CN101319284A - 单相Sm2Co17纳米晶块体材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料的制备方法属于纳米材料和新型粉末冶金技术领域。现有纳米晶Sm₂Co₁₇型合金的研究集中于两相或多相的合金体系。本发明通过将金属Sm和Co按2∶17的摩尔比混合，真空感应熔炼制备Sm₂Co₁₇合金铸锭；在氩气保护下，将合金铸锭破碎、研磨成粒径小于500μm的粉末，再将粉末放入球磨罐中进行球磨，制备出非晶态的合金粉末；将非晶态的合金粉末放入模具，利用现有放电等离子烧结技术快速烧结成型，制得单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料。本发明具有工艺简单、可控性强，所制备的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料完全致密化、晶粒均匀细小，晶界区域纯净无析出相等优点。

Description

单相Sm2Co17纳米晶块体材料的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料和新型粉末冶金技术领域，具体涉及一种单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料的制备方法。

背景技术

纳米材料及纳米技术自出现至今一直是国内外材料科学与工程领域的研究和开发热点。纳米晶块体材料具有高密度晶界的独特结构特征使之与传统的粗晶块体材料相比表现出显著的性能优势。

Sm₂Co₁₇型合金因具有优越的磁性能、高的热稳定性和良好的耐蚀性而被广泛应用于精密机床、测量仪表、磁性轴承和多种永磁电机等设备中，尤其在国防和军工等领域更是占居重要地位。目前，人们对纳米晶组织的Sm₂Co₁₇型合金的研究主要集中于两相或多相的合金体系，而受制备技术的限制，对于单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料的研究报道极少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺流程短、可靠性强的单相Sm₂Co₁₇纳米晶合金块体材料的制备方法。本发明方法可以推广至Sm-Co合金体系中多种单相纳米晶块体材料的制备。

本发明所提供的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将块状的金属Sm和Co按23.1％∶76.9％的质量比进行混合，使Co原料包裹在Sm原料周围，真空感应熔炼制备Sm₂Co₁₇合金铸锭，将合金铸锭进行2～4次重熔处理；

2)将重熔处理后的Sm₂Co₁₇合金铸锭破碎、研磨成小于500μm的粉末颗粒，再将粉末颗粒按球料质量比10～20∶1装入球磨罐中，球磨10～20小时得到完全非晶态的合金粉末；

3)将非晶态的合金粉末在氩气保护下装入硬质合金模具并冷压成型，送入放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，烧结工艺参数为：终态烧结温度为700～800℃，升温速率为50～100℃/min，烧结压力为300～500MPa，达到终态烧结温度后不保温而冷却到室温，得到单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料。

其中，步骤1)中原料混合时Co原料包裹在Sm原料的周围，可防止在真空熔炼过程中Sm的挥发损失；将合金铸锭进行重熔处理是为了获得成分均匀的母材合金；为进一步提高成分均匀化的效果，铸锭每次重熔时应使上下面反转换位。

步骤2)中的球料质量比和球磨时间决定是否能获得非晶态的合金粉末，并直接影响球磨获得非晶粉末的效率，采用较大的球料比可在较短的球磨时间内获得非晶态粉末。

步骤3)中采用较高的烧结温度、升温速率和较低的烧结压力与采用较低的烧结温度、升温速率和较高的烧结压力均能获得致密的纳米晶块体材料。

本发明是根据Sm-Co合金的成相规律、高能球磨非晶化机理和放电等离子烧结技术的特殊机制而提出的。以纯金属Sm、Co为原料，根据所要求的合金成分利用真空感应熔炼配合重熔处理的方法可获得单相的Sm₂Co₁₇合金铸锭。在球磨过程中，合金铸锭不发生分解，而是由粗晶粉末转变为非晶结构的同种合金粉末。在对非晶粉末进行高压放电等离子烧结时，导电性良好的Sm-Co合金粉末由于脉冲电流通过时产生的焦耳热效应使得粉末颗粒迅速升温到较高温度，在此高压加热的过程中，非晶粉末在烧结致密化的同时发生纳米尺度的晶体形核和长大，经过非晶态合金粉末的完全晶化和致密化，最终制备出致密的单相Sm₂Co₁₇纳米晶合金块体材料。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用放电等离子烧结技术，源于多点并发的焦耳热效应的迅速升温，可引发多种固相原子的加快传输机制，从而显著加速了非晶粉末的晶化过程并提高了粉末的致密化速率；同时，几百兆帕高的烧结压力一方面加速烧结致密化过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，另一方面，升温的同时施加高的压力可抑制原子的长程扩散，从而有效地控制晶化和致密化的过程中纳米晶的晶粒粗化现象。

2)本发明方法制备出的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料实现了完全致密化，材料显微组织中纳米晶粒均匀细小，晶界区域纯净无析出相，且工艺路线简单、流程短、技术参数的可控性强，从而保证了获得理想材料的可重复性。

