（材料加工工程专业论文）sicfe基复合材料成分优化及烧结工艺的研究.pdf

合肥工业大学硕士学位论文 s i c f e 基复合材料成分优化及烧结工艺的研究 摘要 f ，一 s i c 因其高强度、高模量、耐磨、耐热、耐高温等优良性能而被作为颗粒 增援体制备铁合金基复合材料，但因其共价键与铁基体的金属键之间的本质 差别导致两者复合性能较差。 本文拟对铁基体进行合金化设计以改善复合后 材料的性能，同时探讨其烧结机制，并进一步研究烧结工艺参数的影响。具 体内容如下： 首先，用正交试验法优化了铁基体中添加的合金元素的成分配比。结果表 明：在1 1 5 0 纯氢气气氛中进行1 h 等温烧结条件下，当铁基体中加入2 w t 的镍，1 ，5 w t 的铬及1 o w t 石墨或添加2 w t 的镍、1 5 w t 铬、0 1 w t 稀土 及1 w t 的石墨后，可以获得较好的综合机械性能，用作复合材料的基体，分 别记为基体l8 和2 4 。 其次，向基体1 ”和2 4 中分别添加s i c 或( s i c ) n i 研究了两种基体成分下 的复合情况，在综合对比不同组合方式下复合材料的机械性能及磨损性能后， 确定了基体14 为最终基体合金。 最后，文章研究了烧结温度和保温时间对s i c 14 和( s i c ) n i 18 复合材料组 织与性能的影响。研究表明：对s i c i “而言，1 1 2 0 c 等温烧结3 0 m i n 可以获 得最佳的机械性能与耐磨性的综合配比。( s i c ) n i 14 则有待进一步的研究。 关键词：s i c ；烧结；成分优化；铁合金基复合材料 鱼墨三些查堂堡主兰堡垒壅 一一 s t u d yo nc o m p o n e n t o p t l m i z i n ga n d s i n t e r i n gt e c h n o l o g y o fs j c f e r r o a l l o y b a s e dc o m p o s i t e s a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hs t r e n g t h ，h i g hm o d u l e ，w e a r r e s i s t i n g ，e t c ，s i cw a sa d d e dt of e r r o a l l o y a sar e i n f o r c ep h a s e b u tt h ei n t r i n s i c d i l y e r e n c eb e t w e e nt h eb o n d sl e dt op o o rf a b r i c a t i o no ft h ec o m p o s i t e s i nt l l i sp a p e r a l l o ya d d i t i o nw a s u s e dt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e s ，a n dt h em e c h a n i s m o fs i n t e r i n gw a sd i s c u s s e d t h e n ，t h ei n f l u e n c e so ft h ep a r a m e t e ro fs i n t e r i n go n c o m p o s i t e sw e r e a l s os t u d i e d ： f i r s t l y , t h ei n g r e d i e n to fa l l o ye l e m e n ta d d e di n t of e - c u - cw a so p t i m i z e d 、i m o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s a s t h er e s u l t s s h o w e d ，w h e n2 w t n i ，1 5 w t c r , o 5 w t m oo r2 w t n i 1 5 w t c r , 0 5 w t m oa n d0 1 w t c ew e r ea d d e di n f e c u c ，t h ef e r r o a l l o yo b t a i n e dh a dp r e f e r a b l yg o o dp r o p e r t i e s ，w h i c hw a sm a d e u n d e rt h ec o n d i t i o no f s i n t e r i