摘要：本文研究了納米Ni粉對(duì)Cu粉末燒結(jié)性能的影響。研究表明：由于添加1% 納米Ni粉中的NiO未被完全還原，而且納米Ni粉本身還有被CuO氧化成NiO的可能，因而納米Ni粉在Cu粉末燒結(jié)過程中未能起到活化燒結(jié)的作用。添加1%納米Ni粉后降低了Cu粉末燒結(jié)性能。
　　
　　關(guān)鍵字：納米Ni粉；微米級(jí)Cu粉；粉末冶金；燒結(jié)
　　
　　納米材料，特別是金屬納米材料，由于它具有不同于同成分普通材料的奇異特性[1]，因而自誕生以來所取得的巨大成就和其對(duì)科學(xué)及社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。目前，納米粉體材料應(yīng)用最廣、效果最為顯著的領(lǐng)域之一是將納米粉體材料通過表面改性，均勻地分散到各種材料基體中去，以全面改善原有材料的各種性能及制備工藝[2]。近年來，有不少學(xué)者對(duì)納米材料在粉末冶金燒結(jié)中的活化作用做了大量的研究工作，如有人曾在微米級(jí)鎢粉中加入0.1%～0.5%的超細(xì)金屬粉，使W的燒結(jié)溫度從3000℃ 降到1200～1300℃，顯著加速了燒結(jié)過程[3]。然而，納米Ni粉對(duì)微米Cu粉的燒結(jié)過程是否也能起到促進(jìn)的作用，促進(jìn)的機(jī)理是什么，對(duì)于這些問題的研究在國內(nèi)外文獻(xiàn)中均未見報(bào)道。本文研究了納米Ni粉對(duì)粉末冶金常用的微米級(jí)Cu粉燒結(jié)性能的影響，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　
　　1 實(shí)驗(yàn)材料及方法
　　本實(shí)驗(yàn)選用的Cu粉顆粒尺寸為30～70μm，氫損測試結(jié)果0.13%； Ni粉顆粒尺寸為30～70nm，氫損測試結(jié)果2.51%；用液體石蠟作為壓制成型劑。納米Ni粉的分散采用化學(xué)分散與超聲波振蕩相結(jié)合的方法。使用KQ-250型多功能超聲波清洗器、XH-8808型三維混料機(jī)、以及自制小型混料設(shè)備進(jìn)行混料。使用WZSC-20 型真空熱處理爐進(jìn)行真空燒結(jié)。在HT-8812 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。使用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口分析。
　　由前面的氫損結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)中所使用的Cu粉以及納米Ni粉均存在氧化現(xiàn)象（可能原因：廠家為防止納米粉在空氣介質(zhì)中團(tuán)聚和繼續(xù)氧化而在生產(chǎn)過程中進(jìn)行了預(yù)氧化處理或在混料過程中出現(xiàn)氧化等），納米Ni粉表面有1～2 nm厚的NiO薄膜。因此，在燒結(jié)過程中，本實(shí)驗(yàn)使用H2作為還原氣氛。
　　為了更好的研究納米Ni粉對(duì)Cu燒結(jié)性能的影響，本實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行了純銅試樣的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，選定了純Cu的最佳燒結(jié)溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

　　本實(shí)驗(yàn)在添加1%納米Ni粉后選擇在純銅最好的燒結(jié)溫度850℃下進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)驗(yàn)擬定的燒結(jié)試驗(yàn)方案如表1所示。每組燒結(jié)5個(gè)試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取5個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　表2所示的是兩組試樣燒結(jié)以后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，添加納米Ni粉的試樣的致密度、斷裂延伸率和燒結(jié)強(qiáng)度均較純Cu試樣低。添加的納米Ni并沒有起到提高Cu基體的燒結(jié)質(zhì)量的目的。相反的，各項(xiàng)性能指標(biāo)均低于純Cu試樣的燒結(jié)結(jié)果。

　　圖2所示的為純Cu試樣經(jīng)850 ℃燒結(jié)1.5 h后的拉伸斷口掃描電鏡照片，圖3所示的為添加納米Ni粉試樣經(jīng)850 ℃燒結(jié)1.5 h后的拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖2和圖3中的燒結(jié)試樣斷口形貌特點(diǎn)可以看出，純Cu燒結(jié)試樣的斷口有較多的韌窩，呈明顯的韌性斷裂。而添加納米Ni粉的燒結(jié)試樣斷口中韌窩較少，一些Cu顆粒并沒有燒結(jié)在一起，有脆性斷裂傾向。

