简介概要

Mg粉和Zn粉烧结形成金属间化合物的研究

来源期刊：稀有金属2006年增刊第2期

论文作者：李世春宋玉强

关键词：Mg-Zn; 烧结; 扩散; 金属间化合物; TFDC电子理论;

摘要：采用粉末烧结的方法制备Mg-Zn烧结体,利用光学和电子显微镜观察了Mg粉和Zn粉扩散反应区域的形貌,X射线衍射和能谱技术分析了该扩散反应区域的相组成;依据TFDC电子理论对扩散反应区域中金属间化合物的形成机制进行了讨论.研究发现,Mg粉和Zn粉在200 ℃,30 h的烧结过程中,Zn原子不断扩散进入到Mg晶体中,在Mg粉和Zn粉颗粒界面处,先后依次形成MgZn,MgZn2和Mg7Zn3 3种金属间化合物.

稀有金属 2006,(S1),12-15 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.004

Mg粉和Zn粉烧结形成金属间化合物的研究

李世春

中国石油大学(华东)机电学院材料系,中国石油大学(华东)机电学院材料系山东东营257061,山东东营257061

摘要：

采用粉末烧结的方法制备Mg-Zn烧结体, 利用光学和电子显微镜观察了Mg粉和Zn粉扩散反应区域的形貌, X射线衍射和能谱技术分析了该扩散反应区域的相组成;依据TFDC电子理论对扩散反应区域中金属间化合物的形成机制进行了讨论。研究发现, Mg粉和Zn粉在200℃, 30 h的烧结过程中, Zn原子不断扩散进入到Mg晶体中, 在Mg粉和Zn粉颗粒界面处, 先后依次形成MgZn, MgZn2和Mg7Zn33种金属间化合物。

关键词：

Mg-Zn;烧结;扩散;金属间化合物;TFDC电子理论;

中图分类号： TF124.5

收稿日期：2006-06-20

基金：国家自然科学基金资助项目 (50371059);

Studies on Intermetallic Compounds Formed by Mg Powder and Zn Powder Sintering

Abstract：

The samples of Mg-Zn were prepared through powder sintering method.The microstructure and phases of reaction diffusion zone in the system of Mg-Zn were studied with OM, SEM, AES and X-ray diffraction.The mechanism of intermetallic compounds formed was discussed by means of Thomas-Fermi-Dirac-Cheng model.The study discovers that Zn atoms may diffuse continuously into Mg particles because the adhesive energy of Mg crystal is larger than that of Zn crystal, and MgZn, MgZn2 and Mg7Zn3 are formed one by one on the interface of Mg powder and Zn powder during sintering on given sinter condition (200 ℃, 30 h) .

Keyword：

Mg-Zn;sinter;powder metallurgy;intermetallic compound;Thomas-Fermi-Dirac-Cheng model;

Received： 2006-06-20

Mg合金是最轻的金属结构材料、具有高的比强度、比刚度、优良的阻尼性能以及电磁屏蔽等优异性能。近年来, Mg合金在汽车、航空航天、电子工业的应用方面获得了迅速的发展, 而且具有广阔的发展前景 ^[1,2,3,4,5] 。潘复生 ^[6] 在阐述变形Mg合金研究最新进展及应用前景的文献中指出, Mg合金在合金相方面的研究才刚刚起步; 目前, 有关Mg合金中合金相形成规律及控制方面的研究远没有铝合金、钢铁等金属材料等金属材料成熟。迄今, 利用粉末冶金法制备Mg基合金的研究已有报道, 而有关Mg粉和Zn粉烧结形成Mg-Zn金属间化合物的研究尚未见报导 ^[4,7,8,9,10] 。本文在不同条件下烧结Mg粉和Zn粉, 研究Mg-Zn金属间化合物的形成, 依据TFDC电子理论对形成机制进行讨论, 该项研究对于在电子层次上研究Mg-Zn金属间化合物的形成规律具有一定的探索意义。

1 实验

实验用粒度为50～60 μm, 纯度均为99.5%左右的Mg和Zn粉末。试样制备工艺流程为: 混料→100 kN一次冷压→二次温压 (300 kN, 100 ℃) →冷却→200 ℃烧结30 h→冷却→烧结体。样品尺寸为Φ 16×4 mm。在WE-30B液压式万能实验机上用自制模具压制, 在SX₂10-12箱式电阻炉中烧结。烧结温度依据Mg-Zn相图 ^[11] 选定。对烧结得到的试样, 用光学和JSM-5410LV型扫描电子显微镜进行表面微观形貌观察和分析, X射线衍射法和能谱技术分析试样的相组成。

2 结果与讨论

Mg和Zn粉末经过混料后, 两种粉末颗粒基本上呈弥散分布; 混合粉末再经过压制, 颗粒发生变形, 大多数颗粒的形状变为“平板状”, 此时, 两种粉末颗粒接触界面增加, 出现大量的Mg/Zn界面。 “平板状”粉末颗粒压坯再经过烧结, 压坯中的孔洞减少、聚集和圆化, 两种粉末颗粒的接触界面进一步增加; 而且两种粉末颗粒之间开始发生扩散。 Mg-Zn压坯经过200 ℃, 30 h的烧结后, 烧结体的光学显微组织如图1 (a) 所示, 在光学显微镜中, 没有观察到明显的扩散反应区域。利用扫描电子显微镜观察烧结体的微观形貌 (图1 (b) ) , 发现烧结体中, 两种粉末颗粒的接触界面处存在一条“亮带”, 如图1 (b) 中“箭头”所示; 这条“亮带”存在于两种粉末颗粒的接触界面处, 形状依赖于粉末颗粒外形, 是Mg/Zn颗粒由于发生扩散而形成的扩散反应区域。