n g a t115 0 f o ro n eh o u ra n d e x p o s e d t oa a t m o s p h e r eo fp u r eh y d r o g e na tt h es a n - l et i m e i tc o u l db eu s e da st h eb a s eo ft h e c o m p o s i t e s ，s i g n e da s1 ”a n d2 “ s e c o n d l y , s i ca n df s i c ) n iw e r ea d d e di n t o 1 4 a n d2 4t os t u d yi t sc o m p o s i t e a f t e r c o m p a r i n g t h ep r o p e r t i e so f t h ed i f f e r e n tc o m p o s i t e sw i t he a c ho t h e r , b a s e1 4 w a sc o n f i r m e da sf i n a lf e r r i t ea l l o yb a s e t h i r d l y ，i nt h i sp a p e r ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dh e a tp r e s e r v a t i o nt i m ew e r e d i s c u s s e d a st h er e s u l t ss h o w e d ，w h e ns i c i ”w a sm a d eu n d e rt h ec o n d i t i o no f s i n t e r i n ga t1 1 2 0 f o r 3 0m i n u t e s ，i th a de x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n d w e a r r e s i s t a n c e ( s i c ) n i 1 “n e e d e df u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：s i c ；s i n t e r i n g ；c o m p o n e n to p t i m i z i n g ；f e r r o a l l o yb a s e dc o m p o s i t e s 合肥工业大学硕士学位论文 致谢 本论文的研究工作中是在导师丁厚福教授和郑治祥教授的悉 心指导和关心帮助下完成的。三年的研究生生活，使我受益颇丰。 两位恩师的言传身教不仅让我明白了科研工作的真谛，更让我懂得 了做人的道理。在此谨向两位恩师致以最衷心的感谢和最崇高的敬 意。 本课题的完成过程中，特别要感谢合肥工业大学材料研究所的 汤文明、刘君武、吕琚三位老师的大力协助。同时，试验中心的郑 玉春、王学伦、张明秀、张强和陈老师以及中国科技大学结构中心 李凡庆老师在试验过程中也给予了极大的帮助，电镜实验室的黄新 民老师和x 射线实验室的唐述培老师为作者作了精心细致的分析 工作，南京化工大学的汤涛老师也为作者奉献了宝贵的时间，在此 一并表示感谢。 此外，还要感谢同期的李吉泉、张士华、樊振军、黄芹华、张 学斌和刘丽华同学以及师兄何刚、陈曙光、董盼，师妹卢书嫒、左 开慧，师弟李新化、王川、徐步青等，在课题研究中给予的鼓励和 帮助；感谢所有关心和支持我的同学和老师。 怀着你们的祝愿和期望，我将踏上新的征程。愿未来更美好! 作者：徐波 2 0 0 2 年5 月于合肥 插图清单 图2 一l烧结铁基合会材料的制备工艺流程图 图2 2 烧结工艺曲线图 图2 3环块磨损模型示意图， 图4 1s i c 表面化学镀镍后形貌 图4 2f e c u c 、f e c m e 和f e c m e 合金显微组织 图4 3f e c u c 和f e c m e 烧结合金的断口形貌 图4 41 1 0 0 3 h 处理后的s i c f e 界面反应区x r d 分析 图4 5 s i c f e - i i ( s i c ) n i f e 界面反应区形貌 图4 6s i c 基体1 “复合材料组织形貌 图4 7s i c 基体l “复合材料断口形貌 图4 8( s i c ) n 。，基体1 。复合材料显微组织 图4 9( s i c ) n i 基体14 复合材料断口形貌 图4 一1 0s i c 基体2 4 复合材料显微组织 图4 1 1 ( s i c ) n 基体2 。