均粒径迅速减小, 球磨 40 h 后获得的合金粉末的平均粒径达到 9 nm 左右; 球磨过程中形成的大量
晶格畸变、微观应变等因素降低了合金粉末的相变温度, 并使合金粉末处于不稳定能态。
关键词: 高能球磨; FeSiA l 合金; 纳米晶; 相变
中图分类号: T G115. 22; T G 132. 2
( a) 球磨 2 h
(b) 球磨 5 h
( c) 球磨 5 h 的 SEM 形貌
图 1 球磨初期磨球表面的冷焊形貌
Fig. 1 Images of the cold weldi ng at the beging of milli ng ( a) 2 h ( b) 5 h ( c) 5 h
由图 2 可见, 球磨 2 h 时 XRD 谱中已看不 到 铝、硅的衍射峰, 只留有 F e( 110) 、Fe( 200) 、F e( 211) 的衍射峰。同时可见, 最强衍射峰的位置略向左移 动, 这是由于铝、硅含量相对较少, 剧烈的冷焊作用 使铝、硅原子 焊合 在铁 晶格 的内 部, 形成固 溶体。 FeSiA l 不具备负的混合热, 形成固溶体的机制主要
据进行晶粒度合金化过程 刚开始球磨时, 晶格完整的原料受到磨球的连
续撞击会产生强烈的塑性变形, 造成金属粉末叠加 在一起达到原子程度的结合, 即产生冷焊现象。由 图 1( a) 可见, 球磨 2 h 发生的冷焊现象非常明显, 金 属粉末被焊接成大的金属块, 此时磨球上粘附着大 量熔融状物料; 随着球磨时间的延长, 因机械力的作 用产生的塑性变形导致合金块加工硬化, 脆性增强, 冷焊形成的金属块逐渐消失, 由图 1( b) 可见, 球磨 5 h 时, 磨球上所粘附的合金块大部分已经消失, 只残 留着细小的冷焊斑点; 由图 1( c) 可见, 在机械力的 作用下金属粉冷焊形成了较为致密的合金块。
距( d ) 的比值, % 。
( 3) 当试样衍射峰宽化由晶粒细化与微观应力 共同引起时, 需要同时计算粒径与微观应变, 可以由
William son- H al l 公 式[ 11] 拟 合得 到, 见 式 ( 3) 。 用
cos H与 sin H进行直线拟合就可以得到粒径 t 与微
观应变因素 G。
手套箱中进行。
1. 2 试验方法
用 X 射线衍射仪分别对球磨 2, 5, 10, 20, 40 h
时的取样粉末进行检测, 并与原始粉末衍射谱进行
对比, 分析球磨过程中合金化过程、晶型转换过程与 粒径、微观应力的变化趋势。根据衍射峰的宽化计
算晶体平均粒径与微观应变。
( 1) 当试样无内应力, 宽化只由晶粒变小引起 时, 粒径可由下式[ 10] 计算:
Key words: hig h energ y ball milling ; F eSiA l allo y; nanocr ystalline; phase tr ansition
0引言
FeSiA l 软磁合金具有低磁各向异性常数、零磁 滞伸缩常数、高磁导率、低矫顽力、高电阻率和高硬 度等优点, 是一种优良 的磁头材料; 纳米晶结构 的 FeSiA l 磁粉由于具有晶粒细小、磁性能更加优异等 优点逐渐成为研究的热点[ 1] 。由于该合金中硅元素 的加入使材料的延展性降低, 加工成型能力差, 所以 对 FeSiA l 膜的研究较多[ 2- 4] , 而在应用上常采用粉 末压制方法制备 FeSiA l 合金磁头。
1 试样制备及试验方法
1. 1 试样制备 采用 还 原 铁粉 ( 纯 度 \ 98. 0% ) 、铝 粉 ( 纯 度
\99. 0% ) 和单晶硅粉( 纯度 \99. 0% ) , 按照铁、硅、 铝原子数比 85 B10 B 5 进行配料, 放入硬质铬钢球 磨罐中进行 球磨, 采 用 FRIT SCH pulveriset te 4 型
Abstract: FeSiAl nano cr ystalline allo y po wders w ere prepa red by mechanical milling in inert atmospher e o f
arg on at ro om temperature. T he effects of allo ying pr ocess on g rain size and micro str ain of the alloy pow ders wer e investig ated by XR D. T he micr o imag es and so lid phase tr ansfor matio n of the nanocr ystalline po wders w ere st udied by SEM and DSC. T he r esult s sho w that A l and Si atoms have interming led w ith the cry st al lattice of Fe and fo rmed so lid solut ion dur ing t he cold w elding. W ith the incr ease of the milling time the g rain sizes of the alloy pow der s decrease shar ply and the m icro str ain increases and the av erag e g ra in size is abo ut 9 nm after milling for 40 hours. T he nanocr ystalline alloy po wders are in the unstable situation and hav e low phase t ransitio n temperature because o f the g reat disto rtio n o f latt ice and micro st rain fo rmed during the milling.
