论文导读：而且铜粉和镍粉在反应过程中,只有镍粉颗粒扩散进入铜粉颗粒,在原铜粉颗粒内部反应形成单相α固溶体组织。使铜粉和镍粉在固相下发生扩散、溶解,建立“铜粉和镍粉固相扩散相界面迁移模型”,研究铜镍烧结体的性能和相界面迁移之间的关系。铜粉和镍粉烧结实质上就是界面扩散和界面迁移的过程。但是,铜粉和镍粉烧结体的性能却不符合文献[3]中烧结理论的一般规律,即随着烧结温度的升高、保温时间的延长,烧结体密度和硬度呈现上升的趋势。
关键词：铜，镍，界面，性能，单向迁移
界面是固体结构的重要研究对象。现代材料的发展把界面的探讨推到了材料结构研究的前沿。在众多新材料的研究开发中,材料的界面研究具有十分重要的意义。文献[1]研究了铜粉和镍粉经过固相烧结发生反应的过程和机理。铜和镍混合粉末在100kN预压定性、300kN温压,800℃烧结、保温3h工艺条件下反应,全部形成了单相Cu-Ni固溶体组织;
而且铜粉和镍粉在反应过程中,只有镍粉颗粒扩散进入铜粉颗粒,在原铜粉颗粒内部反应形成单相α固溶体组织。论文发表。本文改进试验方法在烧结过程中使用氢气作为保护气，同时在烧结过程中施加300kn的压力以加速分子扩散速度。论文发表。使铜粉和镍粉在固相下发生扩散、溶解,建立“铜粉和镍粉固相扩散相界面迁移模型”,研究铜镍烧结体的性能和相界面迁移之间的关系。
1.试验材料与方法
试验用粒度为0.050~0.061mm,纯度分别为99.5%和99.4%的铜粉和镍粉。制备烧结体的具体过程如下:①将铜粉和镍粉按重量百分比各50%称取;将混合粉倒入研磨器皿中,并加入少量石墨粉作润滑剂,放入混料机中2小时左右;②在液压式万能实验机上,采用自制模具,将粉料预压(压力为100kN)成16mm×4mm的圆柱体;③将模具(试样在模具中)放入双体烧结炉中，加300kn压力800℃加压高温烧结2小时使用氢气作为保护气，取出后在双体烧结炉的水冷压炉中冷却40分钟，试样冷却至室温。另外又配制了(质量分数)Cu-10% Ni,Cu-30% Ni,Cu-70%Ni和Cu-90% Ni四种成分的混合粉末,按照文献[1]中铜和镍混合粉100kN预压、300kN温压、800℃烧结、随炉冷却的工艺制备了四种烧结体
表1 铜粉和镍粉烧结体工艺条件
Tab.1process condition of Cu – Ni sintering
| 烧结体 |
预压力 /kN |
烧结压力 /kN |
烧结温度 /℃ |
烧结时间 /min |
| 1 2 3 4 5 |
100 100 100 100 100 |
300 300 300 300 300 |
800 800 800 800 800 |
30 40 50 60 120 |
对烧结后的试样,用光学显微镜进行观察分析,试样的观察面选择与压制方向垂直的表面。用扫描电子显微镜(SEM)对试样进行表面微观形貌观察和分析。用能谱分析仪(EDS)测定试样微区的成分,X射线衍射法(XRD)分析相组成。用排水法测定试样的密度。用洛氏硬度计和低载荷维氏硬度计测试试样的硬度。论文发表。
2.试验结果与分析
2.1 烧结体的密度和硬度
2.1.1 烧结体密度和硬度与保温时间和烧结温度的关系
如图1a所示,铜镍混合粉压坯在不同烧结温度下烧结,烧结体密度随保温时间的延长而呈现下降趋势;在保温时间相同的情况下,烧结体密度随烧结温度增大而递减。如图1b所示,铜镍混合粉压坯在不同烧结温度和保温时间下烧结,其硬度也是随保温时间的延长和烧结温度的升高呈现下降的趋势。
2.1.2 烧结体密度和硬度与烧结体成分的关系