复合材料显微组织 图4 1 2s i c 含量对复合材料力学性能的影响 图5 1 烧结颈模型 图5 2 两球烧结模型 图5 3 烧结时空位扩散途径 图5 4 烧结温度对s i c f e c m e 复合材料组织形貌的影响 图5 5 烧结温度对s i c f e c m e 复合材料断口形貌的影响 图5 6 烧结温度对( s i c ) n i f e c m e 复合材料组织形貌的影响 图5 7 烧结温度对( s i c ) n i f e c m e 复合材料断口形貌的影响 图5 8 烧结温度对s i c r , 、( s i c p ) n i 基体1 “复合材料性能的影响 图5 9 不同保温时间对s i c 基体1 。复合材料组织的影响 图5 1 0 不同保温时间对s i c 基体1 “复合材料的断口形貌的影响 图5 1 1 不同保温时间下( s i c ) n i 基体1 “复合材料的断e l 形貌 图5 一1 2 保温时间对s i c p 、( s i c p ) n 基体1 4 复合材料性能的影响 冀 加 虬 挖 抖 弱 拍 卯 船 勰 凹 弱 弘 强 鲫 的 加 舵 铊 们 甜 表2 - 1 表2 2 表2 - 3 表2 - 4 表3 1 表3 - 2 表3 3 表3 - 4 表4 1 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表5 1 表5 2 表5 3 表5 - 4 表格清单 铁粉化学成分组成( ) 高碳铬铁合金粉成分组成( 们) 硫酸铈的杂质成分( 州) 工业用碳化硅化学成分( 们) 因素水平表 基体合金化试验方案表 正交试验结果表 合金化结果分析表 敏化工艺参数 活化工艺参数 化学镀镍工艺参数 基体14 、2 4 与f e c u c 性能测试对比 f e c u c 中加入s i c 和( s i c ) n 。后性能对比 s i c 含量对s i c 1 “复合材料性能的影响 s i c 含量对( s i c ) n i l “复合材料性能的影响 s i c 含量对s i c 2 4 复合材料性能的影响 s i c 含量对( s i c ) n i 2 4 复合材料性能的影响 烧结温度对s i c 基体1 0 复合材料性能的影响 烧结温度对( s i c ) n i 基体1 ”复合材料性能的影响 保温时间对s i c 基体1 4 复合材料性能的影响 保温时间对( s i c ) n ，基体1 4 复合材料性能的影响 o 虑 h = 2 拇 加 加 扒 抖 巧 弱 ” 勰 ” 弛 钉 鱼里三些查兰堡主兰竺堡苎 第一章绪论 引言 材料、信息和能源作为现代社会进步的三大支柱，是现代社会赖以生存和 发展的基本条件之一。从人类历史发展来看，材料科学的发展从一定程度上表 征了人类的进化程度。从世界科技发展史来看，重大的技术革新往往起始于材 料的革新。自上个世纪8 0 年代以来，在全球范围内掀起了对信息、新材料和 新能源的研究热潮。近几十年中，材料的发展日新月异，信息功能材料、纳米 材料、智能材料、生物材料、高温与结构材料等新型材料成为各国2 1 世纪争 相发展和研究的对象。新型材料的产生必将引发新一轮的技术革命i l 4 】。 1 1 粉末冶金 粉末冶金是以金属粉末或金属材料( 或金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工 艺技术。粉末冶金法( p m 法) 又称为金属陶瓷法1 5j 。现代技术发展中的多种 重要的材料都是用该技术制造出来的，它将材料制备加工零件制造有 机地结合在一起，赋予材料以各种机械零件的形状，制造出多种半成品及成品 零件。 粉末冶金是一项新兴技术，但也是一项古老技术。根据考古学资料，远在 公元前3 0 0 0 年左右，埃及人就在一种风箱中用碳还原氧化铁得到海绵铁，经 高温锻造制成致密块，再锤打成铁的器件。三世纪时，印度的铁匠用此种方法 制造了“德里柱”，重达6 5 吨。1 9 世纪初，相继在俄罗斯和英国，将铂粉经 冷压、烧结，再进行热锻得致密铂，并加工成铂制品。直到1 9 0 9 年 w d c o o l i d g e 研制的电灯钨丝问世后，粉末冶金才得到了迅速发展。 现代粉末冶金发展中有着三个重要标志。第一是克服了难熔金属( 如钨、 钼等) 熔铸过程中产生的困难。1 9 0 9 年制造电灯钨丝的方法为粉末冶金工业 迈出了第一步，从而推动了粉末冶金的发展。1 9 2 3 年又成功地制造了硬质合 金。第二是本世纪3 0 年代用粉末冶金方法制取多孔含油轴承取得成功。这种 轴承很快在汽车、纺织、航空等工业上得到了广泛的应用。继之，发展到生产 铁基机械零件，发挥了粉末冶金无切削、少切削工艺的作用。第三是向更高级 的新材料新工艺发展。