SiC粒子表面金屬鍍、機械包覆混料對SiCp-Fe復合材料性能影響的研究.pdf

1、顆粒增強鐵基復合材料，因具有高強度、高硬度、高剛度以及優(yōu)良的耐磨性得到廣泛的關(guān)注，在高溫、高速和磨損等工作環(huán)境中已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的應用前景。本文采用化學鍍的方法分別制備了鍍鎳和鍍銅的SiC粒子，研究了實現(xiàn)SiC粒子表面均勻金屬鍍的最佳工藝;然后用這些鍍后粒子作為增強體通過電流直加熱動態(tài)熱壓燒結(jié)工藝制備SiCp/Fe復合材料，研究了金屬鍍對復合材料力學性能的影響。針對SiC顆粒高體積分數(shù)易于在SiCp/Fe復合材料中團聚的問題，提出了通過包

2、覆混料工藝來改善增強粒子分散性的方法;并研究包覆混料與金屬鍍結(jié)合工藝對不同含量、不同尺寸以及混合尺寸的SiC顆粒增強鐵基復合材料性能的影響。
　　本文采用傳統(tǒng)化學鍍鎳工藝對SiC粒子表面進行鍍鎳工藝的研究，考察了化學鍍鎳處理對體積含量為10％和15％，尺寸為21μm、45μm和85μm的SiC顆粒增強鐵基復合材料性能的影響。實驗結(jié)果表明:當溫度為91℃～93℃和pH值為4.6～5.0時，鎳鹽量與還原劑（次亞磷酸鈉）量為1∶3，鎳鹽

3、接近100％還原，所以通過控制鎳鹽加入量可實現(xiàn)對鍍層厚度的控制。SiC表面鍍鎳后，粒度為45μm，體積分數(shù)為10％時，復合材料的抗拉強度提高最大可達22.9％。同時鍍鎳對延伸率也有顯著提高，SiC粒度為21μm，體積分數(shù)為15％時，延伸率提高最大可達30.0％。
　　進一步研究了SiC粒子表面化學鍍銅工藝以及鍍銅后對SiCp/Fe復合材料力學性能的影響，其中SiC體積含量為10％和20％，粒子尺寸均為21μm。結(jié)果表明:采用次亞磷

4、酸鈉作為還原劑時，加入的銅鹽與還原劑的摩爾比為1∶4，而甲醛作為還原劑時，摩爾比為1∶2，對應的銅鹽接近100％還原，此時溫度為65℃，pH值為9.0～11.0。研究發(fā)現(xiàn)次亞磷酸鈉比甲醛作還原劑得到的SiC具有更好的表面鍍層，但是加入的摩爾量為甲醛的2倍。同時采用檸檬酸鈉與DL-蘋果酸混合作為絡合劑，且摩爾比為2∶1時，SiC粒子表面鍍層更光滑，覆蓋性更好。當SiC體積分數(shù)為20％時，鍍銅對SiCp/Fe復合材料抗拉強度的提高最大可達1

5、2.6％，此時對延伸率的提高為18.1％;而相應的鍍鎳處理對抗拉強度的提高為17.3％，延伸率為11.5％。綜合比較鍍銅與鍍鎳的SiCp/Fe復合材料的性能后，發(fā)現(xiàn)鍍銅處理對復合材料抗拉強度的提高也能達到與鍍鎳相同的效果，而且對延伸率的提高效果更好。這是由于鍍銅對粒子的覆蓋性更好，減少孔洞等缺陷的形成作用更顯著，所以對塑性改善作用更好。因此可以用鍍銅處理取代傳統(tǒng)且成本較高的鍍鎳處理，來提高SiCp/Fe復合材料的性能。
　　研究了

6、制備SiCp/Fe復合材料的最佳包覆混料工藝及該工藝下鍍銅對其力學性能的影響。結(jié)果表明:當球料比為3∶1，轉(zhuǎn)速為200r/min，混料時間為3h時，鐵粉對SiC粒子的包覆效果最佳。包覆混料工藝相比于普通混料，對體積分數(shù)為30％，粒度為21μm的未鍍銅SiC顆粒增強的鐵基復合材料，其抗拉強度提高了19.7％，延伸率提高了37.9％;而對鍍銅的顆粒增強鐵基復合材料，其抗拉強度也可提高7.2％，延伸率提高3.8％。包覆混料工藝可以顯著改善Si

7、C粒子在基體中分散的均勻性，而鍍銅的作用則是顯著消除界面缺陷;性能的改善是包覆混料工藝改善粒子分散性和鍍銅改善界面結(jié)合的綜合結(jié)果。對體積分數(shù)為30％的SiCp/Fe復合材料的抗拉強度，通過包覆工藝改善分散均勻性的貢獻可提高7.2％，通過鍍銅工藝消除界面缺陷的貢獻可提高12.5％，因此減少界面缺陷對顆粒增強復合材料力學性能的提高更具有重要意義。
　　進一步研究了SiC粒子含量和粒度對采用包覆混料結(jié)合鍍銅工藝制備的SiCp/Fe復合材

8、料的力學性能影響。當SiC粒子標稱尺寸為21μm，體積含量從5％、10％、15％增加到20％，復合材料的抗拉強度、致密度、硬度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而延伸率呈現(xiàn)逐漸下降的規(guī)律。同時粒子鍍銅對復合材料的性能改善作用隨著含量的增加愈加顯著。當SiC粒子體積分數(shù)為20％，尺寸從3.5μm、10μm、21μm增大到45μm時，SiCp/Fe復合材料的抗拉強度、延伸率、致密度和硬度都呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。同時鍍銅對粒子尺寸小的復合材料的抗拉

9、強度和延伸率改善效果更顯著，而對致密度和硬度影響不大。顯微組織觀察表明:隨著SiC含量增加或尺寸減小時，界面缺陷越多，而化學鍍對于減少界面缺陷的作用也愈加顯著，同時也阻止了SiC粒子之間的直接接觸，從而提高了復合材料的性能。本研究還探討了增強粒子混合尺寸對鍍銅SiCp/Fe復合材料性能的影響。實驗結(jié)果表明:體積分數(shù)為30％，等量混合10μm和21μm表面鍍銅的SiC粒子增強復合材料的性能均好于單一尺寸粒子增強的復合材料，其抗拉強度相對于

10、單一尺寸10μm和21μm顆粒增強的復合材料分別提高了4.9％和5.6％，延伸率分別提高11.9％和19.0％。另外，在相同摩擦磨損條件下，當SiC體積分數(shù)為20％時，等量混合21μm和45μm的SiCp/Fe復合材料磨損量為1.6mg，而單一尺寸21μm和45μm的磨損量分別為6.3mg和5.1mg。顯微組織分析表明:混合尺寸顆粒增強的復合材料中，小尺寸顆粒能有效地提高基體的強度，而大尺寸顆粒更有效地承擔載荷傳遞的作用，綜合效應的發(fā)揮