（材料学专业论文）动态热压烧结工艺制备SiCltpgtFe复合材料的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 动态热压烧结工艺制备s i c p f e 复合材料的研究 摘要 本文对常规热压烧结工艺与电流直加热热压烧结工艺制各s i c p f e 复合材料 进行了系统研究。在常规热压烧结工艺中从控制压力、感应电压、升温时间、保 温时间、s i c 体积百分含量五个方面进行了研究。在电流直加热热压烧结工艺中 通过控制升温时间、烧结时间、脉冲间隙和脉冲循环次数等工艺参数对此工艺进 行了较为具体深入的研究。之后，重点测试了材料的密度，布氏硬度，抗弯强度 和拉伸强度，并应用s e m 和e d s 等分析技术对部分样品的显微组织及断口形貌 进行了分析。 实验结果表明，在常规热压烧结工艺中，一定范围内，随压力的增加、初定 感应电压的降低，材料的力学性能有所上升。在压力为4 0 m p a 、初定感应电压为 3 9 0 v 条件下进行实验。最有利于材料性能的提高。在此实验条件下，当加热时间 3 5 0 s 、保温时间4 2 0 s 最适宜。若烧结时间短，则材料烧结不充分，烧结时间长， 很容易诱发s i c 。分解而发生界面反应，从而恶化界面结构及材料性能。在电流直 加热热压烧结工艺中，随直接升温时间的延长材料性能明显升高，当直接升温 1 9 0 s 后采用间隙为2 0 8 s 的脉冲电流烧结3 6 0 s 时，材料性能较好。在只采用脉冲 电流进行烧结时，随脉冲间隙的减小与循环次数的增加，材料性能提高，当脉冲 间隙为3 0 5 s 烧结时间1 1 0 0 s 时，材料性能较高。 研究结果表明，采用常规动态热压烧结工艺制备s i c p f e 复合材料，制备时 间较长，而且材料性能也不够理想，其中材料最优性能为密度6 9 8 8 9 c m 3 ，布氏 硬度1 4 7 h b ，抗弯强度6 1 4 4 m p a 。采用电流直加热热压烧结工艺制备s i c p f e 复 合材料，不仅烧结时间短而且材料性能也较高，其中材料最优性能为密度7 3 8 2 g e m 3 ，布氏硬度4 0 6h b ，抗弯强度1 5 3 3 m p a 。主要由于此工艺采用了模腔内嵌 绝缘陶瓷片的铁模具，电流直接通过样品进行瞬间高温通电烧结，材料在电流的 作用下通过自身电阻加热有利于塑性变形，坯体中空隙与疏松等缺陷得到较好的 焊合，颗粒牢牢地结合成致密的统一体，因而性能大大提高。 综合来看，采用电流直加热热压烧结工艺制备s i c p f e 复合材料能获得理想 的综合性能，且制件周期短，工艺简单，故此工艺是制备s i c f e 复合材料的有 效手段。 关键词：材料制各，铁基复合材料，动态热压烧结，力学性能，显微组织 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no f ad y n a m i ch o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s st o m a n u f a c t u r es i cp a r t i c l er e i n f o r c e di r o nm a t r i xc o m p o s i t e s a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s sa n das p e c i m e nc u r r e n th e a t i n gh o t p r e s ss i n t e r i n gp r o c e s sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi no r d e rt om a n u f a c t u r es i cp a r t i c l e r e i n f o r c e di r o nm a t r i xc o m p o s i t e s 。t h ec o n v e n t i o n a lh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s sw a s i n v e s t i g a t e df r o mf i v en e a r s ：p r e s s u r e ，v o l t a g e ，i n i t i a lh e a t i n gt i m e ，k e e p i n gt i m ea n d v o l u m ef r a c t i o no fs i c t h ec u r r e n th e a t i n gh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s sw a sf u r t h e r s t u d i e df r o mf o u rf a c t o r s ：i n i t i a lh e a t i n gt i m e ，k e e p i n gt i m e ，c u r r e n tp u l s ei n t e r v a la n d p u l s et i m e a n dt h e nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sd e n s i t y , b r i n e l lh a r d n e s s ，b e n t s t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hw e r em e a s u r e dt oe v a l u a t et h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r s t h em i c r o s t r u c t u r ea n df r a c t u r es u r f a c e so ft h es i c p f ec o m p o s i t e sw e r ea l s os t u d i e d u s i n gs e ma n d e d st e c h n o l o g i e s 协i n t e r p r e tt h et e s tr e s u l t s i t i ss h o w nt h a tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs i c p f ec o m p o s i t ei n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n gp r e s s u r eb u tw i t hd e c r e a s i n gv o l t a g ei nt h ec o n v e n t i o n a lh o tp r e s ss i n t e r i n g p r o c e s s i ti sf o u n dt h a tp r e s s u r e4 0 m p aa n dv o l t a g e3 9 0 vc a ny i e l d t h em o s t f a v o r a b l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s u n d e rt h ec o n d i t i o n ，t h eb e s ti n i t i a l h e a t i n g t i m ei s3 5 0 sw h e r e a st h ek e e p i n gt i m e4 2 0 ss h o w sb e s tr e s u l t s t h i si sb e c a u s e i ft h es i n t e r i n gk e e pt i m ei sn o ts u f f i c i e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sc a nn o t a c h i e v et h eb e s tv a l u e sb u ti ft h es i n t e r i n gt i m ei st o ol o n g e ri tw i l lc a u s ed e c o m p o s i t i o n o fs i c pa n dl e a dt oi n t e r f a c i a lr e a c t i o nt od e t e r m i n a t et h ep r o p e r t i e s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc o m p o s i t ei n c r e a s es i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n gt h ei n i t i a lh e a t i n gt i m ei n t h es p e c i m e nc u r r e n th e a t i n gh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s s i f t h et i m ei sc o n t r o l l e da s l 9 0 s a n dt h ec u r r e n tp u l s es i n t e r i n gt i m ei sc h o s e nt o3 6 0 s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e c o m p o s i t ec a nb ei m p m v e dv e r ym u c h 。