穆海芳，張 麗

（1.宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.臨沂市科技館，山東 臨沂 276037）

機(jī)械合金化（Mechanical Alloying）是在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)的合金化工藝，它沒有經(jīng)過(guò)氣相和液相，不受物質(zhì)的蒸氣壓、熔點(diǎn)等物理特性因素的制約，使得過(guò)去用傳統(tǒng)合金工藝難以實(shí)現(xiàn)的某些物質(zhì)合金化及新物質(zhì)的合成成為可能[1-2]。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

本實(shí)驗(yàn)選用高純度的 Cu、Cr、Si、Zn作為原始金屬粉體為，將各原料按照名義成分（原子分?jǐn)?shù)）在電子秤（FA1004型）上進(jìn)行精確稱量（精確到 0.001g），合金體系中各組元的成分如表 1所示。為了研究Zn對(duì)Cu-Cr-Si體系合金的影響，本實(shí)驗(yàn)利用機(jī)械合金化工藝制備了幾種不同成分的合金粉末，用對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)分析它的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，機(jī)械合金化的工藝參數(shù)如表2。

本實(shí)驗(yàn)用 QM-1SP2型行星式高能球磨機(jī)球磨，用真空泵抽真空，并充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，反復(fù)進(jìn)行以上步驟5～6次。所用球磨罐和磨球均采用不銹鋼材料制成，磨球的直徑為20mm，采用無(wú)水乙醇作為過(guò)程控制劑，停機(jī)以后，等一段時(shí)間再打開氣閥，然后取出少許合金粉末樣品進(jìn)行熱力學(xué)測(cè)試。將制備的合金粉末在冷壓機(jī)30Mpa下保壓10min制備成冷壓坯，然后再氬氣保護(hù)950。C燒結(jié)，保溫1h，對(duì)燒結(jié)后的壓坯進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

表1 各組元成分表

表2 機(jī)械合金化的工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Cu50Cr40Si10合金DSC分析

熱穩(wěn)定性分析方法采用DSC（差示掃描量熱法），通過(guò)DSC測(cè)試，可以得到各個(gè)合金系的DSC曲線[6]。本實(shí)驗(yàn)采用的是 NETZSCHSTA449C型差示掃描量熱分析儀，充氬氣速度為50ml/min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采取惰性氣體氣氛進(jìn)行保護(hù)，以防止在實(shí)驗(yàn)中樣品發(fā)生氧化，測(cè)試時(shí)樣品制作成薄裝片質(zhì)量取為20mg左右。在程序控制溫度條件下，以20K/min的升溫速率進(jìn)行測(cè)試得到DSC曲線如圖 1?？梢钥吹皆诰Щ坝忻黠@的吸熱峰，證明在 Tg點(diǎn)具有顯的玻璃轉(zhuǎn)變發(fā)生，Tx1點(diǎn)表明處于亞穩(wěn)態(tài)的玻璃相開始向穩(wěn)態(tài)的晶相轉(zhuǎn)變，在 Tp處出了明顯的尖銳放熱峰，表明在該溫度處發(fā)生強(qiáng)烈晶化反應(yīng)，Tx2為晶化終結(jié)點(diǎn)標(biāo)志著樣品從穩(wěn)態(tài)的玻璃相完全過(guò)渡到穩(wěn)定的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。采用外推法標(biāo)定其熱力學(xué)特征溫度點(diǎn)，分別得到玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg，晶化初始溫度Tx1，晶化峰溫度Tp，晶化結(jié)束溫度Tx2，熔化開始溫度為Tm，熔化結(jié)束溫度為 Tl，計(jì)算過(guò)冷液相區(qū) ΔTx(=Tx1-Tg)，約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度 Trg(=Tg/Tm)。一般來(lái)說(shuō)，ΔTx及Trg越大，其非晶形成能力就越強(qiáng)。

為研究合金晶化行為，各溫度對(duì)應(yīng)的晶化體積分?jǐn)?shù)為：X=ST/S，式中S為晶化相從晶化開始到晶化結(jié)束時(shí) DSC曲線的放熱總面積，ST為晶化相從晶化開始到某一晶化溫度 DSC曲線上的放熱峰面積，由此可以計(jì)算出晶化體積分?jǐn)?shù)X(T)與轉(zhuǎn)變溫度T的關(guān)系曲線如圖2。

圖1 DSC曲線圖

圖2 晶化體積分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系

可以看出，晶化體積分?jǐn)?shù)與晶化溫度的關(guān)系曲線呈現(xiàn)S形變化，曲線在晶化初始與晶化結(jié)束溫區(qū)附近較為平緩，放熱峰處很陡峭，斜率很高說(shuō)明此點(diǎn)處晶化反應(yīng)最為激烈。

2.2 不同Zn含量的DSC分析

通過(guò)機(jī)械合金化工藝添加不同含量(2%、4%、6%、8%)的 Zn，球磨制備了試樣(Cu50Cr40Si10)100-γZnγ，以升溫速率20K/min做DSC曲線如圖3。

圖3 DSC曲線

圖4 載荷-位移曲線圖

由圖中可以看出(Cu50Cr40Si10)100-γZnγ，γ從 2至8的DSC曲線變化，放熱峰先向右移動(dòng)，后又向左移動(dòng)。放熱峰向右移動(dòng)，說(shuō)明放熱峰的溫度在升高，非晶態(tài)合金的晶化溫度升高。

研究表明：Tg、Tx1、Tp、Tx2的升高，說(shuō)明其熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，Trg升高，說(shuō)明其非晶形成能力增強(qiáng)，△Tx其值很大，說(shuō)明其具有優(yōu)異的非晶形成能力。過(guò)冷液相區(qū)寬度△Tx從127K增加到133K再減小到127K，沒有明顯的變化，從而得出這樣的結(jié)論，當(dāng)加入Ni含量為6%時(shí)，其非晶形成能力和熱穩(wěn)定性最好。

2.3 力學(xué)性能分析

本次壓縮實(shí)驗(yàn)是在 Instron5500型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，材料的壓縮試樣尺寸為長(zhǎng)方體30x5x6mm，壓縮試樣標(biāo)距為 30mm，壓縮面為5x6mm，應(yīng)變速率0.05mm/min，盡量保證兩個(gè)端面相互平行并與軸線相垂直，壓縮試驗(yàn)表明：添加 Zn后，抗壓強(qiáng)度先降低，在 2%時(shí)降到最小1630Mpa，然后升高，在6%時(shí)升到最大2090Mpa，然后又降低。隨著 Zn含量的增加，壓縮率逐漸增加，在6%時(shí)到達(dá)最大10.35%，然后降低。

3 結(jié)論

采用高純度的原料，通過(guò)機(jī)械合金化工藝，制備了Cu50Cr40Si10非晶合金粉末，然后利用冷壓燒結(jié)工藝制備了合金材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：隨著Zn含量在一定范圍內(nèi)（0-6%）提高，Cu50Cr40Si10非晶合金的熱穩(wěn)定性和晶化動(dòng)力也不斷提高；當(dāng)Zn含量為6%時(shí)，Cu50Cr40Si10合金的抗壓強(qiáng)度、壓縮率、維式硬度值最大。

[1]劉鵬, 張修慶, 武小記.機(jī)械合金化與熱壓燒結(jié)法制備Cu-Cr-Zr合金[J].熱加工工藝, 2012(06)：14-17.

[2]丁潤(rùn)東, 沈以赴, 李博, 胡永志, 郭燕.機(jī)械合金化制備 Ti-Cu非晶涂層[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2012(07)：2023-2030.