第２７卷第２期２００６年４月
材料热处理学报
７ｎ认ＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＨＥＡＴＴＲＥＡＴＭＥＮＴ
Ｖ０１．２７Ｎｏ．２
Ａｐｒｉｌ２００６机械合金化制备铜碳过饱和固溶体
刘学然１’２，刘勇兵１’２，曹占义１…，冉旭１’３，郭秀艳３（１．吉林大学汽车材料教育部重点实验室，吉林长春１３００２５；
２．吉林大学材料科学与工程学院，吉林长春１３００２５；
３．长春工业大学材料科学与工程学院，吉林长春１３００１２）
摘要：采用机械合金化方法制备Ｃｕ．４ｗｔ％Ｃ过饱和固溶体，通过ＳＥＭ和ＸＲＤ分析研究了机械合金化中ｃｕ—ｃ复合粉末的形貌变化及碳在铜中的固溶度扩展问题。结果表明，机械合金化过程中ｃｕ粉和ｃ粉形成了层状复合粉末；随着球磨时间的增加，ｃ的衍射峰逐渐消失，ｃｕ的衍射峰逐渐宽化，并且位置发生偏移；球磨２４ｈ后，ｃ原子固溶到ｃｕ中，Ｃｕ的点阵常数达到０．３６２０ｎｍ，晶格膨胀了０．１５％。
关键词：机械合金化；Ｃｕ．Ｃ复合粉末；过饱和固溶体；固溶度；点阵常数
中图分类号：ＴＥｌ３３３文献标识码：Ａ文章编号：１００９—６２６４（２００６）０２．００３１－０３
机械合金化（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏｙｉｎｇ，ＭＡ）是一种非平衡态下的粉末固态合金化方法，其合金化过程中的热力学和动力学有别于常规的固态反应过程，可以制备出各种过饱和固溶体。对于在平衡条件下固溶度很小或具有正混合热的互不固溶的体系，如ｃｕ．Ｃｒ…、ｃｕ—Ｎｂ№ｏ、ｃｕ—Ｆｅ¨１、ｃｕ．ｗ¨ｏ等，通过机械合金化形成的过饱和固溶体，其固溶度值比平衡值提高几十甚至上百倍。由二元平衡相图可知，碳在固态铜中的固溶度几乎为零，即使在２３０００Ｃ时，溶解度也小于０．１ｗｔ％［５３。但Ｓａｊｉ№ｏ和Ｙａｍａｎｅ∽ｏ等人采用不同的球磨方法，在常温下制备出Ｃｕ（Ｃ）亚稳态过饱和固溶体，结果表明机械合金化方法使碳在铜中的固溶度得到扩展，分别为５．８８ｗｔ％和６．９５ｗｔ％。本实验的目的是使用ＭＡ方法制备Ｃｕ一４ｗｔ％Ｃ的过饱和固溶体，研究ＭＡ过程中复合粉末的形貌特征和晶体点阵常数的变化，并对过饱和固溶体的形成机制进行了探讨。
１实验材料及方法
原料为电解铜粉（纯度大于９９．５％、粒度３００目）和人造石墨粉（纯度大于９９．Ｏ％、粒度５００目），按Ｃｕ一４ｗｔ％Ｃ的比例混合粉末，使用自行研制的双罐多维摆动式高能球磨机进行机械合金化。球磨介质材料
收稿日期：２００５—０５．２７；修订日期：２００５—０９—０２
基金项目：国家教委博士点基金资助项目（２００３０１８３０６７）；吉林大学研究生创新基金（工学４０３０３５）
作者简介：刘学然（１９７９一），女，吉林大学材料学院博士研究生，从
事金属基复合材料研究，Ｔｅｌ：０４３１—５０９５８７４，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅ．１９ｄｅｇｅ＠１６３．
为ＧＣｒｌ５，直径为ｑ）９ｍｍ，球料比为４－１，球磨机转速４７０ｒ／ｍｉｎ。为防止氧化，球磨罐先抽真空，再充入氩气保护。球磨时间分别为８、１６、２４、３０ｈ。
使用ＪＳＭ．５６００ＬＶ型扫描电子显微镜对ｃｕ．ｃ复合粉末进行形貌分析，用Ｄ／ｍａｘ．２５００型ｘ射线衍射仪进行物相分析和点阵常数确定，采用Ｃｕ靶辐射，加速电压５０ｋＶ，电流２５０ｍＡ；选取ｃｕ（２２２）、（３３１）、（２２０）、（２００）晶面的衍射数据，用最小二乘法确定点阵常数。
２实验结果和分析
２．１ＭＡ铜碳复合粉末颗粒形貌特征
机械合金化是粉末颗粒经历变形、冷焊和破碎的动态过程，在该过程中，粉末的尺寸和形态将不断发生变化。图１所示为Ｃｕ．Ｃ粉末经不同时间球磨后的粉末颗粒形貌图。图１（ａ）和图ｌ（ｂ）所示分别为原始ｃｕ粉和Ｃ粉的形貌图，原始电解铜粉呈树枝状，人造石墨粉呈不规则形状，球磨８ｈ后，ｃｕ粉和ｃ粉形成了扁平状的复合颗粒（图１（ｅ））。继续球磨，复合粉末不断受到磨球的碰撞、挤压，局部微应变增加，产生加工硬化，使粉末逐渐断裂细化，球磨至２４ｈ后，冷焊与断裂达到动态平衡，粉末粒度达到极限值（约２—４９ｍ，图１（ｄ））。进一步球磨至３０ｈ后，冷焊作用大于断裂作用，复合粉末相互冷焊在一起形成了大的颗粒（图１（ｅ））。
