。838 北京科技大学学报 第31卷 末颗粒的能量)的影响，而球磨转速是决定球磨能量 min1下粉末的粒径分布范围则较广，小颗粒粒径 输入的关键因素.转速太低。球磨的效率降低，将会 为1~3m,也仍然存在少量20m左右的大颗粒. 大大延长球磨时间，甚至无法实现机械合金化.转 在行星式球磨机中，高转速意味着更多的能量输入， 速过高则容易引起温度升高而导致粉末团聚，甚至 可有效增加撞击频率，因此在球磨初期可以提高球 严重的粘壁现象.分别选择260,380和500rmin1 磨的效率9.但是，高转速更容易引起球磨过程中 的球磨转速来考察转速对机械合金化效果的影响. 的温度升高，使得形成的超细粉末发生团聚，即所谓 不同转速不同球磨时间所得合金粉的晶粒度D通 的“逆粉碎现象.另外，当转速为500r°mim1时发 过Scherrer公式计算.： 生了严重的粘壁现象，使球磨粉末难以脱离，严重影 D=0.9 响球磨的效果 βcos0 通过对以上不同转速下所得粉末的晶粒度和 式中，入为X射线的波长，B为相应衍射峰的半高宽 SEM分析的比较，以及球磨效果的考察，球磨转速 (换算为弧度单位，0为半衍射角.B值通常是用强 优化为380r°min1.在这一转速下既能保证较高 度最高的Fe的衍射峰来计算. 的球磨效率，又能有效避免粉末团聚 计算结果如图2所示，在三种转速条件下，粉末 2.2球磨时间对机械合金化的影响 的晶粒均随球磨时间的增加而不断减小，具有相似 取球磨转速为380r°min,延长球磨时间至 的变化趋势.球磨初期，转速越高，粉末晶粒尺寸减 120h,研究不同球磨时间对粉末晶体结构、微观形 小得越快.球磨6h后，在260,380和500rmin1 貌和粒度分布以及粉末内合金元素分布情况的影 下，粉末晶粒度分别达到21,17.2和12nm.继续 响. 延长球磨时间，晶粒度减小的速度趋缓.总体来说， (1)球磨时间对晶体结构的影响.图4是原始 球磨转速从260rmim1提高到380和500rmin1 混合粉末和球磨不同时间后所得粉末的X射线衍 时，机械合金化的效率明显提高.当球磨时间大于 射图.图中的主要衍射峰通过与粉末衍射标准联合 30h时，380和500rmin的球磨效果非常近似球 Joint Committee on Pow der Diffraction Stan- 磨30h,转速380和500r“min1所得粉末的晶粒度 dads,JCPDS)的衍射数据卡片比较来标定.球磨 分别为10.1和9.3nm. 前的原始粉中可检测到Y203的衍射峰，但由于其 40r 在原始粉末中的含量较低，因此峰的强度很低.球 35汽 。260r-min ▲380r-min' 磨6h后，Yz03的衍射峰消失，表明高能球磨使其 30 南500r.minl 弥散分布到基体中.W和T的衍射峰也几乎消失， 25 Fe和Cr的衍射峰的强度大幅度下降，这说明经过 比 20 一定时间的球磨，Cr、W和Ti等合金元素原有的晶 15 体结构被破坏并固溶到Fe的晶格中，发生了合金 10 化.继续延长球磨时间，Fe的衍射峰强度继续下 0 10152025 30 降，衍射峰出现明显的宽化.衍射峰宽度与晶粒尺 球票时间h 寸成反比，与晶格畸变成正比，当组成粉末的晶粒粒 图2不同转速下品粒度随球磨时间的变化 径小于0.1m或晶格受力发生畸变时都会引起衍 Fig.2 Grain size as a function of milling time at various speeds 射峰的宽化.衍射峰的宽化表明球磨时间越长粉 末颗粒在机械合金化中的塑性变形增大，位错密度 图3是转速为380和500 r'min时，不同球磨 上升，晶格畸变越严重.同时粉末颗粒度和晶粒度 时间的合金粉的形貌.可以看到，在球磨初期，混合 在球磨中都不断减小？网 粉末即被迅速细化.球磨6h后，转速为380r· 图5是通过Scherrer公式计算的不同球磨时间 minl时所得粉末的粒径为20~50m,而转速为 的合金粉末的晶粒度.随着球磨时间的延长，粉末 500r“min时粉末的粒径小于20m:说明球磨初 的晶粒尺寸从35nm减小到65nm.球磨时间在30 期，高转速具有更好的破碎效果.延长球磨时间至h以内时，晶粒尺寸减小得很快：球磨时间为30~60 14h时，两个转速下粉末的形貌趋于近似.球磨时 h时，品粒尺寸缓慢减小：球磨时间超过60h时，晶 间增加到30h时，380rmin1下粉末粒径小于10 粒尺寸则基本保持不变，这是因为在晶粒细化的过 m且呈规则的球形，粒径分布较为均匀；500r· 程中，会不断地产生新鲜表面，这些新鲜表面之间的末颗粒的能量)的影响,而球磨转速是决定球磨能量 输入的关键因素 .转速太低, 球磨的效率降低, 将会 大大延长球磨时间, 甚至无法实现机械合金化.转 速过高则容易引起温度升高而导致粉末团聚, 甚至 严重的粘壁现象.分别选择260 , 380 和 500 r·min -1 的球磨转速来考察转速对机械合金化效果的影响 . 