文献[1]研究了烧结体成分(铜粉和镍粉比例)对反应结果的影响。不同混合比例的铜粉和镍粉在临界工艺条件下都可以形成无限固溶体。如图2a所示,当烧结体中镍的含量由10%增加到90%时,烧结体密度呈现下降趋势;烧结体硬度与成分的关系也呈下降的趋势,见图2b所示。Cu-10Ni合金的密度最大,Cu-90Ni合金的密度最小。Cu-10Ni合金的硬度最大,Cu-50Ni合金的硬度最小。
图1 烧结体的密度与保温时间的关系
图2 烧结体的密度和硬度与成分的关系
2.2 烧结体的相界面迁移模型
固体材料在高温下实现烧结的基本因素是原子铜粉和镍粉烧结体相界面及其性能的试验研究在固体中能够进行从一个位置迁移到另一个位置的扩散,并受到扩散过程的控制。界面扩散传质是一种基本的界面过程,它包括了沿表面和界面的扩散、穿越界面的扩散和界面移动等多种和界面原子运动
有关的物质传输[2]。铜粉和镍粉烧结实质上就是界面扩散和界面迁移的过程。界面的迁移运动是各类转变的重要基础,转变中α新相(固溶体)的形成长大实质是界面迁移的过程。
文献[1]研究了铜粉和镍粉烧结形成固溶体组织的过程和机理。根据铜粉和镍粉在不同工艺条件下烧结得到的结果分析,得出了铜粉和镍粉反应形成Cu-Ni固溶体组织的最佳条件是,铜和镍混合粉100kN预压、300kN温压,800℃烧结、保温15h;其形成机理是,在铜粉颗粒和镍粉颗粒的扩散过程中,只有镍扩散进入铜颗粒,在原铜颗粒内部反应形成α固溶体组织。
金属混合粉末压坯烧结时的界面迁移实际上是相邻晶粒原子运动的结果,界面迁移与原子运动的方向相反、速度相同[4]。根据以上分析,烧结体中铜粉颗粒和镍粉颗粒之间界面迁移过程模型如图3所示。在扩散过程中,只有镍原子进入铜,铜原子几乎不进入镍,铜颗粒“吃掉”镍颗粒,铜颗粒表面向镍颗粒方向长大,经过原子的进一步扩散,最终形成均一
的固溶体组织,为空位扩散机制。图3是铜粉和镍粉固相加热时的相界面迁移模型。
3.烧结体相界面迁移模型与性能关系讨论
铜粉和镍粉的烧结满足扩散的四个条件,即①温度要足够高;②时间要足够长;③扩散原子要固溶;④扩散要有驱动力。但是,铜粉和镍粉烧结体的性能却不符合文献[3]中烧结理论的一般规律,即随着烧结温度的升高、保温时间的延长,烧结体密度和硬度呈现上升的趋势。
4.结论
用固相烧结的方法研究了铜粉和镍粉烧结体的性能与其相界面迁移的关系,得出以下结论:
(1)铜粉和镍粉进行固相烧结,随烧结温度的升高、保温时间的延长,其密度和硬度呈现下降的趋势。
(2)在铜粉和镍粉烧结扩散过程中,只有镍进入铜,铜几乎不进入镍。这是烧结体密度和硬度随烧结温度的升高、保温时间的延长以及含镍量的增加而下降的主要原因。
【参考文献】
[1]宋玉强,王引真,李世春,等.铜粉和镍粉反应的试验研究[J].金属热处理, 2002,27(6):12-14.
[2]潘金生,仝健民,田民波.材料科学基础[M].北京:清华大学出版社, 1998.
[3]Smigelskas A D, Kirkendall E O. TransAIME[M].Berlin:Akademie Verlag, 1947:130,171.
[4][苏]费多尔钦科,北京钢铁学院粉末冶金教研室译.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社, 1974.
[5]BrandesEA,BrookGB.SmithellsMetalsReference Book [ M ]. Oxford: Butterworth-Heinemann Ltd,1992.
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