4 0 年代，新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料等不断 出现。6 0 年代末到7 0 年代初，粉末高速钢、粉末超合金相继出现，粉末冶金 锻造已能制造高强度零件。 粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。从制取材料方面来看，粉 合肥工业大学硕士学位论文 末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料；从制造机 械零件方面来看，粉末冶金法制造机械零件是一种少切削、无切削的新工艺， 可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。当然，粉末冶金也 存在不足之处。例如，粉末成本高，粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限 制：烧结零件的韧性较差等等。但随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在解 决中，例如，等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技 术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高。 粉末冶金属于材料科学的范畴，它在材料领域应用很广泛。就材料成分而 言，有铁基粉末冶金、有色金属粉末冶金、稀有金属粉末冶金等。就材料性能 而言，既有多孔材料，又有致密材料；既有硬质材料，又有很软的材料( 如孔 隙度6 0 以上的铁的硬度相当于铅) ；既有重合金，也有很轻的泡沫材料；既 有磁性材料，也有其他性能的材料( 如原子能控制材料) 。就材料类型而言， 既有金属材料，又有复合材料。如今，粉末冶金在国民经济中起的作用不可替 代。可以说，现在没有一个工业部门不使用粉末冶金材料和制品。从普通机械 制造到精密仪器，从日常生活到医疗卫生，从五金用具到大型机械，从电子工 业到电机制造，从采矿到化工，从民用工业到军事工业，从一般技术到尖端技 术，粉末冶金材料和制品都得到了广泛的应用。随着粉末冶金领域新工艺、新 技术、新材料的发展和基础理论研究的深入，材料科学的发展，将呈现个崭 新的局面“j 。 1 2 金属基复合材料概述 复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组 合而成的新材料。一般定义的复合材料需满足以下条件： 1 ) 复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料； 2 ) 复合材料必须是由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分， 以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在： 3 ) 复合材料保持各组分材料性能的优点，并增加单一组成材料所不能达 到的综合性能。 在复合材料中将其组分分为基体和增强物，通常将连续分布的组分称为基 体，如聚合物基体、金属基体、陶瓷基体。将纤维、颗粒、晶须等称为增强物。 按基体材料不同，复合材料可分为三大类：树脂基复合材料、金属基复合材料 和陶瓷基复合材料。 金属基复合材料指以金属及合金为基体的复合材料。它包括：以高性能增 强纤维、晶须、颗粒等增强的金属基复合材料；金属基体中反应自生增强复合 材料：层板金属基复合材料等品种。其界面主要有三种形式：i 类界面是平整 的而且只有分子层厚度，界面除了原组成物质外，基本上不含其它物质；i j 类 2 合肥工业大学硕士学位论文 界面为原组成物质所构成的犬牙交错的溶解扩散界面；i i i 类界面则有亚微米级 左右的界面反应物层。界面结合方式主要有机械结合、溶解和浸润结合、反应 结合、氧化结合以及混合结合等。金属基复合材料既保持了金属本身的特性， 又具有复合材料的综合性能。通过不同基体和增强物的优化组合，可获得各种 高性能的复合材料，具有各种特殊性能和优异的综合性能。 目前，金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下三种： ( 一) 按增强物类型分 1 ) 连续纤维增强金属基复合材料； 2 ) 非连续增强金属基复合材料( 包括颗粒、短纤维、晶须增强金属基复 合材料) ； 3 ) 自生增强金属基复合材料( 包括反应自生和定向自生) ： 4 ) 层板金属基复合材料。 ( 二) 按基体类型分 包括铝基、镁基、铜基、铁基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物 基等复合材料。 ( 三) 按用途分 1 ) 结构复合材料：高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性是其主要 性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车等高性能结构件。 2 ) 功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理 性能的优化组合是其主要特点。适用于电子、仪器、汽车等工业。 不同类型的复合材料具有其特有的性能特点。例如，对非连续增强金属基 复合材料，即由颗粒、短纤维、晶须为增强体与金属基体组成的复合材料而言， 增强物在基体中随机分布，其性能是各向同性。非连续增强物的加入，明显提 高了金属的耐磨、耐热性，提高了高温力学性能、弹性模量，降低了热膨胀系 数等。非连续增强金属基复合材料的最大特点是可以用常规的粉末冶金、液态 金属搅拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渍等方法制造，并可用铸造、挤压、 锻造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制造方法简单，制造成本低，适 合于大批量生产，在汽车、电子、航空、仪表等工业中有广阔的应用前景。 金属基复合材料的复合工艺比高聚物基复合材料相对复杂和困难。这是由 于金属熔点较高，需要在高温下操作，同时不少金属对增强体表面的润湿性很 差，甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应。针对 这些问题，目前虽然己发展出不少复合工艺，但各自仍存在一定的问题。常用 的复合工艺可分三类：扩散粘结法；铸造法( 包括熔体搅拌铸造法、液相浸渗 法和共喷射法等) ；叠层复合法【9 1 2 1 。 目前，金属基复合材料研究的热点问题主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 金属基复合材料的界面 合肥工业大学硕士学位论文 金属基复合材料的界面问题一直是困扰本领域工作者的重大问题。因 为金属基复合材料界面区结构非常复杂。虽然多数金属基复合材料是以界 面反应的形式结合，但是反应的程度受工艺方法及温度参数的影响极大， 同时由于界面区尺寸仅为纳米级，从而使分析表征工作困难较大。 研究表明，界面结构和界面结合力对复合材料的性能影响极大。为了 防止由于界面反应生成的脆性产物在受力时起到萌生裂纹源的作用，提出 了各种对增强体表面作涂层处理的方法，取得了一定的效果；但对界面结 合力的测定尚无令人满意的方法。目前，金属基复合材料的界面研究仍然 存在大量问题有待解决”。 ( 2 ) 金属基复合材料的凝固过程 金属的凝固过程已经研究得比较成熟，但金属基复合材料的凝固过程 由于增强体的存在使基体金属的凝固过程变得复杂，难以套用现有的金属 凝固理论。实际上由于增强体的存在，其凝固过程中的温度场和浓度场、 晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。这些变化均将对金属基复 合材料的性能产生明显的影响，所以越来越得到重视。尽管目前的研究结 果尚不多，但是已经发现许多值得深入研究的问题，而且正在不断扩大与 深化之中。 ( 3 ) 非连续增强金属基复合材料的制备 非连续增强体( 颗粒、短纤维、晶须) 增强的金属基复合材料，由于 其制造工艺较简单，价格相对低廉，所以在汽车、纺织等民用工业中初步 获得应用。特别是s i c 颗粒增强和硅酸铝短纤维增强的复合材料现在已有 一定的生产规模。对这一类金属基复合材料在制备过程所出现的问题必然 会引起广泛重视。当前已有不少文献报道了这方面的研究工作【1 7 ，1 8 】。 ( 4 ) 金属基复合材料的原位复合 金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中通常出现的 一系列问题。作为一种具有突破性的新工艺方法受到普遍的重视，并广泛 开展了研究工作，其中包括直接氧化法、无压力浸润法和自蔓延法等。目 前，研究热点集中在合金的配制、参与反应物质的设计、采用的工艺方法、 原位反应机理和过程的研究以及原位复合材料微结构与性能的研究等方 面，并已发表了大量研究论文【1 9 2 ”。 1 3 颗粒增强铁基复合材料研究进展 目前，金属基复合材料的研究主要集中在铝基、镁基等轻金属基复合材料。 由于其价格贵，因而主要应用在航空航天等高技术领域。因钢铁材料熔点高， 比重大，比强度小，制造工艺困难等，故以钢铁为基的复合材料研究还较少。 