FeCuCo Y超細(xì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004; 2.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004)

FeCuCo Y超細(xì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004; 2.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004)

采用共沉淀還原擴(kuò)散法制備了不同Y含量的FeCuCo Y超細(xì)合金粉,并對(duì)其物理性能進(jìn)行研究,重點(diǎn)分析了Y含量對(duì)FeCuCo Y粉末物相、粒度、形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Y元素的加入會(huì)引起粉末的衍射特征峰發(fā)生微小的偏移,使Co3Fe7相與FeCo4相的晶包參數(shù)發(fā)生了微小的改變。適量添加Y元素可明顯降低FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的粒度和松裝密度。FeCuCo Y超細(xì)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(guò)分析,推測(cè)Y元素在FeCuCo Y超細(xì)合金粉中的最佳添加量為0.5wt.%。

FeCuCo Y超細(xì)合金粉;物相;粒度;形貌

超細(xì)合金粉末這一概念在化學(xué)領(lǐng)域和材料領(lǐng)域并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的定義,從幾個(gè)納米一直到數(shù)個(gè)微米的合金粉末在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)、專(zhuān)利上都被稱(chēng)之為超細(xì)合金粉末[1]。一般而言,超細(xì)合金粉末特指直徑小于10μm的合金粉末。隨著超細(xì)合金粉的生產(chǎn)工藝不斷成熟和完善,其應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)占有率也呈逐年擴(kuò)張趨勢(shì)。多數(shù)金剛石工具在制造過(guò)程中,除使用純鈷以外,均采用相當(dāng)比例的超細(xì)合金粉[2],其中FeCu-Co超細(xì)合金粉的應(yīng)用最為廣泛,應(yīng)用領(lǐng)域遍及金剛石鋸片、繩鋸、取芯鉆頭等方面。

稀土元素是一類(lèi)十幾種活潑化學(xué)元素的總稱(chēng),可粗略地分為重稀土和輕稀土。稀土元素具有獨(dú)特的電子層結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的化學(xué)活性,在金剛石工具用超細(xì)合金粉中主要是起合金化、變質(zhì)和凈化三個(gè)方面[3]的作用。我國(guó)在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始了稀土在金剛石工具用超細(xì)合金粉中應(yīng)用的研究,但是關(guān)于含稀土超細(xì)合金粉末物理性能研究在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。超細(xì)合金粉的物理特性會(huì)直接影響其應(yīng)用效果。本文采用共沉淀還原法制備了超細(xì)合金粉末,并引入稀土元素Y作為改性劑,重點(diǎn)研究了不同稀土添加量對(duì)FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的粉體物理特性的影響,以期能對(duì)其投諸應(yīng)用起到一定的參考和指引作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

采用共沉淀還原擴(kuò)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(xì)合金粉,并依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#樣。

1.2 測(cè)試方法

采用Bruker公司生產(chǎn)的D8-ADVANCE型X射線衍射儀分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相;采用WLP-208型費(fèi)氏粒度儀測(cè)定粉末的粒度;采用斯科特容量計(jì)法測(cè)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(duì)粉末的形貌進(jìn)行分析。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 FeCuCo Y超細(xì)合金粉末物相分析

圖1是不同Y元素添加量FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的XRD衍射圖譜。由圖可見(jiàn),還原產(chǎn)物呈現(xiàn)出尖銳的衍射峰,說(shuō)明1至5#粉末晶體的結(jié)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(xiàn)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(shuō)明超細(xì)合金粉中的各組分初步實(shí)現(xiàn)了合金化的目的。在衍射圖譜中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)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(cè)出來(lái)。從圖中我們還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)Y元素添加量小于等于0.5wt.%時(shí),隨著Y元素添加量的增大,2#、3#樣的特征峰相對(duì)于1#樣依次向右發(fā)生了微小的偏移。而當(dāng)Y元素添加量大于0.5wt.%時(shí),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(nèi)部,使Co3Fe7相與Fe-Co4相的晶包參數(shù)發(fā)生了微小的改變,從而導(dǎo)致了添加Y元素后的粉末的衍射特征峰發(fā)生了微小的偏移。隨著Y元素添加量的增大,其對(duì)晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)Y元素的添加量大于等于0.5wt.%時(shí), Y元素或其氧化物在粉末晶粒內(nèi)部的彌散達(dá)到飽和,于是,4#、5#樣的衍射特征峰相對(duì)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(xì)合金粉末的費(fèi)氏粒度、松裝密度分析