m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ec a nb e f u r t h e rm o d i f i e dw i t hd e c r e a s i n gt h ep u l s ei n t e r v a la n dt h ep u l s er e c u r r i n gt i m e w h e n p u l s ei n t e r v a l i s3 t 0 5 sa n ds i n t e r i n gt i m ei s1 1 0 0 sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e c o m p o s i t ea r et h eb e s ta m o n gt h ea l lo t h e rs p e c i m e n s t h ei n v e s t i g a t i v er e s u l t ss h o wt h a tw h e ns i c p f ec o m p o s i t ei sp r e p a r e db y c o n v e n t i o n a lh o tp r e s s e ds i n t e r i n gp r o c e s s ，al o n gp r o c e s s i n gt i m e i sn e e d e da n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sa r en o tg o o de n o u g h t h eb e s tm e c h a n i c a l i l l - 东北大学硕士学位论文a b s ，r r a c t p r o p e r t i e sa c h i e v e ds of a ra r et h a td e n s i t yi s6 9 8 8 9 c m 3 ，b r i n e l lh a r d n e s si s1 4 7 h ba n d b e n ts t r e n g t hi s6 1 4 4 m p a h o w e v e r , i fs i c p f ee o m p o s i t ei sp r e p a r e db yt h es p e c i m e n c u r r e n t - h e a t i n gh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s st h ep r o c e s s i n gt i m ei ss h o r t e rb u tt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s a r em u c hb e t f e nt h eb e s tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa c h i e v e ds of a ra r et h a td e n s i t yi s7 3 8 2g c m 3 、b r i n e l lh a r d n e s si s4 0 6 h b a n d b e n ts t r e n g t hi s15 3 3 m p a t h em a i nc a u s e sa r et h a to w i n gt ou s i n gi n s u l a t i o nm o u l d ， s i c p f ec o m p o s i t ee a r lb ep r e p a r e db yi n s t a n t a n e o u sh j g ht e m p e r a t u r eg e n e r a t e db y e l e c t r i cc u r r e n t h e a t i n g i ti ss h o w nt h a tv e r yg o o dp r o p e r t i e so ft h es i c p f ec o m p o s i t e sc a nb ea c h i e v e d u s i n gt h en e ws p e c i m e nc u r r e n t - h e a t i n gh o tp r e s sp r o c e s sw i t h i nas h o r tt i m e t h e m e t h o di ss i m p l ea n ds h o w sg r e a tp o t e n t i a li nf u t u r et om a n u f a c t u r em e t a lm a t r i x c o m p o s i t e s k e yw o r d s ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n g ，i r o n b a s e dm e t a l m a t r i xc o m p o s i t e s ，d y n a m i ch o t p r e s ss i n t e r i n g ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r e i v - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 复合材料的分类 复合材料是应现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，它由两种 或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。