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实验测试真空型球磨对各种粉末的效应结果及分析结论

文章出处:责任编辑:发表时间:2020-08-13【

1实验过程

本文中Mg合金的化学成分所示。首先通过车削Mg合金铸锭得到尺寸为0.60.3mm的切屑,再利用行星式球磨机将其球磨成粉末。分别采用真空保护和液体保护两种措施在室温下进行球磨。真空保护气氛由Becker真空泵对内径90mm的密闭不锈钢磨罐抽气0.5h后得到。乙醇在室温下不会与Mg发生化学反应,球磨结束后又容易与合金粉末分离,因此笔者采用无水乙醇作为液体保护介质。球磨时所采用的不锈钢磨球直径分别为16,9,4mm,质量比为4103,料、球质量比固定为115,球磨转速350rmin-1,球磨时间010h.

实验测试真空型球磨对各种粉末的效应结果及分析结论

采用PhilipsXL-30E扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能谱分析仪对球磨粉末的微观形貌进行观察;利用Leica图像分析仪对球磨粉末的扫描电子显微镜照片进行粒度和圆度估算;采用Rigaku-2550-Max衍射仪(Cu/K,扫描速度4min-1)对球磨前后Mg合金粉末的物相和微观结构变化进行X射线衍射(XRD)分析。


2结果和分析


笔者采用圆度来衡量球磨Mg合金粉末颗粒的规则度,圆度数值越大表明规则度越差。从b所示的颗粒圆度随球磨时间的变化曲线中可以看出,随着球磨的进行,颗粒规则度在两种保护介质下都逐渐变差。尽管乙醇保护球磨最终获得了较细小的粉末颗粒,但其规则度均不及真空保护球磨,显示大颗粒是以类似解理的方式分解为细小的颗粒。乙醇保护球磨时由于剧烈的碰撞、摩擦,大颗粒塑性变形逐步加剧,滑移不断出现,再加上液体的冲击,剥离出薄片状小颗粒,粒度分布较宽。真空保护球磨时形成的局部微热使小颗粒冷焊在大颗粒上,粉末粒度较大,分布相对较窄。


分析表明,两种球磨试样的物相组成完全相同,主要是Mg,并含有少量的MgO,球磨过程中没有其他新相产生,说明采用乙醇作为保护介质是可行的。


幸运飞艇官网值得注意的是,Mg(002)晶面所对应的衍射峰在乙醇保护球磨的Mg合金粉末X射线衍射图谱中明显增强(b),球磨5h之前一度成为最强峰,到5h虽然下降为次强峰,但其相对强度仍达90。7,而原始Mg合金粉末中相同衍射峰的相对强度只有41。虽然提到过Mg或Mg合金球磨后衍射峰强度的变化,但并没有成为最强峰的报道。究其原因可能有两种,首先是球磨改变了Al,Zn,Cu等元素在Mg中的分布,使Mg的晶格发生了变化,但这种解释似乎不能解决衍射峰强度继而减弱这一现象;其次,由于低温球磨时Mg合金塑性变形是沿基面滑移和生成孪晶所造成的,而(002)晶面恰好是一个滑移基面,球磨初期大量沿此晶面的滑移势必在Mg合金粉末中形成(002)织构,从而进一步引起晶面衍射峰强度突增。


可以解释如下:随着球磨的进行,在粉末中积累了大量的能量,Mg的其他变形机制如孪晶等开始出现,滑移也逐渐在各个方向开动,塑性变形随机化,织构也就消失了,衍射峰强度因而逐渐减弱。


利用公式D=0。94/(BcosB-2sinB)计算了球磨Mg合金粉末的平均晶粒直径D(其中B为衍射峰半高宽;B为布拉格衍射角;为所用X射线的波长)和塑变。两种保护措施下粉末的晶粒直径和塑变随球磨时间的变化曲线。图5a表明球磨初期晶粒尺寸急剧减小,真空保护时晶粒减小的趋势大于乙醇保护球磨;球磨2h以后晶粒减小趋于平缓,逐渐稳定在3040nm之间,在考察的时间范围内,真空保护球磨获得的Mg合金粉末的晶粒尺寸小于乙醇保护球磨。纯Mg球磨后也存在晶粒稳定值,大小为34nm,与本文的数值十分相近。