然而，现代工业的发展，又迫切需要能够在高温、高速、耐磨损条件下工作的 4 合肥工业大学硕士学位论文 结构件，如高速线材轧机的辊环和导向轮等；另一方面，钢铁企业已有的成熟 工艺和设备亦推动我们将复合材料理论应用于钢铁，研制开发出性能优良、价 格低廉的铁基复合材料，以适应工业发展的需要，并给钢铁工业注入新的活力。 在铁基复合材料中，颗粒增强铁基复合材料占大多数。选择颗粒增强相的 参数包括：弹性模量；拉伸强度；密度；熔点；热稳定性；热膨 胀系数；尺寸及形状；与基体的相容性；成本。常用的增强材料有：碳 化物，如s i c 、b 4 c ；氮化物，如s i 3 n 4 、a l n ；氧化物，如a 1 2 0 3 、s i 0 2 ，以及 c 、s i 等。具体选择增强相时要将其用途、复合材料生产工艺及整个复合材料 的成本等因素综合起来统筹考虑。 目前，颗粒增强铁基复合材料多采用粉末冶金法制取。铸造工艺正在逐步 发展完善之中，如喷射弥散法【2 引、离心铸造法等。已发展和正在发展中的包 括减摩金属陶瓷材料、金属玻璃复合材料、复合摩擦材料、钢一碳化物复合材 料和弥散强化钢基复合材料等。 1 ) 减磨金属陶瓷材料 如铁一石墨材料、铁铜一石墨材料等。可以用来制造各个工业部门使用 的滑动轴承。在孔隙率为1 0 3 5 减摩材料中硬质部分为铁，软质部分为添 充在孔隙中的油、石墨或塑料。含油多孔轴承在不补充润滑材料的情况下可以 连续工作几个月，带有专用储油“空穴”的轴承则可连续工作2 3 年 2 ) 金属玻璃复合材料 铁可与玻璃采用粉末冶金法复合得到性能优良、价格低廉的减摩材料。玻 璃具有低的摩擦系数、好的抗咬合性及高的强度。在金属基体中，玻璃起硬质 点的作用，同时摩擦时产生热量软化玻璃凸体，使玻璃成为很好的固体润滑剂。 因而，金属一玻璃复合材料具有良好的耐摩擦性能。 3 ) 复合摩擦材料 该种材料通常以铁( 或铜) 做基体，加入石棉、难熔金属的碳化物和各种 氧化物可以提高摩擦系数。为降低磨损，可掺入石墨或铝。在飞机制造和汽车 制造的产业部门，复合摩擦材料用于制造制动部件和啮合部件中的零件。 4 ) 钢一碳化物复合材料 分为钢结硬质合金和高速钢基复合材料两类。 钢结硬质合金主要有碳化钛和碳化钨型两种。硬质碳化物的加入能明显提 高基体钢的强度、韧性、耐磨、耐蚀、切削性能。这种复合材料多采用铸造、 粉末冶金、热等静压和等离子熔化法制取。 传统高速钢由于受加工工艺的影响，其化学成分和组织结构均受到限制， 因而限制了其回火硬度和耐磨性能。采用粉末冶金法生产高性能高速钢，即用 粉末态的增强相( w c 、v c 、t i c 及t i n 等，含量多在1 0 2 0 w t ) 与高速钢 基体混合并烧结。该法具有经济实用、含碳量自由度大、增强相可选择面广且 全塑三些盔堂堡主兰笪堡壅 易于添加等特点，产品具有优良的切削性能、耐磨性和热稳定性，使用寿命大 大提高。 5 ) 弥散强化钢基复合材料 由于人工弥散了对金属固溶度小的氧化物等粒子，使基体强度尤其是高温 强度得到改善。长期以来，弥散强化合金基本上是用粉末冶金法生产的，由于 制造方法复杂，成本高以及制造大型零件困难，使其应用受到限制。最近，喷 射弥散法的发明，开创了用铸造法生产弥散强化合金的新工艺。该方法在用普 通熔炼法于大气中熔炼的钢液里加入少量弥散控制元素，然后随着加压的惰性 气体把固体氧化物或其它粉末，强制喷射到往金属铸型浇注过程中的钢液里 面，使之快速凝固，达到弥散强化的效果i z ”j 。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 本课题来源于国家科技部课题强化型铁基合金的制备及应用研究的部 分内容。强化型铁基合金的强化技术包括合金化、粉末颗粒级配和微复合等先 进制造技术，通过优化材料的成分设计和组织结构来提高粉末冶金铁基合金的 综合机械性能。同时，在此共性技术研究的基础上，研制典型产品，使其技术 指标得到较大幅度提高。 本课题首先进行合金化成分设计，然后对铁基合金进行微复合。拟用s i c 颗粒作为增强体，用粉末冶金法制备。s i c 具有密度低、硬度高、弹性模量高、 耐磨、耐腐蚀及成本低廉、易于使用等优点，是较为理想的增强材料，因此近 年来国内外以s i c 作为强化相增强金属的研究工作做的很多。但是，这些研究 主要集中在铝基、镁基等轻金属复合材料，而对于钢铁材料，由于其熔点高、 密度大、比强度小、制造工艺困难，故对铁基复合材料研究较少。并且由于 s i c 和铁是两类不同的材料，一个具有主体共价键，一个具有金属键，在物理 性质、化学性质方面的差异给两者复合带来相当的困难：f e 和s i c 在一定的 烧结温度下会发生化学反应生成硅铁和石墨，对界面造成不利影响。但是，由 于铁的高塑性、良好的韧性和碳化硅高强度、耐磨性等优势的结合会导致一种 新型具有低成本和优良性能的复合材料的诞生，因而具有一定的使用和经济价 值。 