各个组成材料在性能 上起协同作用，得到单一材料无法比拟的优越的综合性能，它已成为当代一种新 型的工程材料。复合材料分类有多种方法，现归纳如图t 1 所剥”。 ，按性能高低分，常用( 普通) 复合材料 f。先进复合材料r 热固性 l朦篓翥州嚣 i 按基体材料的种类分为 陶瓷基复合材料 i 石墨基复合材料( 碳碳复合材料) 【混凝土基复合材料 厂结构复合材料 1 按用途分为 功能复合材料 fl 智能复合材料 复合材料的分类( 1r 颗粒增强丁随机分布 o 择优分布 l 按增强材料的种类分为弋晶须增强 jl 删强r 鼢槲 蒜 i1 l 多层复合材料，层板复合 。混杂复合 i广零维( 颗粒状) 、按增强材料的形状分为j 一维( 纤维状) i 二维( 片状或平面织物) 、三位( 三相编制体) 图1 , 1 复合材料的分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fc o m p o s i t e s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 m m c 的发展概括 金属基复合材料( m e t a l m a t r i xc o m p o s i t e s ，简称m m c ) 是复合材料的一类， 它因具有高比强度、高比模量、高耐磨性等优异性能而引起人们的关注。我国对 m m c 的研究也很重视，早已列入“八五”计划，且已取得了不少研究成果和应 用成果。 1 2 1m m c 的分类 金属基复合材料可分为宏观组合型和微观强化型两大类。宏观组合型指其组 分能用肉眼识别和兼备两组分性能的材料( 如双金属、包覆板等) ：微观强化型 指其组分须用显微镜才能分辨的以提高强度为主要目的的材料，可按基体( 如铝 基、镁基等) 或用途不同来分类，也常用增强相的形态不同来区分b j 。 基、镁基等) 或用途不同来分类，也常用增强相的形态不同来区分口j 。 金属基复台材料 分散强化金属基复合材料 颗粒增强金属基复台材料 纤维增强金属 基复台和材料 r 定向排列 连续纤维增强t 多项排列 止舞 l 多层r 分层 i 混杂 图1 2m m c 的分类 f i 昏1 2c l a s s i f i c a t i o ao f m m c 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2m m c 的制造工艺 m m c 的制造工艺方法通常分为三类，即扩散法、沉积法和铸造法，各种方法 的优缺点如表1 1 中所示。 表1 1 金属基复合材料的制法比较 t a b l e l 1c o m p a r eo fp r o c e s st om a n u f a c t u r em m c 方法增强剂优点缺点 扩 生产率低，成本高，形态尺 粉末冶金颗粒短纤维 易处理，反应活性低 散 寸受限 法 扩散粘结连续纤维，金属丝方法完善工序多成本高形状受限 沉 等离子喷体积分数低，生产率低，须 积颗粒，纤维整体方法 涂 二次加工 法 普通铸造体积分数低，有反应活性， 颗粒 整体方法 法须二次加一i ： 挤压铸造 颗粒，连续纤维，不连高生产率，可一次成型， 形状规格受限 铸 续纤维 也可二次加工 造 不连续纤维，连续纤 近净成型，一次性过程。 法 液压成型维，高体积分数颗粒， 工具成本高，生产率适中 陶瓷 形状，尺寸f 十缩性强 半固态搅 颗粒不连续纤维 成本低，可一次性成型， 有反应活性，生产率适中 溶铸造 也可二次加工 1 3 颗粒强化钢铁基复合材料概况 由于钢铁具有高塑性、良好的韧性，颗粒增强体成本低、微观结构均匀、性 能各向同性因而颗粒增强钢铁基复合材料引起了人们的广泛关注。低密度高刚度 和高强度的增强体颗粒加入到钢铁基体中在降低材料密度的同时提高了它的弹性 模量、硬度、耐磨性和高温性能，在进一步研究降低其成本后，颗粒增强钢铁基 复合材料具有良好的前景。 1 3 1 增强体与基体的选择 颗粒增强钢铁基复合材料的力学性能取决于基体和增强体的性能及基体与增 强体之间的界面特性。因此基体和增强体的选择对复合材料的性能有很大的影响。 应用领域，制备方法，成本，相容性等是选择时必须考虑的因素。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 1 钢铁基体的选择 钢铁基体材料的成分对复合材料力学性能的优化至关重要，选择的依据是其 应用前景和加工方法。 高速钢多作为粉末冶金法制造钢铁基复合材料的基体，即将高速钢( 如m 2 、 m 3 、t 1 5 等) 粉末与粉末态增强相( 如t i c 、a 1 2 0 3 、t i n 、w c 等) 混合并烧结 1 2 - 1 6 。由于粉末冶金工艺的限制，需在高速钢混合粉末中加入一些提高压制性和 烧结性的组元，如石墨和c u 3 p 等。为提高粉末的压制密度，从而提高材料的韧 性，也常采用铁石墨混合料作为基体材料f 3 ，6 】。采用这种工艺制造的高速钢基复 合材料具有增强相可选择的种类多、易于添加和调整等特点，具有优良的切削性 能、耐磨性和红热性。 耐热钢也较多被作为颗粒增强复合材料的基体，以提高基体材料的耐热性、 高温强度和蠕变强度，一般采用铸造法制备【8 1 。