FeCuCo Y超細合金粉的物理性能研究①

張振軍,秦海青,林峰,盧安軍,蒙光海

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004; 2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004)

FeCuCo Y超細合金粉的物理性能研究①

張振軍,秦海青,林峰,盧安軍,蒙光海

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004; 2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004)

采用共沉淀還原擴散法制備了不同Y含量的FeCuCo Y超細合金粉,并對其物理性能進行研究,重點分析了Y含量對FeCuCo Y粉末物相、粒度、形貌的影響。實驗結果表明:Y元素的加入會引起粉末的衍射特征峰發生微小的偏移,使Co3Fe7相與FeCo4相的晶包參數發生了微小的改變。適量添加Y元素可明顯降低FeCuCo Y超細合金粉末的粒度和松裝密度。FeCuCo Y超細合金粉末的形貌均為表面疏松的海棉狀,粉末的一次顆粒尺寸隨著Y元素含量的增大而變小。通過分析,推測Y元素在FeCuCo Y超細合金粉中的最佳添加量為0.5wt.%。

FeCuCo Y超細合金粉;物相;粒度;形貌

超細合金粉末這一概念在化學領域和材料領域并沒有一個嚴格的定義,從幾個納米一直到數個微米的合金粉末在國內外的文獻、專利上都被稱之為超細合金粉末[1]。一般而言,超細合金粉末特指直徑小于10μm的合金粉末。隨著超細合金粉的生產工藝不斷成熟和完善,其應用領域和市場占有率也呈逐年擴張趨勢。多數金剛石工具在制造過程中,除使用純鈷以外,均采用相當比例的超細合金粉[2],其中FeCu-Co超細合金粉的應用最為廣泛,應用領域遍及金剛石鋸片、繩鋸、取芯鉆頭等方面。

稀土元素是一類十幾種活潑化學元素的總稱,可粗略地分為重稀土和輕稀土。稀土元素具有獨特的電子層結構和極強的化學活性,在金剛石工具用超細合金粉中主要是起合金化、變質和凈化三個方面[3]的作用。我國在20世紀80年代就開始了稀土在金剛石工具用超細合金粉中應用的研究,但是關于含稀土超細合金粉末物理性能研究在國內鮮有報道。超細合金粉的物理特性會直接影響其應用效果。本文采用共沉淀還原法制備了超細合金粉末,并引入稀土元素Y作為改性劑,重點研究了不同稀土添加量對FeCuCo Y超細合金粉末的粉體物理特性的影響,以期能對其投諸應用起到一定的參考和指引作用。

1 實驗

1.1 樣品制備

采用共沉淀還原擴散法分別制備FeCuCo、(FeCuCo+0.25wt%Y)、(FeCuCo+0.5wt.%Y)、(FeCuCo+1.0wt.%Y)、(FeCuCo+1.5wt.%Y)超細合金粉,并依次編號為1#、2#、3#、4#、5#樣。

1.2 測試方法

采用Bruker公司生產的D8-ADVANCE型X射線衍射儀分析材料的晶體結構、物相;采用WLP-208型費氏粒度儀測定粉末的粒度;采用斯科特容量計法測定粉末的松裝密度;采用日本電子(JEOL)公司的JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對粉末的形貌進行分析。

圖1 合金粉末的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the alloy powders

2 結果與討論

2.1 FeCuCo Y超細合金粉末物相分析

圖1是不同Y元素添加量FeCuCo Y超細合金粉末的XRD衍射圖譜。由圖可見,還原產物呈現出尖銳的衍射峰,說明1至5#粉末晶體的結晶度均比較好。還原后的1至5#粉末中鐵元素、銅元素與鈷元素都不是呈現Fe相、Cu相和Co相的單一形式,而是形成了Co3Fe7相與FeCo4相(分別歸屬于PDF卡48-1817和65-7002),這說明超細合金粉中的各組分初步實現了合金化的目的。在衍射圖譜中并沒有發現Y元素及其氧化物的特征峰,這是由于Y元素的添加量極其微小,以X射線衍射儀的分辨率不能將其檢測出來。從圖中我們還可以發現,當Y元素添加量小于等于0.5wt.%時,隨著Y元素添加量的增大,2#、3#樣的特征峰相對于1#樣依次向右發生了微小的偏移。而當Y元素添加量大于0.5wt.%時,4#、5#樣的特征峰的位置不再向右偏移,而是與3#基本保持一致。這可能是由于Y元素或其氧化物彌散在粉末晶粒內部,使Co3Fe7相與Fe-Co4相的晶包參數發生了微小的改變,從而導致了添加Y元素后的粉末的衍射特征峰發生了微小的偏移。隨著Y元素添加量的增大,其對晶粒內部結構的改變作用也增大,粉末的衍射特征峰也隨之向右步階偏移。當Y元素的添加量大于等于0.5wt.%時, Y元素或其氧化物在粉末晶粒內部的彌散達到飽和,于是,4#、5#樣的衍射特征峰相對于3#樣不再向右偏移,而是與3#樣基本保持在同一位置。

2.2 FeCuCo Y超細合金粉末的費氏粒度、松裝密度分析

表1為FeCuCo Y超細合金粉末的費氏粒度和松裝密度的測定結果。從表中可知,隨著Y元素添加量的增加,粉末的費氏粒度越來越小。這可能是由于加入稀土Y元素起到了一定的細化晶粒作用而導致的。一般認為稀土元素細化晶粒的作用是由于稀土元素與合金中其他成分形成的化合物的微小質點提供了異種晶核或偏聚在結晶界上,而且稀土元素在合金中凈化材料內部雜質,與合金中的雜質形成化合物,阻止金屬晶胞進一步長大[4]。合金粉末的費氏粒度變小,比表面積增大,可以提高粉末的燒結活性,有效地降低燒結溫度。