附图说明

图1、实施例1中制备的Sm₂Co₁₇合金铸锭、非晶合金粉末和纳米晶块体的X射线衍射图谱。

图2、实施例1中制备的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体的透射电子显微镜暗场像及相应的选区电子衍射图谱，其中(b)为(a)中局部区域放大的高分辨透射电镜明场像。

图3、实施例2中制备的Sm₂Co₁₇合金铸锭、非晶合金粉末和纳米晶块体的X射线衍射图谱。

图4、实施例2中制备的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体的透射电子显微镜暗场像及相应的选区电子衍射图谱，其中(b)为(a)中局部区域放大的高分辨透射电镜明场像。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

下述实施例中原料Sm和Co的纯度均为99.99％，由北京有色金属研究院提供。

实施例1

1)将小块状的金属Sm和Co按照23.1％∶76.9％的质量比混合，使Co原料包裹在Sm原料周围，采用与文献(王江，张程煜，张晖，杨志懋，丁秉钧：“真空感应熔炼法制备CuCr25合金”，高压电器，第37期，第2卷，第14页)相同的真空感应熔炼步骤制备Sm₂Co₁₇合金铸锭，将合金铸锭进行2次重熔处理；

2)将Sm₂Co₁₇合金铸锭破碎、研磨成小于500μm的粉末颗粒，将此粉末颗粒按照球料质量比为10∶1的比例装入球磨罐中，球磨20小时得到完全非晶态的合金粉末；

3)将非晶态合金粉末在氩气保护下装入硬质合金模具并冷压成型，送入放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，采用如下工艺参数：终态烧结温度为700℃，升温速率为50℃/min，烧结压力为500MPa，达到终态烧结温度后不保温而冷却到室温，得到致密度为99.8％的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料。

Sm₂Co₁₇合金铸锭、非晶态合金粉末和纳米晶块体的结构分析见图1，显微组织形貌和高分辨透射电镜分析见图2。

实施例2

1)将小块状的金属Sm和Co按照23.1％∶76.9％的质量比混合，使Co原料包裹在Sm原料周围，采用与文献(王江，张程煜，张晖，杨志懋，丁秉钧：“真空感应熔炼法制备CuCr 25合金”，高压电器，第37期，第2卷，第14页)相同的真空感应熔炼步骤制备Sm₂Co₁₇合金铸锭，将合金铸锭进行3次重熔处理；

2)将Sm₂Co₁₇合金铸锭破碎、研磨成小于500μm的粉末颗粒，将此粉末颗粒按照球料质量比为20∶1的比例装入球磨罐中，球磨10小时得到完全非晶态的合金粉末；

3)将非晶态合金粉末在氩气保护下装入硬质合金模具并冷压成型，送入放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，采用如下工艺参数：终态烧结温度为800℃，升温速率为100℃/min，烧结压力为300MPa，达到终态烧结温度后不保温而冷却到室温，得到致密度为99.0％的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料。

Sm₂Co₁₇合金铸锭、非晶态合金粉末和纳米晶块体的结构分析见图3，显微组织形貌和高分辨透射电镜分析见图4。

实施例3

1)将小块状的金属Sm和Co按照23.1％∶76.9％的质量比混合，使Co原料包裹在Sm原料周围，采用与文献(王江，张程煜，张晖，杨志懋，丁秉钧：“真空感应熔炼法制备CuCr25合金”，高压电器，第37期，第2卷，第14页)相同的真空感应熔炼步骤制备Sm₂Co₁₇合金铸锭，将合金铸锭进行4次重熔处理；

2)将Sm₂Co₁₇合金铸锭破碎、研磨成小于500μm的粉末颗粒，将此粉末颗粒按照球料质量比为12∶1的比例装入球磨罐中，球磨15小时得到完全非晶态的合金粉末；

3)将非晶态合金粉末在氩气保护下装入硬质合金模具并冷压成型，送入放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，采用如下工艺参数：终态烧结温度为750℃，升温速率为80℃/min，烧结压力为400MPa，达到终态烧结温度后不保温而冷却到室温，得到致密度为99.5％的单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料。

Claims (1)

1、一种单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将块状的金属Sm和Co按23.1％∶76.9％的质量比进行混合，使Co原料包裹在Sm原料周围，真空感应熔炼制备Sm₂Co₁₇合金铸锭，将合金铸锭进行2～4次重熔处理；

2)将重熔处理后的Sm₂Co₁₇合金铸锭破碎、研磨成小于500μm的粉末颗粒，再将粉末颗粒按球料质量比10～20∶1装入球磨罐中，球磨10～20小时得到完全非晶态的合金粉末；

3)将非晶态的合金粉末在氩气保护下装入硬质合金模具并冷压成型，送入放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，烧结工艺参数为：终态烧结温度为700～800℃，升温速率为50～100℃/min，烧结压力为300～500MPa，达到终态烧结温度后不保温而冷却到室温，得到单相Sm₂Co₁₇纳米晶块体材料。

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