为增加基体与增强体的润湿性， 在基体中加入一些表面活性元素( c r 、v 、n b 、r e 等) 是很有效【1 7 , 1 8 o 1 3 1 2 增强体的选择 增强体的选择标准包括增强体材料的弹性模量、抗拉强度、密度、熔点、热 稳定性、在钢铁合金中的稳定性以及其价格等。一般选择高硬度高刚度难熔的碳 化物、氧化物、硼化物和氮化物等作为增强体材料【3 15 1 。增强体在钢铁中的稳定 性和相容性十分重要，它不仅关系到材料的制备，而且更与材料长期安全使用的 可靠性密切相关。部分研究过和常用的增强体的性能如表1 2 所示【1 6 1 。 表1 2 各种增强体的性能 t a b l e l 2 p r o p e r t i e so fk i n d so fr e i n f o r c e dp a r t i c u l a t e 钢铁基复合材料的研究，目前尚远不如铝基复合材料成熟，其各种增强体都 处于试验和比较阶段。s i c 是目前较多使用的增强体材料，它的主要优势在于价格 便宜，且已经实现工业化生产。据文献 4 】介绍，在铁基体中加入5 - 1 5 的s i c ， 在1 1 5 0 0 c 烧结，s i c 会部分发生分解，其反应式为： s i c = s i + c ( 1 1 ) 反应生成的s i 固溶与奥氏体中，提高碳在固溶体中的活度，提高碳的扩散速 率，造成基体含碳量增加。与不含s i c 的材料的微观组织相比，复合材料的铁素 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 体含量明显减少，主要由珠光体组成。 添加s i c 后材料的强度略有下降，而冲击韧性下降明显，但与此同时，复合 材料的耐磨性却提高了1 0 2 0 倍。 1 3 2 复合原则 ( 1 ) 颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中。使其阻碍导致塑性变形的位错的运 动。 ( 2 ) 颗粒直径的大小要适度，因为颗粒直径过大会引起应力集中或本身破碎导 致参量强度的降低：颗粒直径过小，则起不到强化的作用。因此，一般颗粒直径为 几微米到几十微米。 ( 3 ) 研究认为颗粒的数量一般在1 5 一2 0 ，数量太少，达不到最佳的强化效果。 ( 4 ) 颗粒与基体之间应有一定的粘结作用( 即一定的结合强度) 呻】。 1 3 3 制备工艺的选择原则 ( 1 ) 所选工艺方法对材料组元的损伤最小。 ( 2 ) 能使任何形式的增强材料均匀分布或按与设计要求规则排列。 ( 3 ) 使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避 短，而且各单元组元仍保留着固有的特性。 在制备方法的选择上还要考虑性能价格比，在能达到复合材料使用要求的情 况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本【l j 。 1 3 4 制备工艺 制造钢铁基颗粒复合材料的方法很多，在制造过程中合金基体可以是液相， 也可以是固体粉末，增强体可以直接引入，也可以在基体中原位合成。 1 3 4 1 铸造法 铸造法具有工艺简单、成本低、易于制备大型复杂零件等优点。但是，由于 钢铁材料的熔点较高、铁和一些增强体在液相中反应活性大、润湿性差、以及钢 铁的密度与增强体的密度相差较大的原因，要获得增强体分布均匀结合强度高的 钢铁基复合材料并非易事。通常采用对热稳定性高的增强体进行预处理，再通过 各种手段将其引入到金属熔体中。 ( 1 ) 搅拌铸造法 该工艺是向金属熔体喷射颗粒或在搅拌熔体的同时加入颗粒的方法 1 ”，为使 增强相质点在钢中均匀、细小弥散分布，则必须尽可能减小两者之间的界面张力。 增强体表面包覆一层易润湿的过度层，或在基体中加入一些活性元素的方法，可 以改善他们之间的结合。这种工艺简单，但不易控制增强体的含量，颗粒偏聚的 问题也未能彻底解决。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 熔体没渗法 该工艺是将增强体制成预制坯，再利用压力使合金熔体进入坯料中，随后可 采用稀释的方法降低增强体的体积分数，随后凝固即形成复合材料。熔体浸渗工 艺是制造大体积分数复合材料的较好方法，但界面反应使增强体容易受损，另外 制造设备也较为复杂【8 】。 1 3 4 2 粉末冶金法 粉末冶金法是最早开发用于制备金属基颗粒复合材料的工艺，与熔铸法相比， 由于在铁的熔点的温度下进行烧结，界面反应大大减弱，增强体的粒度和体积比 可以大泛围调整。增强体的选择余地较大，烧结后可经过进一步的挤锻或热等静 压处理提高致密话和复合材料性能。该方法是发展前景较好的方法。 在粉末冶金工艺中，先将增强体和基体粉末混合均匀，经压制、烧结及后续 处理等工序制成产品。为提高混合粉末的压制性和烧结收缩率提高烧结坯的致 密性，可以在合金中添加较多的液相烧结组元，如c u 3 p 等，其它工序和普通工 序一样。常用的增强体有s i c 、t i c 、t i b 、t i b 2 等。结果表明，这种复合材料的 室温和高温强度及硬度和耐磨性均有明显的提高【3 7 】。 1 34 3 机械合金化法 此法是一种特殊的粉末冶金法。它采用高能球磨技术制造特殊的混合粉末， 经高能球磨后，混合粉末可以细化到纳米级粒度，其表面活性极大。