图２所示为ｃｕ．ｃ粉末在不同球磨时间的单颗粒
形貌图。由图２（ａ）可以看出，在机械合金化初始阶
万方数据
３２材料热处理学报第２７卷
图１Ｃｕ一４ｗｔ％Ｃ复合粉末球磨不同时间的颗粒形貌图（ａ）原始铜粉；（ｂ）原始碳粉；（ｅ）８ｈ；（ｄ）２４ｈ；（ｅ）３０ｈ
Ｆｉｇ．１ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＣｕ一４ｗｔ％Ｃｐｏｗｄｅｒｓｍｉｌｌｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ
（ａ）ｏｒｉｇｉｎａｌｃｏｐｐｅｒｐｏｗｄｅｒｓ；（ｂ）ｏｒｉｇｉｎａｌｇｒａｐｈｉｔｅｐｏｗｄｅｒｓ；（ｅ）８ｈ；（ｄ）２４ｈ；（ｅ）３０ｈ
段，由于ｃｕ的塑性非常大和冷焊作用强，导致ｃｕ粉和Ｃ粉形成了层片状的复合颗粒，这些复合颗粒实际上是由一些更小的粒子团聚而成。由图２（ｂ）可以看出，经过３０ｈ的机械合金化，Ｃｕ—Ｃ复合粉末成分和组织趋于均匀化。
图２Ｃｕ．４ｗｔ％Ｃ复合粉末球磨不同时间的
单颗粒的形貌图（ａ）８ｈ；（ｂ）３０ｈ
Ｆｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｔｈｅＣｕ?４ｗｔ％Ｃ
ｓｉｎｇｌｅｐａｒｔｉｃｌｅ，ｍｉｌｌｅｄｆｏｒａ）８ｈａｎｄ（ｂ）３０ｈ
２．２ＭＡ铜碳复合粉末的ＸＲＤ分析
图３所示为Ｃｕ．４ｗｔ％Ｃ混合粉末经不同时间球磨的ｘ射线衍射图谱。由图可见，球磨前原始混合粉末的ｘ射线衍射谱中有明显的Ｃｕ和ｃ的衍射峰谱线，随着球磨时间的延长，ｃｕ的衍射峰逐渐宽化而强度逐渐减弱。球磨８ｈ后，ｃ的衍射峰已变得十分微弱，Ｃｕ的衍射峰由于晶粒细化和内应力的增加而宽化，同时衍射峰的位置向低角区移动，晶面间距增大，表明点阵常数变大，衍射峰的移动与ｃｕ中Ｃ的固溶度增加有关＂１；球磨２４ｈ后，Ｃ的衍射峰谱线消失，表明ｃ已固溶于Ｃｕ中，形成了面心立方结构的ｃｕ（ｃ）过饱和固溶体；球磨３０ｈ后，ｃｕ衍射峰的位置向高角区微移，并且有微弱的ｃ的衍射峰谱线出现，Ｂｅｎｊａｍｉｎ等人。８１认为在球磨期间粉末局部温度可达５０００Ｃ以上，所以当球与球碰撞的局部温升超过Ｃ在ｃｕ中的固溶温度时，ｃ原子从ｃｕ中脱溶析出。
图３Ｃｕ一４ｗｔ％Ｃ混合粉末经不同时问
球磨的ｘ射线衍射图谱
Ｆｉｇ．３ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＣｕ一４ｗｔ％Ｃｐｏｗｄｅｒｓ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙａｌｌｏｙｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｔｉｍｅ 万方数据
万方数据
机械合金化制备铜碳过饱和固溶体
作者：刘学然， 刘勇兵， 曹占义， 冉旭， 郭秀艳， LIU Xue-ran， LIU Yong-bing， CAO Zhan-yi， RAN Xu， GUO Xiu-yan
作者单位：刘学然,刘勇兵,曹占义,LIU Xue-ran,LIU Yong-bing,CAO Zhan-yi(吉林大学汽车材料教育部重点实验室,吉林,长春,130025;吉林大学材料科学与工程学院,吉林,长春,130025)， 冉
旭,RAN Xu(吉林大学汽车材料教育部重点实验室,吉林,长春,130025;长春工业大学材料科学
与工程学院,吉林,长春,130012)， 郭秀艳,GUO Xiu-yan(长春工业大学材料科学与工程学院
,吉林,长春,130012)
刊名：
材料热处理学报
英文刊名：TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
年，卷(期)：2006,27(2)
被引用次数：1次
参考文献(12条)
1.Gerasimov K B;Mytnichenko S V;Pavlov S V Microstructure of the products of mechanical alloying in the Cu-Cr system 1996(1-3)