不同转速不同球磨时间所得合金粉的晶粒度 D 通 过Scherrer 公式计算 [ 7 , 8] : D = 0.9 λ βcosθ . 式中, λ为 X 射线的波长, β 为相应衍射峰的半高宽 (换算为弧度单位), θ为半衍射角 .β 值通常是用强 度最高的 Fe 的衍射峰来计算 . 计算结果如图 2 所示 ,在三种转速条件下 ,粉末 的晶粒均随球磨时间的增加而不断减小, 具有相似 的变化趋势 .球磨初期 ,转速越高, 粉末晶粒尺寸减 小得越快.球磨 6 h 后 ,在 260 , 380 和 500 r·min -1 下,粉末晶粒度分别达到 21 , 17.2 和 12 nm .继续 延长球磨时间, 晶粒度减小的速度趋缓.总体来说 , 球磨转速从 260 r·min -1提高到 380 和 500 r·min -1 时,机械合金化的效率明显提高 .当球磨时间大于 30 h 时, 380 和 500 r·min -1的球磨效果非常近似, 球 磨 30 h , 转速 380 和 500 r·min -1所得粉末的晶粒度 分别为 10.1 和 9.3 nm . 图 2 不同转速下晶粒度随球磨时间的变化 Fig.2 Grain size as a function of milling time at various speeds 图 3 是转速为 380 和 500 r·min -1时, 不同球磨 时间的合金粉的形貌 .可以看到 ,在球磨初期, 混合 粉末即被迅速细化.球磨 6 h 后 , 转速为 380 r· min -1时所得粉末的粒径为 20 ～ 50 μm , 而转速为 500 r·min -1时粉末的粒径小于 20 μm ;说明球磨初 期,高转速具有更好的破碎效果 .延长球磨时间至 14 h 时 , 两个转速下粉末的形貌趋于近似.球磨时 间增加到 30 h 时 , 380 r·min -1下粉末粒径小于 10 μm 且呈规则的球形 , 粒径分布较为均匀 ;500 r· min -1下粉末的粒径分布范围则较广 , 小颗粒粒径 为 1 ～ 3 μm , 也仍然存在少量 20 μm 左右的大颗粒. 在行星式球磨机中 ,高转速意味着更多的能量输入, 可有效增加撞击频率 , 因此在球磨初期可以提高球 磨的效率 [ 9] .但是 , 高转速更容易引起球磨过程中 的温度升高 ,使得形成的超细粉末发生团聚,即所谓 的“逆粉碎”现象.另外, 当转速为 500 r·min -1时发 生了严重的粘壁现象, 使球磨粉末难以脱离,严重影 响球磨的效果. 通过对以上不同转速下所得粉末的晶粒度和 SEM 分析的比较, 以及球磨效果的考察 ,球磨转速 优化为 380 r·min -1 .在这一转速下既能保证较高 的球磨效率 ,又能有效避免粉末团聚 . 2.2 球磨时间对机械合金化的影响 取球磨转速为 380 r·min -1 , 延长球磨时间至 120 h ,研究不同球磨时间对粉末晶体结构、微观形 貌和粒度分布以及粉末内合金元素分布情况的影 响 . (1)球磨时间对晶体结构的影响.图 4 是原始 混合粉末和球磨不同时间后所得粉末的 X 射线衍 射图.图中的主要衍射峰通过与粉末衍射标准联合 会(Joint Committee on Pow der Diffraction Stan￾dards, JCPDS)的衍射数据卡片比较来标定.球磨 前的原始粉中可检测到 Y2O3 的衍射峰, 但由于其 在原始粉末中的含量较低 , 因此峰的强度很低 .球 磨 6 h 后 , Y2O3 的衍射峰消失, 表明高能球磨使其 弥散分布到基体中 .W 和 Ti 的衍射峰也几乎消失, Fe 和 Cr 的衍射峰的强度大幅度下降 ,这说明经过 一定时间的球磨,C r 、W 和 Ti 等合金元素原有的晶 体结构被破坏并固溶到 Fe 的晶格中 , 发生了合金 化 .继续延长球磨时间 , Fe 的衍射峰强度继续下 降 ,衍射峰出现明显的宽化.衍射峰宽度与晶粒尺 寸成反比,与晶格畸变成正比,当组成粉末的晶粒粒 径小于 0.1μm 或晶格受力发生畸变时都会引起衍 射峰的宽化.衍射峰的宽化表明球磨时间越长, 粉 末颗粒在机械合金化中的塑性变形增大 , 位错密度 上升 ,晶格畸变越严重.同时粉末颗粒度和晶粒度 在球磨中都不断减小 [ 7, 8] . 图 5 是通过 Scherrer 公式计算的不同球磨时间 的合金粉末的晶粒度 .随着球磨时间的延长, 粉末 的晶粒尺寸从35nm 减小到 6.5 nm .球磨时间在30 h 以内时 ,晶粒尺寸减小得很快;球磨时间为 30 ～ 60 h 时, 晶粒尺寸缓慢减小 ;球磨时间超过 60 h 时 ,晶 粒尺寸则基本保持不变 .这是因为在晶粒细化的过 程中,会不断地产生新鲜表面,这些新鲜表面之间的 · 838 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