然后再经普 通压制和烧结等工艺制成产品。由于增强体是在球磨过程中或在随后的烧结工序 中原位合成的，故它与基体的界面结合强度显著提高。该工艺可明显改善复合效 果。有较大的应用前景。当然还有许多工艺和理论问题尚待研究。 1 3 4 4x d t m 法 x d t m ( e x o t h e r m i ed i s p e r s i o n ) 是原位合成法的一种。是将生成增强体的两种粉 末( 如t i c 中t i 和c ) 和基体粉末均匀混合，再加热到高于基体熔点的高温下处 理，生成增强体的两种粉末在高温下发生反应，从而在基体溶体中形成细小弥散 的增强体，然后再经铸造挤压热轧等成型工艺制成产品。由于增强体也是原位合 成的，基体与增强体的界面干净、润湿性好、结合牢固、增强体细小弥散，从而 有助于提高复合材料的性能f 2 0 1 。如在f e c r - n i 耐热钢的溶体中，按比例加入t i 粉和石墨粉，保温一段时间后，浇入石墨模中，可以制得在基体上均匀分布t i c 颗粒的复合材料m 。 1 3 5 性能 增强体颗粒的弹性模量、抗拉强度和硬度都比钢铁基体高，根据复合材料的 性能加和规律，其强度、硬度及弹性模量都应比基体材料高。理论研究和实际实 验结果都表明，体积分数在1 0 3 0 的增强颗粒就可使复合材料的弹性模量提高 5 0 ，而强度也有不同程度提高。当然，对于采用粉末冶金工艺制得的复合材料， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 如果其烧结性和密度降低，其强度反而会有所下降。 钢铁基复合材料的主要用途在于其高的耐磨性。研究表明，随增强体颗粒体 积分数的增加，磨损抗力可大幅度提高，最高可达数十倍。由于大多数增强体都 坚硬耐磨，当基体对其有足够的镶嵌作用时，他们直接承受摩擦偶的正向载荷， 使基体材料免于直接对磨，从而提高材料的耐磨性。当增强体颗粒体积分数高于 某个值时，它与基体之间的相容性恶化，增强体颗粒容易剥落，造成耐磨性不能 进一步提高。 钢铁基复合材料的另一个主要用途是用于高温材料。以分散颗粒存在于基体 晶界中的增强体，可以阻止晶界的高温迁移，提高合金的持久强度和蠕变强度。 随着增强体颗粒的加入，不论采用哪种工艺制备的复合材料的塑性和冲击韧 性都大幅度下降。研究结果表明，在铁基粉末冶金材料中加入s i c 的含量超过1 5 时，冲击韧性下降到基体性能的2 5 以下。 1 3 6 存在的问题及改进措施 大量研究结果表明，颗粒增强钢铁基复合材料的制备工艺中存在着许多阃题， 如熔融的基体合金对增强相颗粒不润湿，增强相颗粒和基体合金之间有可能发生 的界面反应等。增强颗粒与熔融基体合金间难以润湿的原因在于熔融金属的表面 张力一般都很大，为了降低润湿角必须增加颗粒的表面能或减小液态金属的表面 张力。 关于润湿性方面的研究很多，并已提出了很多改善润湿性的方法： ( 1 ) 对增强颗粒进行热处理以去除其表面吸附的气体。 ( 2 ) 对熔融金属液施加超声处理以去除增强颗粒表面吸附的气体、杂质，以提高 颗粒的表面能。 ( 3 ) 在增强颗粒的表面镀上n i 或c u 等润湿剂以提高增强颗粒的表面能，这样 可使增强相颗粒能顺利进入并均匀分布于基体合金液中。但由于增强颗粒的尺寸 常在1 0 微米数量级，所以此种处理方法难度较大。 ( 4 ) 从改善合金液的成分设计入手，在不同的熔融金属液中添加相应的活性元素， 如m g 、c a 、t i 、z r 、n b 、v 和p 等，以降低液体的表面张力，减小合金液与增 强颗粒的界面能或引入一定的化学反应以提高润湿性。需要指出的是添加的活性 元素往往是易于增强颗粒发生化学反应的元素，因此在合金液成分设计时需同时 考虑上述两个因素猛“。 界面是基体与增强体间化学成分有显著变化，构成彼此结合的，能起载荷传 递的微区。界面是复合材料极其重要的组成部分，界面的性质很大程度上决定着 复合材料的性能。由于界面的原子结构、化学成分和原子键合均不同于界面两侧 的基体和增强体，界面的性质和界面两侧有很大差别，而且界面处容易发生化学 东北大学硕士学位论文 第一章绪 论 反应，所以只有深入了解界面的几何特征、化学键合、界面结构、界面的结构缺 陷与化学缺陷、界面稳定性、界面反应及其影响因素，才能更深层次地了解界面 与复合材料的性能关系，进而开发出高性能的新型复合材料。 1 3 7 应用前景 相对于铝基和钛基复合材料，颗粒增强钢铁基复合材料的耐磨性、耐高温性 更强，而比弹性模量较低，零件重量较大，因此其主要应用目标是摩擦材料、耐 磨材料、高温合金及工具材料。最早获得应用的颗粒增强钢铁基复合材料就是铁 基摩擦材料。早在十几年前，人们就在铁基粉末冶金材料中添加颗粒制得了复合 材料，成功地用于飞机上的刹车片j 。据报道，采用添加1 7 ( 质量分数) t i c 和v c 的高速钢基复合材料制作的冷加工冲头的寿命可提高3 倍以上【1 2 】；用2 0 ( 体积分数) a 1 2 0 3 增强的m 2 高速钢的耐磨性提高了近1 0 倍e n 】。这些成果有望应 用于工具刃具领域。另外一些工作条件恶劣的重型车辆的排气阀座和气门导管也 有希望应用这类材料。 磨损是工业材料失效的一种主要形式，因此对于耐磨材料的研究具有重要的 技术意义和经济意义。颗粒增强钢铁基复合材料的出现，为研究新型耐磨材料带 来了希望。