张振军,秦海青,林峰,卢安军,蒙光海

(1.广西超硬材料重点实验室,广西桂林541004; 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林541004)

FeCuCo Y超细合金粉的物理性能研究①

张振军,秦海青,林峰,卢安军,蒙光海

(1.广西超硬材料重点实验室,广西桂林541004; 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林541004)

采用共沉淀还原扩散法制备了不同Y含量的FeCuCo Y超细合金粉,并对其物理性能进行研究,重点分析了Y含量对FeCuCo Y粉末物相、粒度、形貌的影响。实验结果表明:Y元素的加入会引起粉末的衍射特征峰发生微小的偏移,使Co3Fe7相与FeCo4相的晶包参数发生了微小的改变。适量添加Y元素可明显降低FeCuCo Y超细合金粉末的粒度和松装密度。FeCuCo Y超细合金粉末的形貌均为表面疏松的海棉状,粉末的一次颗粒尺寸随着Y元素含量的增大而变小。通过分析,推测Y元素在FeCuCo Y超细合金粉中的最佳添加量为0.5wt.%。

FeCuCo Y超细合金粉;物相;粒度;形貌

超细合金粉末这一概念在化学领域和材料领域并没有一个严格的定义,从几个纳米一直到数个微米的合金粉末在国内外的文献、专利上都被称之为超细合金粉末[1]。一般而言,超细合金粉末特指直径小于10μm的合金粉末。随着超细合金粉的生产工艺不断成熟和完善,其应用领域和市场占有率也呈逐年扩张趋势。多数金刚石工具在制造过程中,除使用纯钴以外,均采用相当比例的超细合金粉[2],其中FeCu-Co超细合金粉的应用最为广泛,应用领域遍及金刚石锯片、绳锯、取芯钻头等方面。

稀土元素是一类十几种活泼化学元素的总称,可粗略地分为重稀土和轻稀土。稀土元素具有独特的电子层结构和极强的化学活性,在金刚石工具用超细合金粉中主要是起合金化、变质和净化三个方面[3]的作用。我国在20世纪80年代就开始了稀土在金刚石工具用超细合金粉中应用的研究,但是关于含稀土超细合金粉末物理性能研究在国内鲜有报道。超细合金粉的物理特性会直接影响其应用效果。本文采用共沉淀还原法制备了超细合金粉末,并引入稀土元素Y作为改性剂,重点研究了不同稀土添加量对FeCuCo Y超细合金粉末的粉体物理特性的影响,以期能对其投诸应用起到一定的参考和指引作用。

1 实验

1.1 样品制备

采用共沉淀还原扩散法分别制备FeCuCo、(FeCuCo+0.25wt%Y)、(FeCuCo+0.5wt.%Y)、(FeCuCo+1.0wt.%Y)、(FeCuCo+1.5wt.%Y)超细合金粉,并依次编号为1#、2#、3#、4#、5#样。

1.2 测试方法

采用Bruker公司生产的D8-ADVANCE型X射线衍射仪分析材料的晶体结构、物相;采用WLP-208型费氏粒度仪测定粉末的粒度;采用斯科特容量计法测定粉末的松装密度;采用日本电子(JEOL)公司的JSM-6380LV型扫描电子显微镜(SEM)对粉末的形貌进行分析。

图1 合金粉末的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of the alloy powders

2 结果与讨论

2.1 FeCuCo Y超细合金粉末物相分析

图1是不同Y元素添加量FeCuCo Y超细合金粉末的XRD衍射图谱。由图可见,还原产物呈现出尖锐的衍射峰,说明1至5#粉末晶体的结晶度均比较好。还原后的1至5#粉末中铁元素、铜元素与钴元素都不是呈现Fe相、Cu相和Co相的单一形式,而是形成了Co3Fe7相与FeCo4相(分别归属于PDF卡48-1817和65-7002),这说明超细合金粉中的各组分初步实现了合金化的目的。在衍射图谱中并没有发现Y元素及其氧化物的特征峰,这是由于Y元素的添加量极其微小,以X射线衍射仪的分辨率不能将其检测出来。从图中我们还可以发现,当Y元素添加量小于等于0.5wt.%时,随着Y元素添加量的增大,2#、3#样的特征峰相对于1#样依次向右发生了微小的偏移。而当Y元素添加量大于0.5wt.%时,4#、5#样的特征峰的位置不再向右偏移,而是与3#基本保持一致。这可能是由于Y元素或其氧化物弥散在粉末晶粒内部,使Co3Fe7相与Fe-Co4相的晶包参数发生了微小的改变,从而导致了添加Y元素后的粉末的衍射特征峰发生了微小的偏移。随着Y元素添加量的增大,其对晶粒内部结构的改变作用也增大,粉末的衍射特征峰也随之向右步阶偏移。当Y元素的添加量大于等于0.5wt.%时, Y元素或其氧化物在粉末晶粒内部的弥散达到饱和,于是,4#、5#样的衍射特征峰相对于3#样不再向右偏移,而是与3#样基本保持在同一位置。

