过程控制剂对机械合金化Fe_48Al粉末特性的影响_宋海霞_

1、过程控制剂对机械合金化Fe-48Al粉末特性的影响Effects of P rocess Control A gents o n Characteristicsof M echanically A lloyedFe-48A l Powders宋海霞,吴运新,唐传安,梁吉(清华大学机械工程系,北京100084SONG Hai-xia,W U Yun-xin,TANG Chuan-an,LIANG Ji (Depar tment of M echanical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China摘要:研究了过程控制剂(PCA-无水乙

2、醇和硬脂酸对机械合金化Fe-48A l(Al原子分数为48%,下同粉末特性的影响。利用激光粒度仪、扫描电镜和X射线衍射仪分别研究了球磨粉末的粒度、形貌和热处理前后物相结构的变化规律。结果表明,以无水乙醇作PCA时,Fe-48Al的机械合金化速度较快,粉末粒度较小呈不规则薄片状;以硬脂酸作P CA则有利于球磨粉末形态向厚片状或近球形转化。两种粉末经12h球磨后,仍保持固溶体结构;经1100真空热处理后,两者均可转变为FeA l(B2金属间化合物,但无水乙醇作PCA的球磨粉末中A l2O3生成量相对较多。关键词:过程控制剂;FeA l;机械合金化;热处理;粉末中图分类号:TG146文献标识码:A文

3、章编号:1001-4381(200710-0060-05A bstract:This paper dealt w ith the effects of pro cess co ntrol ag ents(PCA,i.e.,ethanol and stearic acid on the characteristics of mechanically alloy ed Fe-48Al po wders.The par ticle size and particle mo rphology of the ball milled pow ders w ere investigated by means

4、 of laser mastersizer and scanning e-lectron microscope,and their microstructures w ere examined by X-ray diffractome ter befo re and after heat treatment.The results indicate that,com pared w ith stearic acid,ethanol facilitates faster me-chanical alloying o f Fe-48Al,yielding much finer and mo re

5、irregular pla te-like pow ders.When using stearic acid as PCA,how ever,the milled pow ders tend to becom e thick plates o r near-spherical parti-cles.The milled pow de rs with either ethano l or stearic acid as PCA rem ain a solid solutio n structure e-ven after12h milling,but both transfo rm to FeA

6、l(B2intermetallic after subsequent v acuum annea-ling at1100,during w hich mo re Al2O3is formed in the ethano l milled pow ders.Key words:pro cess contro l agent;FeA l;mechanical alloy ing;heat treatment;pow derFeAl金属间化合物熔点高、密度小、比强度高、耐腐蚀性好,在800以上仍具有良好的抗氧化(硫化性,而且随着合金中铝含量的增加,其密度降低、抗氧化(硫化性和耐腐蚀性逐渐增强1,2。

7、FeAl合金原料来源丰富、成本低,可部分取代Fe-Cr基不锈钢和镍基高温合金,是极具潜力的高温及恶劣环境下的结构材料,在航空、汽车、化工、高温熔炉装置等领域有着广阔的应用前景1,3。机械合金化(M A是制备金属间化合物的重要方法。金属粉末在高能球磨机中不断被磨球碰撞,反复发生变形、冷焊、破碎,通过扩散或发生固态反应形成合金。合金化在固态下实现,可以避开复杂的凝固过程,尤其适用于FeAl这种组元熔点相差较大的合金4-6。迄今为止,已有许多学者研究了FeAl金属间化合物的机械合金化过程2,5-14。由于机械合金化是一个非常复杂的过程,受到很多因素的影响,包括磨料尺寸、球料比、球磨转速、球磨时间、球

8、磨介质、过程控制剂(简称PCA等4-6,不同的球磨参数会导致不同的机械合金化过程及最终产物。其中,过程控制剂的加入是为了避免因过度冷焊而造成的粉末大量粘球或粘罐,这对于塑性高的球磨粉末尤为重要。添加PCA 后会对球磨过程及粉末特性产生一系列的影响。本工作从制备粉末冶金金属间化合物及其复合材料的工艺要求出发,研究了添加不同过程控制剂对Fe-48Al混合粉末的机械合金化过程和粉末特性(粉末形貌、粒度和物相结构的影响规律,以期获得适用于粉末冶金工艺的FeA l金属间化合物粉末。1实验方法实验原料为电解Fe粉(纯度99.5%(质量分数,下同,粒度75m和雾化Al粉(纯度99.9%,粒度45m。将Fe粉

