添加微量纳米铜粉在冶金制件烧结时的作用

1、添加微量纳米铜粉在冶金制件烧结时的作用        摘 要: 为研究微量纳米铜添加到铁基粉末冶金件中烧结时对粒界扩散的作用. 试验选择添加0. 5%纳米铜的铁基粉末， 通过高能球磨混合压制成样品， 分别在不同温度相同保温时间及相同温度不同保温时间进行烧结， 将上述试样冲击产生断口， 通过 SEM 观察断口上纳米铜形貌变化. 结果表明， 纳米铜在铁基粉末冶金制品烧结过程中， 保温时间相同随烧结温度升高和在相同烧结温度下随保温时间的延长在界面上发生快速吸附、 溶解和扩散， 使其团聚长大， 在较低温度溶解于铁基粉末颗粒表面， 明

2、显降低烧结温度， 由传统的工艺温度1180 降低到920 .    Abstract: The effect of nano- copper powder on grain boundary diffusion of Fe- base powder metallurgy parts was investigated. The tested samples with the addition of 0. 5% nano- copper powder and Fe- base powder weremixed by high- energy ball milling

3、and then were sintered at different temperatures and temperature keepingtime. The change of nano- copper morphology of impact fracture surface was observed by scan electrical micros-copy ( SEM) . Results show that nano- copper particles exhibit rapid adsorption，diffusion and dissolution atFe- base p

4、owder particle interface with the increased sintering temperature at the same temperature keepingtime and the extended temperature keeping time at the same sintering temperature，which results in the accu-mulation and growth of nano- copper particles. The nano- copper particles are dissolved at the n

5、ano- Fe powdersurface at low sintering temperature，and decrease the sintering temperature from 1180 to 920 .    Key words: nano- copper; Fe- base powder; sintering; diffusion; fracture surfac    粉末冶金是一种近净成型工艺， 也是一种可在很大范围内生产各种组合新合金技术， 用这种方法制造机械零件， 具有材料利用率高、 节能、 产率高、 成本低等

6、特点， 但粉末冶金需要较多的耗能工序( 铁基制件需加热到 1150 以上) ， 补锻( 1150 1250 ) 、 复烧( 1000 1100 ) 、 渗碳( 920 940 ) 等. 长期以来， 纳米技术 1 3在粉末冶金中应用的研究较少. 特别是添加微量纳米材料会不会有效地降低烧结温度及烧结过程中纳米材料在铁基颗粒界面上发生的变化， 仍有待进一步的试验和理论性研究. 尤其是明确烧结过程中纳米材料在界面上的扩散行为机理， 了解添加微量纳米材料对烧结温度和在提高产品的力学性能方面的影响是极为重要的.     本文将添加微量纳米铜铁基粉末冶金制品进行不同工

7、艺下烧结， 研究纳米铜在烧结过程中不同工艺条件下在铁基颗粒表面及界面连接时的行为和作用. 实验表明， 在铁基粉末冶金材料中添加微量的纳米材料， 可以有效降低制件的烧结温度到 920 ， 由传统高温烧结工艺1180 实现中温烧结， 免去补锻、 复烧和渗碳等耗能工序， 大幅度节约能源.1 试验材料及方法试验材料为粒径在 70 m 的莱芜水雾化 Fe基体粉， 其化学成分( 质量分数) 见表 1. 纳米铜粉粒径为40 60 nm( 见图1) ， 添加量0. 5 %. 混粉在氮气保护下的球磨机( 三维转向) 中进行均匀混合. 提取一部分混料观察颗粒形貌， 其余混粉在600 MPa 下压制成型. 制成的试

8、样分别在600、650、 700、 750、 800、 850 下进行烧结，保温30 min; 在600 下进行烧结， 分别保温 1、 2、 3、4 h， 然后取样冲击产生断口观察材料界面上纳米铜粉末的分布和变化行为并进行分析. 为模拟渗碳条件部分保温6 h 进行烧结， 观察断口形貌    2 结果及分析混料后未压制粉末的 SEM 形貌见图 2. 从图2( a) 只能观察到 Fe 粉形貌呈不规则的多边体， 直径在        50 200 m; 图2( b) 是高倍率下图 2( a)