2.Botcharova E;Heilmaier M;Freudenberger J Supersaturated solution of niobium in copper by mechanical alloying 2003(1-2)
3.Zhu M;Li B L;Gao Y Microstructure characteristics of nanophase composite synthesized by mechanical alloying of immiscible Pb-Al and Fe-Cu systems 1997(04)
4.张代东;范爱玲MA过程中W-Cu系纳米粉末的X射线相分析[期刊论文]-铸造设备研究 2001(06)
5.虞觉奇;易文质;陈邦迪;陈宏鉴二元合金状态图集 1987
6.Saji S;Tadokura T;Anada H Solid solubility of carbon in copper during mechanical alloying[外文期刊] 1998(39)
7.Yamane T;Okubo H;Oki N Impact consolidation of mixed copper and carbon powders mechanically
alloyed[外文期刊] 2001(01)
8.Benjamin J S Fundamentals of mechanical alloying 1992
9.Zhang B Q;Lu L;Lai M O Evolution of vacancy densities in powder particles during mechanical
milling[外文期刊] 2003(1/4)
10.林栋梁晶体缺陷 1996
11.吴年强;李志章机械合金化的机制 1997(06)
12.Lopez G A;Mittemeijer E J The solubility of C in solid Cu[外文期刊] 2004(01)
本文读者也读过(10条)
1.王德宝.吴玉程.王文芳.宗跃机械合金化制备Cu-C纳米晶复合粉末[会议论文]-2007
2.马国金.郭秀艳.MA Guo-jin.GUO Xiu-yan碳/铜复合粉末的制备[期刊论文]-有色金属加工2008,37(6)
3.冉旭.刘勇兵.安健.RAN Xu.LIU Yong-bing.AN Jian放电等离子快速烧结C/Cu复合材料的组织和摩擦磨损特性研究[期刊论文]-摩擦学学报2007,27(1)
4.郭秀艳.周振华.GUO Xiu-yan.ZHOU Zhen-hua高能球磨碳/铜复合粉末的致密化工艺研究[期刊论文]-汽车工艺与材料2005(12)
5.刘学然.刘勇兵.曹占义.冉旭铜碳复合材料的组织及磨损性能的研究[会议论文]-2006
6.项忠霞.滕启.张旭.林孟霞C/Cu复合材料磨损特性研究[期刊论文]-材料工程2003(z1)
7.王德宝.吴玉程.王文芳.宗跃.WANG De-bao.WU Yu-cheng.WANG Wen-fang.ZONG Yue机械合金化制备Cu-C纳米晶
复合粉末[期刊论文]-武汉理工大学学报2007,29(10)
8.郭秀艳.周振华.冉旭.GUO Xiu-yan.ZHOU Zhen-hua.RAN Xu高能球磨制备铜/碳复合粉末及其静压固化[期刊论文]-机械工程材料2006,30(6)
9.于杰钛基复合材料中硅化物析出相研究[学位论文]2004
10.冉旭.刘勇兵.包晓军.耿素梅.RAN Xu.LIU Yong-bing.BAO Xiao-jun.GENG Su-mei石墨对C/Cu复合材料微观组织及摩擦磨损性能的影响[期刊论文]-材料热处理学报2007,28(2)
引证文献(1条)
1.王德宝.吴玉程.王文芳.宗跃机械合金化制备Cu-C纳米晶复合粉末[期刊论文]-武汉理工大学学报 2007(10)
引用本文格式：刘学然.刘勇兵.曹占义.冉旭.郭秀艳.LIU Xue-ran.LIU Yong-bing.CAO Zhan-yi.RAN Xu.GUO Xiu-yan机械合金化制备铜碳过饱和固溶体[期刊论文]-材料热处理学报 2006(2)