9、和Al粉按原子分数比5248混合,采用QM-1SP2型行星式球磨机进行机械合金化。球磨罐和磨球均为不锈钢材质,磨球直径为6mm,球料比为101。过程控制剂分别为无水乙醇(加入量为0.5%,简称乙醇粉和硬脂酸(加入量为1%,简称硬脂酸粉。为防止粉末氧化,在球磨罐中充氩气进行保护。球磨转速为300r/min,球磨时间分别为3,6,9h 和12h。球磨后的粉末在1100进行真空热处理,真空度为26mPa。使用D/max-RB型X射线衍射仪(Cu靶分析粉末球磨过程中及热处理后的物相结构,用M aster sizer 2000型激光粒度分析仪分析球磨粉末的粒度变化,用JSM-6301F型场发射扫描电镜观

10、察粉末的形貌。2实验结果及分析2.1球磨粉末的物相结构图1和图2所示分别为乙醇粉和硬脂酸粉经不同球磨时间后的X射线衍射图谱。可以看出,随球磨时间增加,A l(111和Al(311衍射峰逐渐宽化、相对强度不断降低且稍向低角度偏移,Fe衍射峰也逐渐宽化并向低角度明显偏移。Al峰强度降低说明球磨时有较多的Al原子扩散到Fe晶格中7,9,稍向低角度偏移则说明同时有少量Fe原子扩散到A l晶格中,而Fe 峰向低角度明显偏移说明Fe的晶格中溶入了大量A l 原子使其晶格常数增大;A l峰和Fe峰的宽化则是由于晶粒不断细化和因塑性变形及固溶体的形成致使晶粒内部发生严重的晶格畸变而造成的2,15,16。由于X

11、RD结果中没有出现FeA l(B2有序结构的超点阵衍射峰,因此认为,Fe-48Al混合粉末即使经12h球磨,也没有形成FeA l金属间化合物,而是形成了以Fe (Al为主、含少量A l(Fe相的固溶体结构。对比图1和图2可以发现,在相同球磨时间时,使用0.5%无水乙醇作PCA,可使Al峰的相对强度降低得较快,球磨12h后Fe峰宽化偏移也较明显。这说明采用无水乙醇时,Fe-48Al粉末的机械合金化过程较快。这一结果与文献16一致。PCA对合金化过程的影响主要是通过吸附和润滑作用来实现的17。PCA吸附在粉末表面,在球磨罐、磨球及粉末之间形成一层润滑“薄膜”,以降低粉末的表面能,减少或阻止粉末与磨

12、球、球磨罐及粉末颗粒之间的充分接触16。由于硬脂酸在球磨过程中是以固态“薄膜”形式直接包裹住粉末,与无水乙醇的液态“薄膜”相比,对粉末间的原子扩散和固溶有较强的阻碍作用,所以采用硬脂酸作PCA时,Fe-48A l机械合金化相对较慢 。图1乙醇粉球磨不同时间后的X射线衍射图谱Fig.1XRD patterns of Fe-48Al pow ders milledwith0.5%ethanol for differen t time图2硬脂酸粉球磨不同时间后的X射线衍射图谱Fig.2XRD patterns of Fe-48Al pow ders milledw ith1%s tearic aci

13、d for different time2.2球磨粉末的粒度图3和图4所示分别为乙醇粉和硬脂酸粉的粒度随球磨时间的变化曲线。粒度测量前粉末经过超声分散,以减轻粉末的团聚现象。从图3可以看出,随球磨时间延长,乙醇粉的粒度不断减小,且6h以前粉末细化速度较快,而后逐渐减慢并趋于稳定。而图4表明,用硬脂酸作PCA时,在球磨初期(3h以前粉末的粒度呈增大趋势,3h后粉末粒度的变化与图3相似。这说明固态硬脂酸需要经过一段时间球磨才能在粉末表面形成均匀的润滑“薄膜”,而此阶段粉末间的冷焊较严重,使粉末粒度变大;随球磨时间进一步延长,粉末表面形成了硬脂酸“薄膜”,同时粉末内形成固溶体并 产生加工硬化作用,粉

