小型高能球磨机的研制及应用

小型高能球磨机的研制及应用康志君1），贾成厂2），张先声1）1）北京有色金属研究总院粉末冶金研究所，北京，1000882）北京科技大学材料科学与工程学院北京，100083摘要：开发与制造了小型三维振动高能球磨机，并使用该设备进行了多种材料的研究。结果表明，该球磨机具有高的输出机械能密度。可望能够在开发新材料中发挥作用。关键词：高能球磨，设备机械合金化（机械活化）的当前粉末冶金领域的研究热点之一。而高能球磨则是开展机械合金化（机械活化）研究以及制备超细粉末的重要工艺方法。高效率的球磨机应该能够在较段的时间内向被球磨粉末输送较高的机械能量，使被磨的材料在较短是时间内实现机械合金化（机械活化）。甚至形成纳米晶或非晶材料，并减少材料的氧化。当前常用的高能球磨机有搅拌球磨机、行星式球磨机、振动式球磨机等多种，但在探索研究工作中，仍然希望能够进一步提高球磨机的输出机械能密度，同时还希望能够在完全相同的条件下，同时制备出多个样品。4在这种情况下，我们研制了一种小型球磨机，并使用球磨机开展了有关Cu/TiB2复合材料、含氮不锈钢、Ag/REO触头材料、等方面的研究。1.小型高能球磨机的结构特点球磨机的结构如图1和图2所示。图3是其实物。图1小型三维振动球磨机正视图1.马达，2.皮带轮组，3.吸振器，4.弹簧，5.磨体固定板，6.立轴7.磨罐，8.中心交叉套轴，9.轴承，10.扭摆体图2小型三维振动球磨机俯视图7.磨罐，10.扭摆体，11.弹簧拉力平衡系统图3小型三维振动球磨机实物马达1通过皮带轮组2带动轴6和扭摆轴8转动，并带动三个球磨罐7做上下、前后、左右的复合扭摆振动，振动频率为1000次/分，通过计算可以得到球磨罐在上下方向的最大振幅为46mm，在左右和前后的最大振幅为16mm。且三个罐的运动规律是完全相同的。另外，在磨体固定板5下设置有四个支撑弹簧4，高弹簧在马达和扭摆体的激烈运动及磨球的作用下，产生强烈的多方向振动，使磨求与被磨物料达到混合更均匀、破碎更微细、作用更强烈，从而达到迅速微细话或合金化的目的。由于扭摆10在高能球磨的过程中产生一定离心力和向旋转方向前进的惯性力，所以本机还设置有弹簧拉力平衡系统11，将磨机控制在规定的运动范围内。3为吸振器，能够防止或减少振动传递到地面。高能球磨机集强力摔动、冲击、研磨、及振动等高能动作于一体，使被磨物体具有普通球磨机根本无法达到的强力破碎作用及相互合金化作用。从而使被磨物料粉碎成纳米级超微粉或形成机械合金。现在市场上已经有的三维振动是卧式单罐，而本机是立式三罐，因此，在磨机性能基本相同的条件下，本机可提高效率2—4倍，同时还提供了在相同条件下做多试样比较（优化）试验的基础。本机的另一个大的优点是达到阿嚏感了使用过程中的安全性。2.小型三维振动球磨机的应用例2.1Cu/TiB2Cu是导电性好的金属材料，但作为电接点材料时，其高温性能与电接触性能往往不能满足要求。颗粒强化是增强Cu基复合材料机械性能与点接触性能的有力措施。但采用传统粉末冶金的方法一般难以达到高的密度，而且强化相颗粒一般与基体铜的润湿性不好；熔融铸造的方法难以使强化相颗粒分布均匀，所以使该类材料的开发与应用受到限制。采用本研究的机械活化工艺，对混合粉末进行了高能球磨。以期制备出具有致密组织、低电阻、优良的Cu基复合材料，为开发新型电接触材料打下基础。图4是Cu/TiB2原始粉末与经球磨2小时粉末的X射线衍射图谱。可以看出，虽然球磨时间很短，但Cu的衍射峰强度降低，宽度加大，说明起晶粒得到了明显的细化。（a）原始粉末（b）球磨2小时图4Cu/TiB2粉末的X射线衍射图谱图5是Cu/TiB2原始粉末与经球磨2小时粉末中CuTi的面分布。可以看出，其均匀性得到了明显的改善。（a）原始粉末（b）球磨2小时图5Cu/TiB2粉末2.2Fe-Cr-Ni为了开发新型的含氮不锈钢，将Fe-Cr-Ni混合粉末（粒度为-200目，按18-8不锈钢的成分配比，即Cr：18wt%，Ni：88wt%，其余Fe）在含氮的气氛下，用本研究似的设备进行了高能球磨。图6是Fe-Cr-Ni原始粉末与经球磨2小时粉末的SEM形貌。可以看出，采用本研究的设备，能够在很短的时间内使Fe基粉末迅速细化。球磨2小时，可以将粉末有原来的约70μm下降到15μm左右。（a）原始粉末（b）球磨2小时图6Fe-Cr-Ni粉末图7是Fe-Cr-Ni原始粉末与经球磨2小时粉末中Cr的面分布。可以看出，采用本设备，能够在短时间内使元素的分布达到十分均匀。在为以后的烧结与合金化打下了基础。（a）原始粉末（b）球磨2小时图7Fe-Cr-Ni粉末3.结束语本研究中开发与制造的小型三维振动高能球磨机，采用对称配置的三罐立式结构，在马达及扭摆的作用下，磨罐内的磨求产生强烈的摔动、冲击、研磨、及振动等动作，使被磨物料迅速破碎或合金化。使用该设备进行的研究表明，该球磨机具有高的输出机械能密度。可望能够在开发新材料中发挥作用。参考文献1.BenjaminJS.Dispersionstrenghenedsuperalloysbymechanicalalloying.Metall.Trans..1970，1(10):2943~2951.2.杨君友，张同俊.机械合金化研究的新进展.功能材料.1995,26(5):477~480.3.梅本富，吴炳尧.开发新型合金材料的新工艺——机械合金化.材料科学与工程.1992，10(2):1~74.BenjaminJS，GilmanPS.Mechanicalalloying.AnnualReviewofMaterialsScience.1983,13:279~3005.杨遇春.机械合金化应用开发的新进展.有色金属.1995,47(2):95~1036.梁国宪，王尔德.球磨条件对机械合金化粉末粒度的影响.粉末冶金技术.1993，11(1):28~32Abstract:Anewtypeofthree-dimensionalvibrationhighenergyballmillingmachinewasdeveloped.MaterialssuchasCu/TiB2andstainlesssteelwereresearchedbythisequipment.Theresultsshowthatthisballmillingmachinehashighoutputofenergydensity,andmayplayaimportantroleinthematerialsfield.Keywords:Highenergyballmilling,Equoipment