金剛石鋸片燒結(jié)過程中銅粉和鎳粉燒結(jié)體界面及其性能實(shí)踐
相關(guān)鏈接： 北京安全網(wǎng) 北京質(zhì)量網(wǎng) 北京論文網(wǎng) 北京資訊網(wǎng)
論文導(dǎo)讀：而且銅粉和鎳粉在反應(yīng)過程中,只有鎳粉顆粒擴(kuò)散進(jìn)入銅粉顆粒,在原銅粉顆粒內(nèi)部反應(yīng)形成單相α固溶體組織。使銅粉和鎳粉在固相下發(fā)生擴(kuò)散、溶解,建立“銅粉和鎳粉固相擴(kuò)散相界面遷移模型”,研究銅鎳燒結(jié)體的性能和相界面遷移之間的關(guān)系。銅粉和鎳粉燒結(jié)實(shí)質(zhì)上就是界面擴(kuò)散和界面遷移的過程。但是,銅粉和鎳粉燒結(jié)體的性能卻不符合文獻(xiàn)[3]中燒結(jié)理論的一般規(guī)律,即隨著燒結(jié)溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng),燒結(jié)體密度和硬度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：銅，鎳，界面，性能，單向遷移
界面是固體結(jié)構(gòu)的重要研究對(duì)象。現(xiàn)代材料的發(fā)展把界面的探討推到了材料結(jié)構(gòu)研究的前沿。在眾多新材料的研究開發(fā)中,材料的界面研究具有十分重要的意義。文獻(xiàn)[1]研究了銅粉和鎳粉經(jīng)過固相燒結(jié)發(fā)生反應(yīng)的過程和機(jī)理。銅和鎳混合粉末在100kN預(yù)壓定性、300kN溫壓,800℃燒結(jié)、保溫3h工藝條件下反應(yīng),全部形成了單相Cu-Ni固溶體組織;
而且銅粉和鎳粉在反應(yīng)過程中,只有鎳粉顆粒擴(kuò)散進(jìn)入銅粉顆粒,在原銅粉顆粒內(nèi)部反應(yīng)形成單相α固溶體組織。論文發(fā)表。本文改進(jìn)試驗(yàn)方法在燒結(jié)過程中使用氫氣作為保護(hù)氣，同時(shí)在燒結(jié)過程中施加300kn的壓力以加速分子擴(kuò)散速度。論文發(fā)表。使銅粉和鎳粉在固相下發(fā)生擴(kuò)散、溶解,建立“銅粉和鎳粉固相擴(kuò)散相界面遷移模型”,研究銅鎳燒結(jié)體的性能和相界面遷移之間的關(guān)系。
1.試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)用粒度為0.050~0.061mm,純度分別為99.5%和99.4%的銅粉和鎳粉。制備燒結(jié)體的具體過程如下:①將銅粉和鎳粉按重量百分比各50%稱取;將混合粉倒入研磨器皿中,并加入少量石墨粉作潤(rùn)滑劑,放入混料機(jī)中2小時(shí)左右;②在液壓式萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上,采用自制模具,將粉料預(yù)壓(壓力為100kN)成16mm×4mm的圓柱體;③將模具(試樣在模具中)放入雙體燒結(jié)爐中，加300kn壓力800℃加壓高溫?zé)Y(jié)2小時(shí)使用氫氣作為保護(hù)氣，取出后在雙體燒結(jié)爐的水冷壓爐中冷卻40分鐘，試樣冷卻至室溫。另外又配制了(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu-10% Ni,Cu-30% Ni,Cu-70%Ni和Cu-90% Ni四種成分的混合粉末,按照文獻(xiàn)[1]中銅和鎳混合粉100kN預(yù)壓、300kN溫壓、800℃燒結(jié)、隨爐冷卻的工藝制備了四種燒結(jié)體
表1 銅粉和鎳粉燒結(jié)體工藝條件
Tab.1process condition of Cu – Ni sintering
| 燒結(jié)體 | 預(yù)壓力 /kN | 燒結(jié)壓力 /kN | 燒結(jié)溫度 /℃ | 燒結(jié)時(shí)間 /min |
| 1 2 3 4 5 | 100 100 100 100 100 | 300 300 300 300 300 | 800 800 800 800 800 | 30 40 50 60 120 |
對(duì)燒結(jié)后的試樣,用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察分析,試樣的觀察面選擇與壓制方向垂直的表面。用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣進(jìn)行表面微觀形貌觀察和分析。用能譜分析儀(EDS)測(cè)定試樣微區(qū)的成分,X射線衍射法(XRD)分析相組成。用排水法測(cè)定試樣的密度。用洛氏硬度計(jì)和低載荷維氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的硬度。論文發(fā)表。
2.試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 燒結(jié)體的密度和硬度
2.1.1 燒結(jié)體密度和硬度與保溫時(shí)間和燒結(jié)溫度的關(guān)系
如圖1a所示,銅鎳混合粉壓坯在不同燒結(jié)溫度下燒結(jié),燒結(jié)體密度隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)下降趨勢(shì);在保溫時(shí)間相同的情況下,燒結(jié)體密度隨燒結(jié)溫度增大而遞減。如圖1b所示,銅鎳混合粉壓坯在不同燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下燒結(jié),其硬度也是隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)和燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
2.1.2 燒結(jié)體密度和硬度與燒結(jié)體成分的關(guān)系