　　3、分析與討論
　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加納米Ni粉并沒有像文獻(xiàn)3所提到的在W中加入超細(xì)金屬粉一樣起到積極作用。分析原因后作者認(rèn)為：如果在實(shí)驗(yàn)過程中納米Ni并沒有以Ni的形式而是以NiO的形式參與燒結(jié)過程，由于NiO的熔點(diǎn)高達(dá)1500 ℃，在燒結(jié)過程中原子極難擴(kuò)散，因此納米Ni粉中的Ni原子不但不能擴(kuò)散進(jìn)Cu基體中形成固溶體起到活化燒結(jié)的作用，反而會(huì)聚集在純Cu顆粒表面，阻礙顆粒間的粘結(jié)和燒結(jié)頸的形成，阻礙燒結(jié)的進(jìn)程，造成燒結(jié)體強(qiáng)度的降低。所以，如果在實(shí)驗(yàn)過程中納米Ni被大量氧化為NiO，則可能起不到納米粉的活化燒結(jié)作用。
　　根據(jù)熱力學(xué)原理，分析△Z?－T圖[4]后我們可以得出以下規(guī)律：
　?、?2H2+O2=2H2O的△Z?－T關(guān)系線在4Cu+O2=2Cu2O的△Z?－T關(guān)系線及2Ni+O2=2NiO的△Z?－T關(guān)系線的下方，這說明在一定動(dòng)力學(xué)條件下H2可以還原Cu、Ni的氧化物。
　　⑵ 2Ni+O2=2NiO的△Z?－T關(guān)系線在4Cu+O2=2Cu2O的△Z?－T關(guān)系線下方，這說明在一定動(dòng)力學(xué)條件下Ni 可以還原Cu的氧化物。
　?、?分析△Z?－T圖可知，NiO與Cu2O同時(shí)存在時(shí)，H2將首先還原Cu2O，然后再還原NiO，即NiO的還原要難于Cu2O的還原。只有將CuO還原完全后，NiO才會(huì)被還原。并且有Ni存在時(shí)，Ni會(huì)還原Cu2O生成NiO。
　　本實(shí)驗(yàn)研究中，在Cu粉中加入的納米Ni粉只有1%。所以，在Cu粉中因含有Cu2O或CuO而存在的含氧量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ni粉中因含有NiO而存在的含氧量。并且，隨著H2還原Cu2O或CuO的進(jìn)行，被還原出的Cu又會(huì)彼此粘結(jié)，阻止了H2對(duì)試樣內(nèi)部的Cu2O、 CuO或NiO的還原作用。當(dāng)沒有H2進(jìn)入時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的提高，當(dāng)Ni還原Cu的氧化物的動(dòng)力學(xué)條件被滿足時(shí)，將會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：
　　Ni + Cu2O=NiO + 2Cu
　　本實(shí)驗(yàn)中的納米Ni粉添加量只有1%，且均勻的分布在Cu粉中，在燒結(jié)的后期納米Ni粉將有全部變成NiO的可能。NiO在試樣的燒結(jié)體中只能以夾雜物的形式存在，不能對(duì)試樣中的Cu粉起到活化燒結(jié)作用，也不能與Cu生成固熔體。因此，納米Ni粉的加入不但沒能提高燒結(jié)體的強(qiáng)度，反而使其強(qiáng)度降低。
　　
　　4、結(jié)論
　　(1)、添加1%納米Ni粉的Cu粉燒結(jié)試樣的抗拉強(qiáng)度、致密度、斷裂延伸率均低于純Cu粉燒結(jié)試樣。
　　(2)、由添加1% 納米Ni粉中的NiO未被還原，或者在燒結(jié)過程中納米Ni粉被再次氧化NiO，阻礙了燒結(jié)致密化，導(dǎo)致添加1% 納米Ni粉的Cu粉燒結(jié)試樣的燒結(jié)強(qiáng)度低于純Cu粉試樣的燒結(jié)強(qiáng)度。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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