变频调速控制机械合金化Cu50Ni30C20性能分析

穆海芳 李 明

(宿州学院机械与电子工程学院 安徽宿州 234000)

机械合金化(mechanical alloying，MA)是在固态下实现合金化，不经过气相和液相，某些物质的合金化以及合成新物质难以用传统的熔炼工艺实现，而使用MA技术则可以实现[1-2]。 MA技术最初用于固-固反应，之后不断发展延伸至固-气反应、固-液反应。 热压烧结是在热压炉中把粉体材料烧结成块体材料的一种技术[3]。机械合金化所用设备是球磨机，球磨机效率是指在一定时间内实现被球磨粉体合金化，使合金材料的性能最优化。 球磨机的球磨效率与球料比、球磨时间、球磨速率有直接关系，在球料比固定的条件下，球磨效率只与球磨时间和速率有关，球磨时间相对容易可控，球磨速率控制比较灵活。 因此研究球磨机的最佳调速方式，可以进一步提高球磨效率，实现合金材料的最优化。 Cu基合金与常见的Fe基合金，Al基合金相比具有更高的强度，更好的塑性，较大的非晶形成能力，良好的机械性能，因此对于Cu基合金形成的研究具有重要的意义。 文章利用机械合金化工艺，采用变频调速方法，制备了Cu-Ni-C体系的非晶态合金粉末，利用热压烧结工艺制备块体材料，研究了材料的性能。

1 调速方法

球磨转速是机械合金化工艺过程中的一个重要的工艺参数，它决定了单位时间内球磨机对合金原料的输出能量，影响合金原料机械合金化的过程。 通常在球磨转速和时间到达某一值之前，球磨效率与转速和时间成正比例关系[4-6]，当超过这一值时，球磨效率就不再提高了，反而有可能会下降。原因是球磨转速在一定的条件下，随着球磨时间的增加，分体达到纳米级附着在磨球表面，阻碍了磨球和粉体的直接接触，进而降低了球磨效率。利用磨球加速度产生的反作用力使得粉体颗粒脱离磨球表面，可以进一步提高球磨效率。

以三相异步电动机驱动的球磨机为例，采用变频调速的方法改变球磨速度[7-8]，其频率特性曲线如图1所示，频率f1、f2呈周期性变化，即f1-f2-f1，对应的速度曲线如图2。由频率曲线图可以看出，频率f1是球磨机稳定在某一转速所在的频率，在t1时间段内，球磨机工作在频率f1，过了t1时刻，频率逐渐从f1提高到f2，并保持在f2一直到t2时刻，过了t2时刻后再逐渐降低到f1，如此循环。 速度曲线就类似于正弦函数曲线，见图2。

图1 频率曲线

图2 速度曲线

2 实验原理及分析

2.1 实验原理

选取球形粒子状的金属粉体，粒子小于100μm，纯度为99%，先用砂纸打磨去掉氧化皮，按照名义成分Cu50Ni30C20(原子分数)在电子秤(FA1004型)上进行精确称量配制30g(精确到0.001g)；然后在超声波清洗器(KQ-50B)上用酒精清洗配制好的合金原料，在QM-1SP2型行星式高能球磨机上进行球磨，选用不锈钢球磨罐，不锈钢磨球的直径为20mm，球磨过程中充入高纯氩气作为保护气体，使用无水乙醇作为过程控制剂。 用对比实验分析结果，参数如表1。

表1 机械合金化的工艺参数

将球磨制备的合金粉末放入硬质合金压力模具中，首先在冷力机400MPa的压强下保压6min制成粗坯，然后在真空度1×10-2Pa，650℃的真空热压炉中烧结1h制得长方体块体试样尺寸40mm×7mm×8mm，在压缩速度2mm/min控制下对其进行压缩力学实验。

2.2 结果分析

使用Rise-2002激光粒度仪对合金粉末进行粒度测试，图3所示的是随着球磨时间的增加，在不同球磨速度控制的条件下，粉末粒度的变化情况。 Cu50Ni30C20粉末的初始平均粒度D50为20μm，由图可以看出，当速度=300r/min时，粉末粒度减小的幅度最慢，在10h时刻得到最小值，而后继续球磨，粉末粒度增大。当速度=500r/min时，粉末粒度减小的幅度最快，在8h时刻得到最小值，同样继续球磨的话，粉末粒度会增大。说明球磨转速越快，粉末粒度大小变化的也越快，球磨转速可以加快粉末粒度变化的过程，但不能决定粉末粒度的大小，过了一定的时间后，粉末粒度将不再减小，反而会增大。变频调速时，在f1频率，粉末粒度减小幅度在速度300r/min与速度500r/min之间，经过一段时间变成f2频率，而后又恢复f1频率，球磨时间10h后，粉末粒度仍有进一步减小的趋势，获得的粉末粒度尺寸比速度300r/min与速度500r/min获得的尺寸都要小，说明变频调速控制的球磨过程不会加快粉末粒度的变化过程，但是会获得更小的粉末粒度。

图3 粉末粒度变化情况

压缩力学性能反映了合金的抗压强度(σb)、屈服强度(σs)和压缩率(ε)，力学性能与加工工艺、合金成分、微观组织、粉末粒度大小有关，Cu50Ni30C20非晶合金经过不同球磨转速的机械合金化工艺获得的力学性能不同。采用Instron5 500型万能材料实验机，测试块体材料的压缩力学性能，将抗压强度与球磨时间的关系做成折线图，如图4所示。

图4 抗压强度变化情况

由图4可以看出，当速度=300r/min时，球磨时间10h时测量得到的抗压强度最大，而后继续球磨，抗压强度逐渐减小。原因是在球磨10h时获得的粉末粒度最小，此时经冷压烧结制得的块体材料的抗压强度也就最大。10h后继续球磨，粉末粒度会逐渐增大，因此再制得块体材料的抗压强度就逐渐减小。同样道理，当转速=500r/min时，在球磨时间8h时刻测量得到的抗压强度最大，而后继续球磨，抗压强度逐渐减小。 总体上看，恒速500r/min要比恒速300r/min控制制备的块体材料可以获得更大的抗压强度。这表明增大球磨速度在一定时间内可以提高抗压强度，但在不变的速度下，抗压强度在一定时间内会达到一个临界值。 变频调速控制下，球磨机在10h时刻仍然没有获得抗压强度的最大值，此后继续球磨，抗压强度将继续增强。 说明变频调速控制的球磨过程要比恒定转速的球磨过程制备的块体材料的抗压强度更大，Cu50Ni30C20非晶合金的力学性能进一步增强。

3 结束语

文章首先采用机械合金化工艺，使用高纯度原料制备Cu50Ni30C20非晶合金粉末，再采用冷压烧结工艺制成合金材料。 利用变频调速的方法控制球磨机的转动，与常规的球磨机恒速转动相比，变频调速控制球磨过程获得的粉末粒度更小，需要较长的时间。恒速控制的球磨过程，在粉末粒度到达最小值后球磨机继续转动，粉末粒度还有逐渐增大的趋势。对材料力学性能影响的实验表明：变频调速控制球磨机得到的合金试样抗压强度、屈服强度、压缩率都有显著的提高，改善材料性能的同时也需要花费更多的球磨时间。如果对时间不限制的话，采用变频调速的方法可以显著提高合金粉末及试样的性能，如果时间有限制，那么就要根据具体的时间要求，综合考虑选择变频调速还是相应的恒定速度值。