2.2 FeCuCo Y超细合金粉末的费氏粒度、松装密度分析

表1为FeCuCo Y超细合金粉末的费氏粒度和松装密度的测定结果。从表中可知,随着Y元素添加量的增加,粉末的费氏粒度越来越小。这可能是由于加入稀土Y元素起到了一定的细化晶粒作用而导致的。一般认为稀土元素细化晶粒的作用是由于稀土元素与合金中其他成分形成的化合物的微小质点提供了异种晶核或偏聚在结晶界上,而且稀土元素在合金中净化材料内部杂质,与合金中的杂质形成化合物,阻止金属晶胞进一步长大[4]。合金粉末的费氏粒度变小,比表面积增大,可以提高粉末的烧结活性,有效地降低烧结温度。

随着Y元素添加量的增加,粉末的松装密度呈现一直降低的趋势。影响粉末松装密度的因素很多,如粉末颗粒形状、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。对于同一种性状的粉末来说,粉末松装密度会随颗粒尺寸的减小而减小。直观的表现为粒度越小,粉末越蓬松。一般而言,金刚石工具行业要求胎体合金粉末的松装密度在1.1 g/cm3～1.5/cm3之间为佳。松装密度太高会影响混料时胎体粉末对金刚石颗粒的包裹能力,可能会导致金刚石颗粒偏析聚集。相反,松装密度太低会造成胎体粉末太过蓬松,堆积体积过大,影响粉末的装模压制。

从表中还可以看出,当Y元素添加量≥1.0wt.%时,粒度下降的趋势变缓,且4#、5#粉末的松装密度低于1.1 g/cm3,这对其混料装模有一定的不利影响。因此,添加0.5wt.%Y元素的FeCuCo超细合金粉预期会获得较好的使用效果。

表1 FeCuCo Y超细合金粉末的费氏粒度和松装密度Table.1 The Fisher particle size and apparent density of FeCuCo Y ultrafine alloy powders

2.3 FeCuCo Y超细合金粉末的形貌分析

图2是不同Y元素添加量的1#～5#超细合金粉末的扫描电镜照片,左边是低倍下的照片(1000倍),右边是相对应的高倍下的照片(10000倍)。从图2中可以看出,1#～5#超细合金粉末的形貌均为表面疏松的海棉状,这种形貌的粉末具有易压制易成形的特点,压制强度高,把持力好;粉末的比表面积很大,烧结反应活性高,可以降低烧结时的温度,提高粉末的适应性。五种粉末的一次颗粒尺寸不均匀,多数呈不规则的长条状。不难发现,随着Y元素含量的增大,粉末的一次颗粒尺寸也随之变小,这再次证明了Y元素具有细化晶粒的作用。

图2 1#～5#超细合金粉末的扫描电镜照片Fig.2 SEM images of 1#～5#ultrafine alloy powder

3 结论

1)不同Y元素添加量FeCuCo Y超细合金粉末的物相均为Co3Fe7相与FeCo4相,衍射图谱中没有出现单质金属元素的特征峰,各组分初步实现了合金化。Y元素的加入可以改变粉末晶粒的内部结构,使衍射特征峰向右偏移。

2)添加Y元素可以起到细化晶粒的作用。随着Y元素添加量的增加,FeCuCo Y超细合金粉末的费氏粒度变小,松装密度也随之变小。

3)不同Y元素添加量FeCuCo Y超细合金粉末的颗粒表面形貌均为表面疏松的海棉状,粉末的表面积大。粉末的一次颗粒多数呈不规则的长条状,且一次颗粒的尺寸随着Y元素添加量的增大而变小。

4)通过对不同Y元素添加量FeCuCo Y超细合金粉末物理性能的分析,推测Y元素的最佳添加量为0.5wt.%。

[1] 吴秀华,赵斌,古宏晨.超细合金粉末材料的研究进展[J].金属矿山,2002(1):28-31.

[2] 向波,谢志刚,贺跃辉,黄艳华.金刚石制品用Fe-Co-Cu预合金粉末的制备及其粒度控制[J].粉末冶金材料科学与工程, 2007,(2):123-128.

[3] 刘光华.稀土材料与应用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005:78-80.

[4] 吴玉会,李国彬.稀土预合金粉在金刚石工具胎体中作用的微观机制[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

张振军(1980-),男,硕士,研究方向为超细金属粉体的制备及应用。

广西科学研究与技术开发计划(科技创新能力与条件建设计划)项目,编号:桂科能1270010。

秦海青(1979-),男,硕士,高级工程师,研究方向为纳米金属粉体的制备及应用。E-mail:qinhaiqing5218@163.com。