14、末的塑性和韧性降低,破碎率增加,因而粉末不断细化17。但是,在相同球磨时间时,乙醇粉的粒度明显小于硬脂酸粉,如:球磨12h 后,乙醇粉的D 50为19.2m ,硬脂酸粉的D 50为29.9m 。这表明,无水乙醇有利于获得较细的球磨粉末。无水乙醇作为液体PCA ,可以很快地浸入每个粉末颗粒表面,起到分散粉末和抑制冷焊的作用;同时,它还使粉末颗粒在球磨过程中所受到的冲击力、挤压、冷焊的几率相等16。2.3球磨粉末的显微形貌图5所示为Fe -48Al 粉末在无水乙醇和硬脂酸两 种PCA 作用下分别球磨不同时间后的SEM 形貌。可以看出,在相同球磨时间时,乙醇粉颗粒更细小,这与图3和图4所示结果相一致

15、。但是,两种球磨粉末的形态有较大差别。乙醇粉球磨12h 后,仍为不规则薄片状;而硬脂酸粉的片层厚度较大,球磨12h 后,部分粉末颗粒呈近球形。WO LSKI 等8和H ELENA 等10采用硬脂酸作PCA 球磨Fe ,Al 粉末时,均获得了近球形的粉末颗粒。这说明在适当的添加量时,粉末表面的硬脂酸“薄膜”更有利于粉末薄片间产生粘附,进而合并成为较厚的片层结构甚至近似球形结构。从粉末冶金工艺对粉末特性的要求看,这种厚片状或近球形粉末比薄片状粉末更有利于粉末的均匀成形和烧结。图3不同球磨时间时乙醇粉的粒度Fig.3T he dependence of particle size on millin

16、g time for Fe -48Al pow ders w ith 0.5%ethanol图4不同球磨时间时硬脂酸粉的粒度Fig.4T he dependence of particle size on milling tim e fo r Fe -48Al pow ders w ith 1%s tearicacid 图5Fe -48Al 混合粉末在两种过程控制剂作用下球磨不同时间后的SEM 形貌(a 乙醇粉,球磨6h ;(b 乙醇粉,球磨12h ;(c 高倍(b ;(d 硬脂酸粉,球磨6h ;(e 硬脂酸粉,球磨12h ;(f 高倍(e Fig.5SEM images of Fe -48A

17、l pow ders milled w ith differen t PC A for different time (a ,(b p ow ders milled w ith 0.5%ethanol for 6h and 12h ;(c magnified (b ;(d ,(e pow dersmilled with 1%stearic acid for 6h and 12h ;(f magnified (e 2.4球磨粉末热处理后的物相结构球磨12h 虽未能使Fe -48A l 粉末转变为FeAl 金属间化合物,仅形成了Fe (A l 和A l (Fe 固溶体,但是粉末形态发生了显著变化,

18、形成片层状结构,这为通过后续热处理加快扩散和固态反应、实现其物相转变提供了有利条件。图6和图7所示分别为使用两种过程控制剂的球磨粉末经过真空退火热处理(温度1100,保温0.5h 后的X 射线衍射图谱。可以看出,球磨312h 的乙醇粉和硬脂酸粉在热处理后均形成了以FeA l (B 2金属间化合物为主、含少量Al 2O 3的物相结构。由于FeAl 金属间化合物粉末的烧结温度一般在1100124518,因此可以认为,本工作研究的Fe -48Al 球磨粉末能够用于制备粉末冶金FeAl 金属间化合物材料。对比两图的Al 2O 3衍射峰相对强度可以看出,乙醇粉热处理后生成Al 2O 3量较硬脂酸粉多。这