按照是否有相变的发生, 可以将扩散区分为单相扩散和多相扩散; 多相扩散又可称为相变扩散或反应扩散。反应扩散包括两个过程, 一个是扩散过程; 另一个是相界面上达到一定浓度即发生相变的反应过程。 Mg/Zn颗粒之间的扩散属于多相扩散, 因此扩散过程中伴有相变的发生, 两种粉末颗粒经过反应扩散后, 形成了扩散区域, 扩散区域中存在的物质是两种粉末反应扩散的产物。通过X射线衍射分析, Mg/Zn烧结体中有MgZn, MgZn₂和Mg₇Zn₃ 3种金属间化合物产生, X射线衍射图谱见图2。为了进一步确定Mg/Zn烧结后形成的金属间化合物的位置, 对反应扩散区域进行成分分析, 能谱分析谱图见图3, 能谱分析数据为Mg (18.68%) 和Zn (70.88%) , 其余是氧。能谱分析结果说明, 粉末二组元接触界面处的扩散区域仍是由两种粉末元素形成的。 Mg/Zn所形成的各种金属间化合物存在于扩散区域中。

图1 烧结体显微组织

Fig.1 Micrograph of lump sintered

(a) OM; (b) SEM

文献 [ 12] 在建立“Zn-Al共晶合金超塑变形中相界面滑移的扩散-溶解层模型”的过程中将图1 (b) 所示的扩散反应区域称为“扩散溶解层”, 并用TFDC电子理论研究了Zn-Al扩散溶解层的特征。文献 [ 13] 在论述TFDC模型的过程中指出了材料接触界面要求满足的边界条件首先是电子密度要连续、其次是化学势要连续。李世春 ^[14] 在研究Zn-Al共晶合金的超塑性以及具有超塑性的Zn-Al共晶合金的相界面的过程中, 除发现了Zn-5Al合金超塑性的量子效应以外, 提出了“二原子模型”。 “二原子模型”将二组元 (相) 之间的界面接触简化为两个原子之间的接触, 进而可以利用TFDC电子理论处理界面问题。相界面处所发生的扩散反应实际上就是原子间的相互作用。因此, 针对Mg/Zn界面所发生的扩散反应可以利用“二原子模型”和TFDC电子理论的边界条件进行分析。

图2 烧结体的X射线衍射图谱

Fig.2 XRD spectra of lump sintered

图3 烧结体反应扩散区域的能谱分析谱图

Fig.3 AES analyse chart of reaction diffusion zone

利用“二原子模型”, 作者将Mg粉和Zn粉的接触简化为一个Mg原子和一个Zn原子的接触。 TFDC模型的电子密度是用体密度表示的, 它采用Wigner-Seitz原子半径给出原子的电子密度。另外, 用TFDC电子理论的电子密度也可以表征元素的结合能 ^[15] 。表1是TFDC模型给出的Mg和Zn的电子密度、原子半径 ^[16] 。结合能采用文献 [ 14] 给出的数据。比较Mg和Zn的电子密度和原子半径数据, 文献 [ 17] 将这种大小关系称为正常配对。

表1 元素TFDC模型数据 下载原图

Table 1 Element data about Thomas-Fermi-Dirac-Cheng model

表1 元素TFDC模型数据

TFDC电子理论认为 ^[16] , 固体中原子的边界条件就是原子表面电子密度相等的条件, 电子密度相等就是量子力学波函数连续的条件。因此, 当Mg原子和Zn原子接触时, 在接触面 (相界面) 应该满足量子力学波函数连续的条件, 即电子密度相等。为满足电子密度相等的条件, 原子的半径必然发生变化。即: 电子密度大的元素, 原子半径要变大; 而电子密度小的元素, 原子半径则要变小。因此, Zn原子半径要变大、 Mg原子半径要变小, 进而导致Zn晶格膨胀、 Mg晶格收缩; 而且, 由于Zn的结合能小于Mg的, 这意味着Zn的晶体结构容易解体, Zn晶体解体以后, Zn原子就扩散进入到晶格收缩的Mg晶体中, 随着烧结保温时间的延长, Zn原子不断扩散进入Mg, 形成以Mg为溶剂的有限固溶体, 直到达到相应的溶解度或者过饱和为止。这时, 在这种过饱和的固溶体处将会首先形成了Zn浓度最高的MgZn₂; 当MgZn₂生长到一定量的时候, 将会形成Zn浓度次之的MgZn; 随着Zn原子不断扩散进入Mg, 最后形成Zn浓度最低的Mg₇Zn₃。因此, Mg-Zn扩散溶解层中金属间化合物的生成顺序为: Mg←Mg₇Zn₃ (30%Zn) ←MgZn (50%Zn) ←MgZn₂ (67%Zn) ←Zn。