文獻(xiàn)[1]研究了燒結(jié)體成分(銅粉和鎳粉比例)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。不同混合比例的銅粉和鎳粉在臨界工藝條件下都可以形成無限固溶體。如圖2a所示,當(dāng)燒結(jié)體中鎳的含量由10%增加到90%時(shí),燒結(jié)體密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì);燒結(jié)體硬度與成分的關(guān)系也呈下降的趨勢(shì),見圖2b所示。Cu-10Ni合金的密度最大,Cu-90Ni合金的密度最小。Cu-10Ni合金的硬度最大,Cu-50Ni合金的硬度最小。
圖1 燒結(jié)體的密度與保溫時(shí)間的關(guān)系
圖2 燒結(jié)體的密度和硬度與成分的關(guān)系
2.2 燒結(jié)體的相界面遷移模型
固體材料在高溫下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的基本因素是原子銅粉和鎳粉燒結(jié)體相界面及其性能的試驗(yàn)研究在固體中能夠進(jìn)行從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置的擴(kuò)散,并受到擴(kuò)散過程的控制。界面擴(kuò)散傳質(zhì)是一種基本的界面過程,它包括了沿表面和界面的擴(kuò)散、穿越界面的擴(kuò)散和界面移動(dòng)等多種和界面原子運(yùn)動(dòng)
有關(guān)的物質(zhì)傳輸[2]。銅粉和鎳粉燒結(jié)實(shí)質(zhì)上就是界面擴(kuò)散和界面遷移的過程。界面的遷移運(yùn)動(dòng)是各類轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ),轉(zhuǎn)變中α新相(固溶體)的形成長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)是界面遷移的過程。
文獻(xiàn)[1]研究了銅粉和鎳粉燒結(jié)形成固溶體組織的過程和機(jī)理。根據(jù)銅粉和鎳粉在不同工藝條件下燒結(jié)得到的結(jié)果分析,得出了銅粉和鎳粉反應(yīng)形成Cu-Ni固溶體組織的最佳條件是,銅和鎳混合粉100kN預(yù)壓、300kN溫壓,800℃燒結(jié)、保溫15h;其形成機(jī)理是,在銅粉顆粒和鎳粉顆粒的擴(kuò)散過程中,只有鎳擴(kuò)散進(jìn)入銅顆粒,在原銅顆粒內(nèi)部反應(yīng)形成α固溶體組織。
金屬混合粉末壓坯燒結(jié)時(shí)的界面遷移實(shí)際上是相鄰晶粒原子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,界面遷移與原子運(yùn)動(dòng)的方向相反、速度相同[4]。根據(jù)以上分析,燒結(jié)體中銅粉顆粒和鎳粉顆粒之間界面遷移過程模型如圖3所示。在擴(kuò)散過程中,只有鎳原子進(jìn)入銅,銅原子幾乎不進(jìn)入鎳,銅顆粒“吃掉”鎳顆粒,銅顆粒表面向鎳顆粒方向長(zhǎng)大,經(jīng)過原子的進(jìn)一步擴(kuò)散,最終形成均一
的固溶體組織,為空位擴(kuò)散機(jī)制。圖3是銅粉和鎳粉固相加熱時(shí)的相界面遷移模型。
3.燒結(jié)體相界面遷移模型與性能關(guān)系討論
銅粉和鎳粉的燒結(jié)滿足擴(kuò)散的四個(gè)條件,即①溫度要足夠高;②時(shí)間要足夠長(zhǎng);③擴(kuò)散原子要固溶;④擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力。但是,銅粉和鎳粉燒結(jié)體的性能卻不符合文獻(xiàn)[3]中燒結(jié)理論的一般規(guī)律,即隨著燒結(jié)溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng),燒結(jié)體密度和硬度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。
4.結(jié)論
用固相燒結(jié)的方法研究了銅粉和鎳粉燒結(jié)體的性能與其相界面遷移的關(guān)系,得出以下結(jié)論:
(1)銅粉和鎳粉進(jìn)行固相燒結(jié),隨燒結(jié)溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng),其密度和硬度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
(2)在銅粉和鎳粉燒結(jié)擴(kuò)散過程中,只有鎳進(jìn)入銅,銅幾乎不進(jìn)入鎳。這是燒結(jié)體密度和硬度隨燒結(jié)溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng)以及含鎳量的增加而下降的主要原因。
【參考文獻(xiàn)】
[1]宋玉強(qiáng),王引真,李世春,等.銅粉和鎳粉反應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].金屬熱處理, 2002,27(6):12-14.
[2]潘金生,仝健民,田民波.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 1998.
[3]Smigelskas A D, Kirkendall E O. TransAIME[M].Berlin:Akademie Verlag, 1947:130,171.
[4][蘇]費(fèi)多爾欽科,北京鋼鐵學(xué)院粉末冶金教研室譯.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1974.
[5]BrandesEA,BrookGB.SmithellsMetalsReference Book [ M ]. Oxford: Butterworth-Heinemann Ltd,1992.