为使颗粒增强钢铁基复合材料实用化，必须以低成本、高性能、高可 靠性为目标，从以下方面进行深入研究。 ( 1 ) 研究钢铁基体与增强体的界面反应，进一步弄清界面反应产物的组织结构 及其对材料性能的影响。 ( 2 ) 进步研究各类增强体对常见的高速钢、耐热钢和低碳钢基体的强化效 应，以期最后得到良好的合金组织和性能。 ( 3 ) 研究改善制备工艺，降低生产成本，拓展应用领域。 1 4s i c f e 复合材料研究现状 s i c 陶瓷具有密度低、硬度高、耐磨、耐腐蚀等优点且价格低廉，是较为理想 的增强材料。因而用s i c 来增强金属性能的方法引起国内外材料工作者的极大兴 趣并在这方面主要集中在s i c 纤维、晶须、颗粒、增强有色金属如铝、镁、钛等， 部分已经成功地应用于工业生产，特别是在航空、航天和汽车工业。但铁具有高 韧性，其强度、硬度、耐热强度和抗氧化性可通过合金化及热处理等手段在很大 范围内调整，而且铁及其合金是价格低廉的金属材料，所以铁合金是现代工业最 常用的金属材料。铁良好的强度和韧性，与碳化硅耐磨性的成功结合必将导致一 种新型、低成本、综合性能良好同时具有高耐磨性的金属基复合材料的诞生，具 有明显的经济效益和社会效益【i ”。 东北大学硕士学位论支第一章绪论 1 4 1 工艺概况 作为铁基复合材料，尤其，s i c f e 基复合材料的割备工艺，目前主要有粉末 冶金，离心铸造，喷射沉积，o s p r e y 沉积以及液态金属增强相混合( d u r a l ) 等 工艺。其中主要的工艺为粉末冶金法，即p m 法。该方法的特点是：增强相的体 积分数较高、分布均匀及设备简单，可以生产各种形状复杂的零件，因此p m 法 应用较广泛，工艺较成熟。粉末冶金法制备铁基复合材料的工艺流程，如图3 所 示。通常情况下，成型压力为4 7 t c m 2 ；烧结温度取1 1 0 0 1 1 5 0 ；为避免氧 化，采用气体保护烧结，常用氢气、分解氨等【2 i 】。 铁 铁粉或s i c 粉滑剂 i 压制成型 瘸k 气体保护 j 性能测试 图1 3 粉末冶金法工艺流程 f i 叠1 3t h ef l o wc h a r to f p mp r o c e s s 锌) 目前，许多研究工作中基体多为纯铁基粉末。加s i c 后，基体组织由珠光体 组成，其力学性能指标见表1 3 所列吼 表1 3 材料力学性能及其与s i c 含量的关系【5 l t a b l e l 。3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sa n dd e p e n d e n c eo nv o l u m ef r a c t i o no fs i c 编号s i c 体积数抗拉强度( 肝8 )冲击韧性( k j 。2 )硬度h b - 9 墨些垄至塑主芏垡堡圭 堑二主 壁堡 1 4 2 基体与增强相界面研究的概况 研究表明，s i c 粒子与基体铁的润湿性较差，且s i c 在一定温度下会发生分 解幽洲e 文献 2 3 报道了在9 0 0 c 保温6 0 m i n ，s i c 与基体的界面处无任何变化： 而保温1 8 0 m i n 后，s i c 少量分解，分解后的硅向基体扩散，形成硅铁固溶体，碳 在粒子周围富集，生成石墨。其反应式【2 4 】为 s i c 一 s i ) + c ( s ) 或s i c ( s ) 十f e ( s ) = f e 3 s i ( s ) + c ( s ) ( 1 2 ) 在粉末冶金条件下，这一过程不能忽略。从材料的断口s e m 图中可以看到s i c 颗粒从断面剥离后留下的凹坑，通过对凹坑处的能谱分析发现其周围基体中有硅 存在。可见s i c 已发生分解，而造成界面结合很弱，s i c 粒子已从基体中剥落【2 5 1 。 目前，已在基体与增强相的界面研究方面取得了一定进展。 1 4 3s i c 含量对材料力学性能和耐磨性的影响 s i c 颗粒含量对材料耐磨性的影响如图1 4 所示，其力学性能见表1 3 所列。 # ，l i i 3 簖d 舨 2 。s i c5 鳝 轧s i c i 讲邱 1 越c 1 5 k 图1 4 试样磨损量随时间的变化 f i g 1 4v a r i a t i o no f d e t r i t i o nw i t ht i m e 添加s i c 颗粒后，在其质量分数为5 l o 的范围内，材料的抗拉强度略 有下降但不显著，冲击韧性也有所降低。布氏硬度提高2 7 5 0 ，耐磨性提高 1 0 2 0 倍，一方面是由于s i c 的加入增加了组织中的硬质点，同时与材料组织中 珠光体的相对含量增加有关。当s i c 质量分数在1 0 0 o 1 5 时，硬度和耐磨性都 有所提高，但抗拉强度及冲击韧性均明显下降。对其冲击断口的形貌和性质分析 表明，s i c 粒子加入后分布在晶粒内部和晶界上，存在于边界上的s i c 会导致晶 界薄弱，易于断裂。另一方面是由于s i c 发生反应后体积收缩，孔隙增多，加之 又有石墨生成。又将导致强度与冲击韧性下降。研究认为，用粉末冶金法制备s i c 颗粒增强铁基复合材料时，s i c 质量分数在5 1 0 之间能获得高的耐磨性和较 理想的综合性能，满足对耐磨材料的要求1 4 l 。 