球磨导致Mg合金粉末的晶粒尺寸减小的过程:首先,粉末中积累的高应变率的塑性变形在晶粒内部产生高密度位错,使其分解为亚晶粒,亚晶粒可以继续变形并分解,但晶粒尺寸减小到一定值以后,需要极大的应力或者说能量才能使细化的晶粒发生进一步的变形;其次,随着晶粒的减小,晶界含量增加,回复驱动力也逐渐增加,缓解了塑性变形,使位错密度不能达到进一步减小晶粒尺寸的程度,因此球磨Mg合金粉末必然存在晶粒稳定值。


比较b中两种保护措施下晶粒塑变随球磨时间的变化关系可以看出,真空保护球磨产生的塑变较小,并且变化幅度比较平稳。这是由于Mg合金的低熔点便于回复的发生。真空保护球磨时,粉末中产生的局部微热引起温度升高,使一部分塑性变形被回复,但是在乙醇保护下粉末温度较低,塑变积累较快。这也是采用真空保护球磨没有出现类似于乙醇保护下Mg(002)晶面所对应的衍射峰明显增强的原因。虽然乙醇保护球磨Mg合金粉末的塑变积累较大,但获得的晶粒尺寸不及真空保护球磨,可能与组织中形成织构有关。


通过能谱分析仪(EDAX)对球磨Mg合金粉末的元素含量进行定量面分析。从中可以看出,杂质元素为O和Fe.真空保护球磨时O含量稳定,而采用乙醇保护时O含量随球磨进行逐渐增加。这是由于乙醇保护球磨过程中液体不断被搅动,Mg合金粉末可以与氧气接触发生氧化;并且随着球磨时间增加,液体温度上升,乙醇逐渐挥发,增加了粉末被氧化的机会。不论在何种条件下球磨机瓦式的适用,不锈钢磨球与磨罐之间势必存在着碰撞和摩擦,导致球磨后的粉末中出现Fe杂质。乙醇保护球磨时,Fe含量随时间增加而增加,但是真空保护球磨的粉末中没有探测出Fe.对比两种球磨过程,发现采用真空保护时,在钢罐和磨球上很快会被冷焊一层Mg合金,杜绝了Mg合金粉末与Fe源的接触;而乙醇保护球磨时,磨球与磨罐之间没有形成有效的阻隔,两者之间的直接作用始终存在,导致Fe含量随球磨时间逐渐增加。


3结论


乙醇在球磨过程中没有与Mg合金粉末反应生成其他物相,起到了保护作用,同时充当了球磨介质,促进了粉末颗粒的细化;得到的Mg合金粉末粒度小、分布范围宽,但外形不规则,为近圆形薄片状。


真空保护球磨的Mg合金粉末形状规则,但粒度稍大、分布范围窄。


由于沿惯习方向的滑移在乙醇保护球磨的Mg合金粉末中产生了织构,但随着塑性变形的随机化又逐渐消失,引起X射线衍射图谱中Mg(002)晶面衍射峰强度的变化。Mg合金粉末球磨过程中晶粒尺寸逐渐减小,存在晶粒稳定值,相比之下真空保护球磨粉末的晶粒更细小;由于乙醇挥发降温,抑制了球磨过程中的回复,使粉末塑变高于真空保护球磨。


真空保护球磨时,Mg合金粉末氧化程度低;磨球与磨罐上冷焊了一层Mg合金,有效地阻隔了两者的作用,未引入Fe.乙醇保护球磨过程中,Mg合金粉末存在着与空气接触的机会,并且磨球与磨罐之间作用激烈,引入了较多的O和Fe杂质。综合比较认为真空保护球磨Mg合金粉末的质量较好,但乙醇保护球磨更好地揭示了球磨过程中Mg合金粉末微观结构的变化。


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