個 後續準備的工作將被浪費。選擇特定樣品的原因有幾 個。這些措施包括：

•​General​microstructural​analysis:​Process​controltype​test,​proportions​of​microstructural​features​ contained​in​the​cross-section(s)​should​be​ representative​of​what​is​in​the​part​volume.​ 一般顯微結構分析：製程控制類型的測試，在橫截面 中的微觀結構特徵的比例應在整體中有代表性。 ​​​ •​Failure​analysis:​Part​failed​in​service​or​during​ testing.​ 失效分析：在運行中和檢驗中發生部分失效的位置。

•​Specific​area​analysis:​Defect​area​or​difficult​to​ manufacture​region.​ 特定區域分析：缺陷區或製造困難的區域。
Quantitative​analysis:​Part​and​cross-section​is​used​ to​represent​the​typical​or​desired​microstructure.​ Stereological​or​image​analysis​testing​is​usually​ performed​on​these​specimens.​ 定量分析：部分和橫截面是用來代表典型的或期望的 顯微組織。通常對這些樣品進行體視學和圖像分析。

P1-Figs.2​and​3​represent​cross​sectional​areas​ that​could​fit​into​several​of​the​sample​selection​ categories​mentioned​above.​In​P1-Fig.2​(a​and​b),​ the​results​of​changes​in​part​design,​die​fill,​and​ compaction​are​seen​as​a​large​difference​in​local​ density​in​the​same​location​of​a​redesigned​part.​In​ P1-Fig.3,​a​cross-section​through​a​surface​defect​is​ shown.​ P1-圖.2和P1-圖.3代表樣品橫截面的區域，可以配 合上述幾個樣品選擇類別的描述。在圖.2(a和b)，代 表零件改變設計，對模具填充和壓實的變化，相同的 位置可以看到密度的差異。在P1-圖.3中，則是通過 一個表面缺陷的橫截面顯示圖。

In​both​figures,​the​features​shown​could​be​ considered​the​reason​for​failure,​a​defect​or​ difficult​to​manufacture​region,​or​an​anomaly​ found​during​a​process-control​test.​Additionally,​ quantitative​testing​could​be​performed​on​the​ surfaces​to​provide​values​of​the​local​density,​size​ of​features,​specific​locations,​etc.​In​both​cases,​ prior​knowledge​of​the​parts​is​a​significant​factor​in​ the​sample​selection.​With​the​density​distribution​ issue,​this​was​the​location​where​a​higher​density​ was​desired.​ 一個缺陷或難以製造的區域，或在製程控制檢驗中發 現的異常，就可以在這兩個圖中所示的特徵，找出產 品失敗的主因。此外，金相還可以進行定量測試其表 面上的局部密度、特徵(缺陷)的大小、具體位置等。 以此二圖來看，從密度分佈的問題來說，一個高密度 的位置是被金相照片所呈現出來，這便可能是缺陷的 位置。

In​P1-Fig.3,​the​defect​was​visible​from​the​part​ surface.​Another​defect​type​is​shown​in​P1-Fig.4.​ It​is​an​area​showing​de-laminations​and​cracks​ caused​by​difficulties​with​powder​and​material​flow​ during​compaction.​The​location​of​this​condition​ is​probably​not​visible​nor​is​the​location​apparent​ from​the​part​surface.​It​might​have​been​an​ isolated​region​or​characteristic​of​a​compaction​ problem.​Y 在P1-圖.3中，缺陷是從零件表面可見的。另一種缺 陷類型如P1-圖.4所示，在壓實過程中的粉末及材料 流動困難，使這區域呈現出分層和裂紋。這種情況的 位置很有可能是看不到的，也不能從零件表面的位置 明顯看到。它可能是一個孤立的區域，或是位於一個 壓實體中的問題特徵。但是進行金相分析之後，便能 夠看到這樣的缺陷。■