9、 中 A 颗粒表面上纳米 Cu 粉的分布状态， 可以看到， 纳米粉在 Fe 粉表面基本呈均匀分布， 但也有部分呈“团聚” 态散布在 Fe 颗粒的表面.保温时间均为30 min 时， 不同温度烧结试样冲击断口界面上纳米铜形态及分布如图3 所示.从图3( a) 可以看到， 在基体表面均匀分布着大量超细颗粒， 这些颗粒尺寸在200 nm 左右， 比    混粉后( 图2( b) 为50 nm) 有所长大， 而不再成团聚态， 这是最初纳米颗粒“团聚” 体通过小区域范围的扩散长大形成收缩单独颗粒的结果. 说明在600 的较低温度下， 纳米颗粒本身就已经开始扩散长大， 由于温

10、度较低纳米颗粒尚未在 Fe 基体粉界面形成有效的连接. 图3( b) 是经650 烧结后试样的断口形貌， 对比图3( a) 可以看出两者未发生明显的变化. 进一步加热到 700 时( 图3( c) ) ， 基体表面的纳米颗粒开始扩散溶解，不断向基体扩散和润湿， 它们之间也在相互进行扩散， 如图3( c) 中的“B” 处即指纳米铜经过前面的扩散和长大开始明显地溶解在 Fe 基颗粒的界面上， 并且颗粒尺寸明显长大. 当烧结温度升高到750 ( 图3( d) ) ， 纳米铜材料在 Fe 基颗粒表面产生明显的团聚. 此时的纳米颗粒在基体表面扩散和润湿. 图3( d) 显示出纳米粉经扩散后在基体表面润湿

11、的特征， 形成小的“胞状” 界面， 与此同时还伴有“胞状”颗粒之间的互扩散过程. 在800 下“胞状” 颗粒进一步在基体表面扩散和润湿. 如图3( e) 所示胞状颗粒逐渐在铁基颗粒界面长大， 基体表面已渐渐趋于平面化， 如“C” 处所示， 同时在此温度下胞状中纳米粉末也开始由表面向内部逐渐溶解， 发生基体与纳米铜之间的相互扩散. 当温度加热到 850 时， “胞状” 界面完全形成， 基体表面的纳米铜开始趋于平面化( 图3( f) ) ， 基本上完成了 Fe 基体粉的黏结. 由图3 显示的纳米铜随烧结温度的提高其形态发现变化的规律可以得出， 纳米铜材料在烧结过程中随温度的提高颗粒逐步长大. 在7

12、00 时开始明显长大， 并在 Fe 基颗粒表面产生区域润湿的效果，到850 时在 Fe 基颗粒表面产生平面化的“胞状” 界面， 表明微量纳米铜材料的参入有助于 Fe基粉末冶金制件烧结时， 实现界面的快速黏接和“颈”、“桥” 处的扩散和传质过程 4， 5.    另一方面， 在600 烧结， 不同保温时间( 1、2、 3、 4 h) 时， 试样冲击断口界面上纳米铜形态及分布如图 4 所示. 试验结果表明， 在相同温度下，随保温时间的延长界面上纳米铜的尺寸持续长大， 但并没有发生图3 较高温度时( 750 850 )的界面润湿的“胞状” 结构. 说明要保证纳米材料在界

13、面上起到黏接相的作用， 必需提高到足够的温度.    纳米铜粉末在烧结过程中其晶粒发生长大，将影响最终所得试样的组织及性能， 与常规材料相比， 纳米材料的界面比例非常大， 界面能较高，使其处于较高的能态， 而晶粒的生长会降低它的表面自由能， 使系统的能量降低， 这为晶粒长大提供了较高的驱动力. 大量研究证明， 纳米晶材料中的晶粒生长同样遵循传统的经验定律 6 10，GN GN0 = kt. ( 1)式中: G 为瞬时晶粒尺寸， G0 为初始晶粒尺寸， N为晶粒尺寸幂指数( 一般为 2 4) ，k 为速率常数， t 为加热时间. K 通常正比于扩散度，k = D0

14、exp( Q/RT) ， ( 2)其中，R 为气体常数， T 为加热温度.在理想情况下， 晶粒的生长主要取决于生长激活能、 加热温度和加热时间. 生长激活能越小，加热温度越高， 加热时间越长， 晶粒直径越大. 而在这三者之间温度的影响是主要的， 从图 3 可以清楚地看到， 随烧结温度的提高， 界面上的纳米铜粉体逐渐长大， 850 时在 Fe 基颗粒界面形成“胞状” ， 起到了黏结相的作用.为了适应需要经渗碳淬火的铁基粉末冶金制品， 以渗碳温度作为烧结温度. 加入纳米铜试样在920 /6 h 烧 结 后，试 样 断 口 的 SEM 照 片( 图5( a) ) . 由图5( a) 可以看出， 断口呈现大量的韧窝