制备 F eSiAl 合金粉末主要有熔融法和溅射法, 其工艺复杂, 制备成本高。高能球磨法制备合金粉
收稿日期: 2007-08-03; 修订日期: 2008- 03-25 作者简介: 孙怀涛( 1981- ) , 男, 山东临沂人, 硕士研究生。 导师: 方 莹副教授
末的过程又叫机械合金化[ 5] , 其原理[ 6] 是利用球磨 机高速转动产生的机械能经过磨球的挤压、碰撞传 递给金属粉末, 并使之发生固相反应。利用高能球 磨法可以实现室温下制备纳米晶合金粉末, 同时合 金粉末的成分可控。通过高能球磨法制备纳米晶合 金粉末主要有两种途径来实现: ( 1) 粗晶材料经过研 磨破碎形成纳米晶[ 7, 8] ; ( 2) 非晶合金经过球磨形成 纳米晶[ 9] 。作者探讨利用纯金属粉末进行高能球磨 制备 FeSiA l 纳米晶合金粉末。
对试样进行晶体结构分析。分析时 DSC 升温范围 333~ 1 073 K 、升温速率 20 K # min- 1 。X RD 采用
2. 2 kW 铜靶辐射, 并用 MDI Jade5. 0 XRD 分析软
件对检测衍射数据进行去除仪器宽化和 KA2 校正,
利用本软件的晶粒度和应力应变分析功能对衍射数
高能球磨引起的衍射峰宽化由两种因素共同作 用: ( 1) 晶粒细化, ( 2) 微观应力增加。用最小二乘法 作直 线 拟 合, 可 以 同 时 求 出 两 者 的 大 小。利 用 MDI- Jade 软件可以拟合出合金粉末的平均粒径随 球磨时间的变化规律, 见图 3, 在球磨的 0 到 5 h 阶 段, 平均粒径快速减小到 15 nm 左右; 随着球 磨时 间的增加, 合金粉末的粒径不断降低; 球磨 40 h 时, 粒径已经达到 9 nm 左右, 同时晶格内部微观 应变 随球磨时间的增加而不断增大。当粒径降至纳米级 后, 对于小尺寸晶粒由于位错易滑移至晶粒边界, 难 以在晶粒内部堆积[ 12] , 所以微观应变增速降低, 相 应粒径的下降速率也明显减缓。 2. 2 合金粉末的形貌
# 1#
孙怀涛, 等: 高能球磨法制备 F eSiAl 纳米晶合金粉
行星式球磨机, 球磨时球料质量比 10 B1, 主盘转速 200 r # min- 1 , 行星盘转速 350 r # min- 1 。为防止 氧化, 球磨罐内充高纯氩气( 纯度 \99. 99% ) 作为保
护气体, 原料的称量、装料与取样均在充高纯氩气的
t=
Gtan H+
0. 9K B ccos H
( 3)
在 球 磨 4, 10, 20, 40 h 后 分 别 取 样。 用
NET ZSCH ST A 449C 型差示扫描量热仪( DSC) 与 JSM- 5900 型扫描电镜( SEM) 对试样进行相转变分
析与形貌分析。用 ARL XpT RA 型衍 射仪( XRD)
衍射峰开始宽化, 衍射强度不断降低, 球磨 40 h 时, Fe( 200) 与 F e( 211) 衍射峰也基本消失, 在衍射谱中 只剩有 Fe( 110) 晶面宽化的衍射峰。
图 2 不同球磨时间合金粉的 XRD 谱 Fig. 2 XRD patterns of all oy powders after di fferent mil ling time
文献标识码: A
文章编号: 1000- 3738( 2008) 07- 0001-04
Preparation of FeSiAl Nanocrystalline Alloy Powders by High Energy Ball Milling
SUN Hua-i tao, FANG Ying ( Nanjing U niv ersit y o f T echnolog y, Nanjing 210009, China)
第 32 卷 第 7 期 2008 年 7 月
机械工程 材料
M at erials f or M echanical Eng ineering