氧化鋁增強銅基復合材料機械合金化粉末的制備

張樹才,郭志俊,高 云,李愛民

（中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所,山東 煙臺 264003）

0 前言

Cu-A l2O3合金粉末是制備彌散強化銅基復合材料的關鍵原料。合金粉末的彌散分布均勻性、合金化程度直接決定了彌散強化銅基復合材料的性能。機械合金化是制備彌散粉末成本較低、工藝簡單的一種方法。自從 20世紀 70年代初國際鎳公司研究與發(fā)展試驗室 Benjam in使用機械合金化工藝制取氧化物彌散強化超合金取得了較好的效果,機械合金化迅速發(fā)展起來。

目前機械合金化可用于各種新材料的研究和制備領域,是制備金屬陶瓷復合材料粉末的一種十分有效的方法。氧化鋁粉末在銅粉中的潤濕性差,2種粉末間幾乎不溶解。機械合金化球磨時脆性組元氧化鋁首先破碎,延性組元銅粉發(fā)生變形,細小的氧化鋁粒子處于延性銅粉末之間；同時銅金屬由于變形而硬化,在隨后的球磨過程中發(fā)生斷裂,無論是硬的氧化鋁粒子還是延性的金屬,其粒子尺寸不斷減小,最后形成脆性粒子彌散均勻分布于延性金屬基體之中。

本文對氧化鋁增強銅基復合材料機械合金化工藝進行了研究,用高能球磨機進行球磨,試驗球磨機轉速、球料比、球磨的時間等參數(shù),將球磨后的粉末進行壓坯、燒結,金相觀察燒結后樣品中陶瓷粉末的彌散分布均勻性。

1 試驗方法

材料采用電解銅粉：粒度 ≤50μm,純度 ≥99.99％；氧化鋁粉末：粒度 ≤1μm,純度大于99.98％。設備采用自制的專用球磨機；選擇φ10 mm、φ12 mm 2種直徑的不銹鋼球來進行搭配,個數(shù)比為20∶80,球料比為 5∶1。將銅粉和氧化鋁粉按質量比配成 Cu-0.3％A l2O3混合粉末,放入球磨罐中球磨。為了避免粉末在球磨過程中過熱而氧化,采用濕磨的方法,冷卻方式為水冷。

分別對轉速、球磨時間參數(shù)進行試驗研究,分析混合后粉末的均勻度及分散性,用 Neopht-2光學顯微鏡觀察機械合金化后粉末分散的均勻度。

樣品制備的簡單工藝流程圖見圖 1。

2 結果及討論

機械合金化的轉速試驗了290 r/m in、360 r/m in,球磨時間試驗了 2～15 h。

將一定比例的銅粉末及氧化鋁粉末放入轉筒內,加入一定量的磨球和適量酒精,球磨2～15 h,球磨后將粉末烘干,燒結,在金相顯微鏡下觀察粉末混合的均勻度,評定混合均勻度以確定混料參數(shù)。在評定過程中應用了 5分打分制來評定,其中的結果是 4人評定結果的平均值。不同機械合金化工藝混合后粉末的均勻度結果見表 1。

圖1 樣品制備的簡單工藝流程圖

表1 不同機械合金化工藝混合后粉末的均勻度

根據(jù)表 1的實驗結果,可以做出圖 2。

圖2 不同轉速時不同球磨時間粉料的混合均勻度

從圖 2中可以看出高能球磨機轉速 290 r/m in時,粉末混合的均勻度劣于高能球磨機轉速360 r/m in時粉末的混勻度。在轉速為 360 r/m in時,球磨時間為 7 h,粉料的混合均勻度最好。選定轉速360 r/m in、球料比 5∶1、球磨時間為 7 h的機械合金化粉末進行燒結。燒結后對樣品進行金相觀察,金相照片見圖3。

圖3 機械合金化后粉末燒結的金相照片

由圖 3可以看出,在銅的基體上均勻分布A l2O3顆粒,由于A l2O3粉末的顆粒尺寸要比 Cu粉末的尺寸小得多,在與銅機械合金化的過程中A l2O3形成彌散強化相。A l2O3彌散強化相在 Cu基體中均勻分布,可在后期的燒結、擠壓、加工過程中提高材料的強度、硬度和軟化點。

3 結論

在固定球料比的條件下,機械合金化的轉速及合金化時間對粉末的混勻度有很大的影響,在合適的轉速及時間下進行機械合金化,粉末的混合均勻性較好。

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