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过程控制剂对机械合金化Fe48Al粉末特性的影响宋海霞精
过程控制剂对机械合金化Fe-48Al粉末
特性的影响
EffectsofProcessControlAgentsonCharacteristics
ofMechanicallyAlloyed
Fe-48AlPowders
宋海霞,吴运新,唐传安,梁 吉
(清华大学机械工程系,北京100084
SONGHai-xia,WUYun-xin,TANGChuan-an,LIANGJi(DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China
摘要:
研究了过程控制剂(PCA-无水乙醇和硬脂酸对机械合金化Fe-48Al(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PCA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FeAl(B2金属间化合物,但无水乙醇作PCA的球磨粉末中Al2O3生成量相对较多。
关键词:
过程控制剂;FeAl;机械合金化;热处理;粉末
中图分类号:
TG146 文献标识码:
A 文章编号:
1001-4381(200710-0060-05
Abstract:
Thispaperdealtwiththeeffectsofprocesscontrolagents(PCA,i.e.,ethanolandstearicacidonthecharacteristicsofmechanicallyalloyedFe-48Alpowders.Theparticlesizeandparticlemorphologyoftheballmilledpowderswereinvestigatedbymeansoflasermastersizerandscanninge-lectronmicroscope,andtheirmicrostructureswereexaminedbyX-raydiffractometerbeforeandafterheattreatment.Theresultsindicatethat,comparedwithstearicacid,ethanolfacilitatesfasterme-chanicalalloyingofFe-48Al,yieldingmuchfinerandmoreirregularplate-likepowders.WhenusingstearicacidasPCA,however,themilledpowderstendtobecomethickplatesornear-sphericalparti-cles.ThemilledpowderswitheitherethanolorstearicacidasPCAremainasolidsolutionstructuree-venafter12hmilling,butbothtransformtoFeAl(B2intermetallicaftersubsequentvacuumannea-lingat1100℃,duringwhichmoreAl2O3isformedintheethanolmilledpowders.
Keywords:
processcontrolagent;FeAl;mechanicalalloying;heattreatment;powder
FeAl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]。
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(MA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FeAl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<75μm和雾化Al粉(纯度99.9%,粒度<45μm。
将Fe粉和Al粉按原子分数比52∶48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10∶1。
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2~6mPa。
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Mastersizer2000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,Al(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Al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Al原子使其晶格常数增大;Al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XRD结果中没有出现FeAl(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FeAl金属间化合物,而是形成了以Fe(Al为主、含少量Al(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-48Al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.1 XRDpatternsofFe-48Alpowdersmilled
with0.5%ethanolfordifferent
time
图2 硬脂酸粉球磨不同时间后的X射线衍射图谱
Fig.2 XRDpatternsofFe-48Alpowdersmilled
with1%stearicacidfordifferenttime
2.2 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D50为19.2μm,硬脂酸粉的D50为29.9μm。
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。
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。
WOLSKI等[8]和HELENA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.3 ThedependenceofparticlesizeonmillingtimeforFe-48Alpowderswith0.5%
ethanol
图4 不同球磨时间时硬脂酸粉的粒度Fig.4 ThedependenceofparticlesizeonmillingtimeforFe-48Alpowderswith1%stearic
acid
图5 Fe-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.5 SEMimagesofFe-48AlpowdersmilledwithdifferentPCAfordifferenttime(a,(bpowdersmilledwith0.5%ethanolfor6hand12h;(cmagnified(b;(d,(epowders
milledwith1%stearicacidfor6hand12h;(fmagnified(e
2.4 球磨粉末热处理后的物相结构
球磨12h虽未能使Fe-48Al粉末转变为FeAl金属间化合物,仅形成了Fe(Al和Al(Fe固溶体,但是
粉末形态发生了显著变化,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3~12h的乙醇粉和硬脂酸粉在热处理后均形成了以FeAl(B2金属间化合物为主、含少量Al2O3的物相结构。
由于FeAl金属间化合物粉末的烧结温度一般在1100~1245℃
[18]
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Al2O3衍射峰相对强度可以看出,乙醇粉热处理后生成Al2O3量较硬脂酸粉多。
这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.6 XRDpatternsofFe-48Alpowdersmilled
with0.5%ethanolandheat-
treated
图7 硬脂酸粉热处理后的X射线衍射图谱Fig.7 XRDpatternsofFe-48Alpowdersmilled
with1%stearicacidandheat-treated
3 结论
(1与硬脂酸相比,无水乙醇作PCA时,Fe-48Al
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-48Al粉末仍保持以Fe(Al为主、含少量Al(Fe的固溶体结构。
经1100℃真空热处理后,粉末均可转变为FeAl(B2金属间化合物和少量Al2O3。
采用无水乙醇作PCA的球磨粉末在热处理后形成的Al2O3量相对较多。
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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。
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(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
Table1 Comparisonofwear-resistanceindifferentcoatings
T/K
Wearandtear/mg
Ni-Pcoating
Ni-P-(SiCP
coating
Ni-P-(Ni/SiCP
coating
673873
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