东北大学硕士学位论文第一章绪 论 1 4 4s i c f e 复合材料发展前景 s i c 颗粒增强铁基复合材料，由于突出的耐磨性、高抗蠕变性和耐高温等优 点，被视为一种优异的耐磨材料，具有广阔的应用前景。但是，由于s i c 在高温 下易于分解，与相接触的金属发生较剧烈的反应，损害了界面结构及相关性能， 导致了实际应用的困难。为解决这一问题，人们提出了基体合金化和s i c 表面处 理等方案，取得了一定的成效，但尚有不少问题有待解决。进一步的研究可以从 以下几个方面进行： ( 1 ) 目前，粉末冶金法相比其他工艺而言成本较高。因此，应在完善已有的工艺 基础上，通过优化工艺参数推陈出新，开发更具发展前景的制备工艺，进一步降 低成本，生产高性能的材料。 ( 2 ) 加强基体碳化硅界面结合对材料性能影响的理论研究，建立完善的理论模 型，从理论上解决s i c 颗粒与基体难以复合的问题。 ( 3 ) 在改善界面结合方面的机理尚待进一步的探讨，通过对这一问题的深入研 究，将有助于探索通过改变镀层的化学成分、厚度和均匀性来进一步提高材料的 整体性能。 ( 4 ) 充分了解基体中合金元素对材料整体性能的影响趋势及原理，寻求效果更加 的合金元素添加方案从合金化方面对材料的性能进行改善。 ( 5 ) 加强烧结机理的研究。对s i c 颗粒增强铁基复合材料来说，烧结至关重要。 研究表明，离心铸造法在9 0 0 c 1 制备的s i c 增强铁基复合材料，其耐磨性提高了 4 0 倍，高于粉末冶金法。可见，粉末冶金法中高的烧结温度削弱了s i c 的增强作 用，使耐磨性得不到充分的提高。加强烧结机理的理论研究，考虑添加适当的助 烧结以降低烧结温度，对提高材料的耐磨性将是一种有效途径。 ( 6 ) 对烧结后的材料，应进一步深化对其后续热处理的研究，以使通过热处理进 一步提高此类材料的性能1 2 ”。 1 5 电流烧结概述 1 5 1 电流对金属材料的影响 电流对金属材料影响的研究可以追溯到1 9 世纪。1 8 6 1 年m g e r a d i n 在铅- 锡、 汞钠熔融合金中观察到原子在电流作用下出现的运动现象。而在一个世纪后，科 学家发现电流对金属材料变形行为也有显著影响。1 9 5 3 年，w s e i t h 和 l w a v e t 开始对金属材料的电迁移进行系统地研究。此后，v b f i s k ( 1 9 5 9 年) ， h b h u n t i n g t o n 和a r g r o n e ( 1 9 6 1 年) 提出了电子风驱动力的概念，奠定了电迁移 理论的基础。1 9 6 3 年，前苏联学者t r o i t s k i i 等进行表面活化剂的研究时发现，在 表面涂汞的锌单晶拉伸试验中，当加速电子流沿晶体滑移系( 0 0 0 1 ) 方向照 东北大学硕士学位论文 第一章绪 论 射时，锌单晶试样的流变应力显著降低， 性显著提高；当电子流垂窟于滑移面时， 应变硬化率降低，极限伸长量增大，塑 虽然流变应力也有一定降低，但锌单晶 明显脆化，伸长率下降，并发生脆性断裂。实验结果表明，电子流对锌单晶材料 的塑性变形有促进作用，对该材料的变形行为有显著影响。物理学家和材料科学 工作者把这种由于电( 电流、电子辐射等) 作用导致金属材料的流变应力下降、塑 性增大的现象称为电塑性效应【2 6 】。 1 9 6 9 年t r o i t s k i i 等还研究了锌晶体在液氮温度下单轴拉伸时变形力的变化， 发现电流可以降低变形应力，增大锌的塑性变形能力。从而肯定了在电流作用下 能使金属材料的流变应力下降、塑性增加这一电塑性效应的存在。随后研究人员 在p b 、f e 、t i 、s n 等金属材料中也观察到类似现象。自电塑性效应被发现后，前 苏联及美国学者在实验与理论上对电塑性效应和电流对金属材料的组织结构与性 能的影响进行了大量的较系统研究，发现在很多金属与合金中都存在电塑性效应。 无论电子运动的方向与位错运动的方向相同或相反时，都能增加位错运动的 速度，而且其增加的幅度随着电流密度的加大而加大，证实电子流和位错之间存 在相互作用。现已认同电子流与位错之间存在这种交互作用，电塑性效应被认为 是由于电子流与位错发生交互作用，运动电子流给位错施加作用力，促进位错的 运动；同时提高了位错越过障碍的能力，因此提高了金属的塑性变形能力。 1 5 2 脉冲电流烧结机理的研究进展 近年来纳米粉体制各技术日趋成熟，如液相法制备氧化物或复合氧化物粉体， 气相法制备金属超细粉体等，为纳米材料制备科学的发展奠定了良好的基础。然 而，在超细粉体的致密化过程中，尤其是在烧结初期；不可避免地产生晶粒的粗 化现象。根据两球烧结模型，烧结初期的晶粒粗化主要是由表面扩散引起的。由 于表面扩教的活化能要比体积扩散的活化能低，因此，在低温阶段，表面扩散占 主导地位，从而导致晶粒长大、烧结驱动力的减小以及随后烧结过程中扩散路径 的增加。但是，快速烧结可以阻止表面扩散，使粉体保持高的烧结活性，即通过 提高致密化速率，可有效地避免晶粒粗化现象发生。例如，q i u 等人通过快速烧 结( 5 0 0 0 c m i n ) 制备出相对密度为9 7 5 、晶粒尺寸为1 2 0 n r n 的氧化铬陶瓷材 料。 目前。快速烧结技术主要包括区域烧结、微波烧结和等离予体烧结。脉冲电 流烧结( p u l s ee l e c t r i cc u r r e n ts i n t e r i n g ，p e c