隨著Y元素添加量的增加,粉末的松裝密度呈現一直降低的趨勢。影響粉末松裝密度的因素很多,如粉末顆粒形狀、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。對于同一種性狀的粉末來說,粉末松裝密度會隨顆粒尺寸的減小而減小。直觀的表現為粒度越小,粉末越蓬松。一般而言,金剛石工具行業要求胎體合金粉末的松裝密度在1.1 g/cm3～1.5/cm3之間為佳。松裝密度太高會影響混料時胎體粉末對金剛石顆粒的包裹能力,可能會導致金剛石顆粒偏析聚集。相反,松裝密度太低會造成胎體粉末太過蓬松,堆積體積過大,影響粉末的裝模壓制。

從表中還可以看出,當Y元素添加量≥1.0wt.%時,粒度下降的趨勢變緩,且4#、5#粉末的松裝密度低于1.1 g/cm3,這對其混料裝模有一定的不利影響。因此,添加0.5wt.%Y元素的FeCuCo超細合金粉預期會獲得較好的使用效果。

表1 FeCuCo Y超細合金粉末的費氏粒度和松裝密度Table.1 The Fisher particle size and apparent density of FeCuCo Y ultrafine alloy powders

2.3 FeCuCo Y超細合金粉末的形貌分析

圖2是不同Y元素添加量的1#～5#超細合金粉末的掃描電鏡照片,左邊是低倍下的照片(1000倍),右邊是相對應的高倍下的照片(10000倍)。從圖2中可以看出,1#～5#超細合金粉末的形貌均為表面疏松的海棉狀,這種形貌的粉末具有易壓制易成形的特點,壓制強度高,把持力好;粉末的比表面積很大,燒結反應活性高,可以降低燒結時的溫度,提高粉末的適應性。五種粉末的一次顆粒尺寸不均勻,多數呈不規則的長條狀。不難發現,隨著Y元素含量的增大,粉末的一次顆粒尺寸也隨之變小,這再次證明了Y元素具有細化晶粒的作用。

圖2 1#～5#超細合金粉末的掃描電鏡照片Fig.2 SEM images of 1#～5#ultrafine alloy powder

3 結論

1)不同Y元素添加量FeCuCo Y超細合金粉末的物相均為Co3Fe7相與FeCo4相,衍射圖譜中沒有出現單質金屬元素的特征峰,各組分初步實現了合金化。Y元素的加入可以改變粉末晶粒的內部結構,使衍射特征峰向右偏移。

2)添加Y元素可以起到細化晶粒的作用。隨著Y元素添加量的增加,FeCuCo Y超細合金粉末的費氏粒度變小,松裝密度也隨之變小。

3)不同Y元素添加量FeCuCo Y超細合金粉末的顆粒表面形貌均為表面疏松的海棉狀,粉末的表面積大。粉末的一次顆粒多數呈不規則的長條狀,且一次顆粒的尺寸隨著Y元素添加量的增大而變小。

4)通過對不同Y元素添加量FeCuCo Y超細合金粉末物理性能的分析,推測Y元素的最佳添加量為0.5wt.%。

[1] 吳秀華,趙斌,古宏晨.超細合金粉末材料的研究進展[J].金屬礦山,2002(1):28-31.

[2] 向波,謝志剛,賀躍輝,黃艷華.金剛石制品用Fe-Co-Cu預合金粉末的制備及其粒度控制[J].粉末冶金材料科學與工程, 2007,(2):123-128.

[3] 劉光華.稀土材料與應用技術[M].北京:化學工業出版社, 2005:78-80.

[4] 吳玉會,李國彬.稀土預合金粉在金剛石工具胎體中作用的微觀機制[J].稀土,2007.28(1): 60-63.

Research on Physical Properties of FeCuCoY Ultrafine Alloy Powder

ZHANG Zhen-jun,QIN Hai-qing,LIN Feng,LU An-jun,MENG Guang-hai
(Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin,Guangxi,China 541004, National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin,Guangxi,China 541004)

FeCuCo Y ultrafine alloy powders of different Y contents have been prepared through coprecipitation-reduction-diffusion method.The physical properties of them have been studied with a focus on the influence of Y content on the phase,particle size and morphology of the FeCuCo Y powder.The result shows that the addition of Y element will lead to small deviation of the diffraction characteristic peak of the powder and small change of lattice parameters of Co3Fe7phase and FeCo4phase.Appropriate addition of Y element can significantly reduce the particle size and apparent density of the FeCuCo Y ultrafine alloy powder.The morphology of the FeCuCo Y ultrafine alloy powder is spongy on the surface and the primary particle size of the powder will decrease when Y element content increases.Based on the analysis,it is inferred that the optimal dosage of Y element in FeCuCo Y ultrafine alloy powder is 0.5wt.%.

FeCuCo Y ultrafine alloy powder;phase;particle size;morphology

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0032-05

2014-12-28

張振軍(1980-),男,碩士,研究方向為超細金屬粉體的制備及應用。

廣西科學研究與技術開發計劃(科技創新能力與條件建設計劃)項目,編號:桂科能1270010。

秦海青(1979-),男,碩士,高級工程師,研究方向為納米金屬粉體的制備及應用。E-mail:qinhaiqing5218@163.com。