表1為FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的費(fèi)氏粒度和松裝密度的測(cè)定結(jié)果。從表中可知,隨著Y元素添加量的增加,粉末的費(fèi)氏粒度越來(lái)越小。這可能是由于加入稀土Y元素起到了一定的細(xì)化晶粒作用而導(dǎo)致的。一般認(rèn)為稀土元素細(xì)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(zhì)點(diǎn)提供了異種晶核或偏聚在結(jié)晶界上,而且稀土元素在合金中凈化材料內(nèi)部雜質(zhì),與合金中的雜質(zhì)形成化合物,阻止金屬晶胞進(jìn)一步長(zhǎng)大[4]。合金粉末的費(fèi)氏粒度變小,比表面積增大,可以提高粉末的燒結(jié)活性,有效地降低燒結(jié)溫度。

隨著Y元素添加量的增加,粉末的松裝密度呈現(xiàn)一直降低的趨勢(shì)。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(duì)于同一種性狀的粉末來(lái)說(shuō),粉末松裝密度會(huì)隨顆粒尺寸的減小而減小。直觀的表現(xiàn)為粒度越小,粉末越蓬松。一般而言,金剛石工具行業(yè)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(huì)影響混料時(shí)胎體粉末對(duì)金剛石顆粒的包裹能力,可能會(huì)導(dǎo)致金剛石顆粒偏析聚集。相反,松裝密度太低會(huì)造成胎體粉末太過(guò)蓬松,堆積體積過(guò)大,影響粉末的裝模壓制。

從表中還可以看出,當(dāng)Y元素添加量≥1.0wt.%時(shí),粒度下降的趨勢(shì)變緩,且4#、5#粉末的松裝密度低于1.1 g/cm3,這對(duì)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(xì)合金粉預(yù)期會(huì)獲得較好的使用效果。

表1 FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的費(fèi)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(xì)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(xì)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(duì)應(yīng)的高倍下的照片(10000倍)。從圖2中可以看出,1#～5#超細(xì)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(diǎn),壓制強(qiáng)度高,把持力好;粉末的比表面積很大,燒結(jié)反應(yīng)活性高,可以降低燒結(jié)時(shí)的溫度,提高粉末的適應(yīng)性。五種粉末的一次顆粒尺寸不均勻,多數(shù)呈不規(guī)則的長(zhǎng)條狀。不難發(fā)現(xiàn),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(xì)化晶粒的作用。

圖2 1#～5#超細(xì)合金粉末的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of 1#～5#ultrafine alloy powder

3 結(jié)論

1)不同Y元素添加量FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的物相均為Co3Fe7相與FeCo4相,衍射圖譜中沒(méi)有出現(xiàn)單質(zhì)金屬元素的特征峰,各組分初步實(shí)現(xiàn)了合金化。Y元素的加入可以改變粉末晶粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使衍射特征峰向右偏移。

2)添加Y元素可以起到細(xì)化晶粒的作用。隨著Y元素添加量的增加,FeCuCo Y超細(xì)合金粉末的費(fèi)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(xì)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(shù)呈不規(guī)則的長(zhǎng)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(guò)對(duì)不同Y元素添加量FeCuCo Y超細(xì)合金粉末物理性能的分析,推測(cè)Y元素的最佳添加量為0.5wt.%。

[1] 吳秀華,趙斌,古宏晨.超細(xì)合金粉末材料的研究進(jìn)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(yù)合金粉末的制備及其粒度控制[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2007,(2):123-128.

[3] 劉光華.稀土材料與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005:78-80.

[4] 吳玉會(huì),李國(guó)彬.稀土預(yù)合金粉在金剛石工具胎體中作用的微觀機(jī)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?yàn)槌?xì)金屬粉體的制備及應(yīng)用。

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃(科技創(chuàng)新能力與條件建設(shè)計(jì)劃)項(xiàng)目,編號(hào):桂科能1270010。

秦海青(1979-),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榧{米金屬粉體的制備及應(yīng)用。E-mail:qinhaiqing5218@163.com。