19、一方面与乙醇粉粒度较小、粉末比表面积较大,球磨后暴露在空气中时吸附氧较多有关10,另一方面也说明,硬脂酸“薄膜”有助于减轻球磨粉末的氧化。此外,通过比较热处理前后球磨粉末的XRD 图可以发现,热处理后的粉末衍射峰宽稍有减小,这表明球磨粉末经退火后,其晶格畸变程度降低、晶粒尺寸有所增加9,11。 图6乙醇粉热处理后的X 射线衍射图谱Fig.6XRD patterns of Fe -48Al pow ders milledw ith 0.5%ethanol and heat -treated 图7硬脂酸粉热处理后的X 射线衍射图谱Fig.7XRD patterns of Fe -48Al pow

20、ders milledwith 1%stearic acid and heat -treated3结论(1与硬脂酸相比,无水乙醇作PCA 时,Fe -48A l球磨粉末的机械合金化速度较快,球磨粉末呈不规则薄片状、粒度较小。但硬脂酸作PCA 有利于获得厚片状甚至近球形球磨粉末。(2使用无水乙醇和硬脂酸为PCA 进行12h 球磨,Fe -48A l 粉末仍保持以Fe (A l 为主、含少量A l (Fe 的固溶体结构。经1100真空热处理后,粉末均可转变为FeAl (B 2金属间化合物和少量Al 2O 3。采用无水乙醇作PCA 的球磨粉末在热处理后形成的Al 2O 3量相对较多。参考文献1DEE

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30、ournal of the Japan Society of Powder an dPow der M etallurgy,2002,34(9:787-792.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50574052收稿日期:2006-12-19;修订日期:2007-03-20作者简介:宋海霞(1975-,女,硕士研究生,现从事金属粉末注射成形研究,联系地址:清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室(100084。(上接第41页导致Ni金属层的破裂,从而使一部分石墨向基体中扩散,同时Ni也向基体扩散固溶于Fe中,但Ni提高了C在Fe中的扩散系数,使周围基体增碳而又不至于过饱和析出片状石墨。此

31、时,粒子邻近区包括有镀层中扩散来的Ni,(SiCP部分分解带来的碳、再加上基体本身含有的合金元素,粒子邻近区实际上成了高碳合金钢的成分,因而在冷却的过程中生成了更多的高碳马氏体组织以及在晶界形成了网状Fe3C,材料的硬度得到了很大的提高,这种组织对粒子的支撑能力很强,并且随着(SiCP质量分数的增加,(SiCP位错强化进一步提高了材料的硬度。质量分数的增加,SiC位错强化进一步提高了材料的硬度。2.2.2镀层的耐磨性若适当优化Ni-P-(Ni/SiCP镀层的烧结温度和时间,可以抑制Fe3C的形成,只生成高碳马氏体组织,则会更加提高整个材料的耐磨性能(见表1。表1不同镀层的耐磨性比较T able

32、1Compariso n o f wea r-resistance in diffe rent co atingsT/KWear and tear/mgNi-P coatingNi-P-(SiCPcoatingNi-P-(Ni/SiCPcoating随着热处理温度的升高,Ni-P镀层、Ni-P-(SiCP 镀层的磨损量减少,在1037K达到极值后又增加;在相同条件下,Ni-P-(Ni/SiCP镀层磨损量减少,最后达到稳定极值。可见:与常见Ni-P镀层、Ni-P-SiC镀层相比,Ni-P-(Ni/SiCP镀层具有较低的磨损量。3结论采用经表面改性后的(Ni/SiC P制备出了性能优良Ni-P-(

33、Ni/SiCP化学复合镀镀层,该镀层与常见的Ni-P镀层、Ni-P-SiC镀层相比,具有镀层致密,微观组织均匀,沉积量大,镀层硬度高、耐磨等优点。同时解释了Ni-P-(Ni/SiCP镀层硬度、耐磨性提高的原因。参考文献1LE E Y F,LEE S L,CH UANG C L,et al.Effects of SiC rein-forcem en t by electroless copper plating on p roperties of Cu/SiCcom positesJ.Pow der M etallurgy,1999,42(2:147-152.2HAIEH S H,YANG T J.S tud