本课题将致力于寻求一种性能令人满意的s i c 颗粒增强铁基合金成分，并 进一步通过对烧结工艺参数对材料组织、结构与性能的影响以及烧结机理的研 究，探索出一种对该复合材料较佳的烧结工艺方法。 6 第二章试验原材料及测试原理 2 1 试验原材料 本试验中使用到的原材料有：铁粉、铜粉、石墨粉、高碳铬铁粉、镍粉、 钼粉、稀土盐( 铈) 、s i c 粉及润滑剂等。 ( 1 ) 铁粉：本课题在试验中所使用的铁粉是武汉钢铁公司粉末冶金厂生产 的粒度为一1 0 0 目还原铁粉。出厂前已经过退火处理。 铁粉的化学成分见表2 一l ( 合肥粉末冶金厂分析) ： 表2 一l 铁粉化学成分组成( 州) l f ecs im nps氢损酸不溶物 l9 7 5 2o 0 50 1 4o 2 60 0 2 8 0 0 2 70 5 70 5 0 ( 2 ) 铜粉：由上海第二冶炼厂生产，粒度为一2 0 0 目。 ( 3 ) 钼粉：由安徽省冶金科研所生产，粒度为3 4 t tm 。 ( 4 ) 镍粉：安徽省冶金科研所生产，粒度约为6 l tm 。 ( 5 ) 高碳铬铁合金粉：由浙江横山铁合金厂生产，平均粒度为8 0 5um 。 其化学成分如表2 2 所示。 表2 2 高碳铬铁合金粉成分组成( 州) ( 6 ) 稀土盐：选用由北京新华化学试剂厂生产的硫酸铈，为淡黄色粉末 化学式为c e ( 8 0 4 ) 2 4 h 2 0 ，分子量为4 0 4 3 0 。其杂质含量如表2 3 所示。 表2 3 硫酸铈的杂质成分( 、v t ) 氯化物重金属其它铈盐 其它稀土 卜 f e碱土金属 ( 以p b 计)( 以c e 0 2 计)金属 lo 0 8o 0 20 0 10 0 1 51 o1 o0 2 5 合肥工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 石墨粉：由上海胶体化工厂生产，纯度 9 9 8 5 ，颗粒度( 3 0 u m ) 9 5 。 ( 8 ) 碳化硅粉：采用由合肥新贵公司生产，平均粒度为7 um 的不规则形 状的六方系a 一碳化硅。根据有关资料，工业用六方系a 一碳化硅化学成 分如表2 4 所示。 表2 4 工业用碳化硅化学成分( w t ) ics iof ea l t i m g c as i c 10 0 30 5 9o 2 0 4 0 0 40 0 6 0 0 2 0 0 4 0 0 20 0 2 余量 _ ( 9 ) 润滑剂：选用华北地区特种化学试剂开发中心生产的华特牌纯硬脂 酸锌，其中z n o 含量为1 3 1 5 5 。 2 2 粉末冶金法工艺流程 2 2 1制备工艺流程 本课题试验采用粉末冶金法制备工艺，主要包括原材料的选择与成分配 制、粉末压制和烧结，以及烧结材料显微组织观察与性能测试等3 0 3 2 1 。具体 工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 烧结铁基合金材料的制备工艺流程图 台肥工业大学硕士学位论文 2 2 2筛分 试验中，所用的各种粉料在使用前需用标准筛网制成的筛子进行过筛分 级，使粉末能够分成大小范围较窄的若干等级，可以使以后的配料能按照颗粒 大小更精确地进行。此外，通过筛分去除铁粉中的氧化物和结团，避免可能引 起的烧结缺陷。 2 2 3混料 本试验中采用的混料方法为机械法干混混料。对各种原料粉进行精确称量 之后，将称量好的原料粉在球磨机中进行混合。粉末装入量以不超过混桶体积 的1 3 为宜，混料机回转速度6 0 9 0 转分钟，混料时间2 h 。待料混好后，将 其倒入研钵内，滴入适量机油或液体石蜡，搅拌均匀，则可以更好地避免因为 比重和粒度的差异而造成的成分偏析。 2 2 4压制 将混好的粉料装入刚性压制模具中，在y 4 1 6 3 a 型液压机上单向压制成 型。一般地，压坯的密度会随着压力的增加而提高。但由于粉末颗粒的加工硬 化、弹性后效以及模具的强度和压机压力的限制，不可能无限制提高压力。一 般工业用烧结铁基制品的压制压力大多在7 吨c m 2 ，这也是本试验所选择的压 制压力。在压制过程中，均匀、缓慢的加压和释压，以便使气体能够顺利排出， 同时保证粉末在型腔中充分填实。达到预定压制压力后，保压l o 秒钟。 2 2 5烧结气氛 烧结气氛的主要作用是防止或减少周围环境对烧结产品的有害反应，保证 烧结顺利进行和产品质量稳定；排除有害杂质，如润滑剂的分解产物；维持或 改变烧结材料中的有用成分 本试验中使用的铁粉、铜粉、镍粉和铬铁合金粉等在长期放置过程中，不 可避免地产生一定程度的氧化，严重影响压坯的烧结性能，并对烧结制品的力 学性能产生危害。因此，本试验采用h 2 保护气氛，露点为- - 2 0 。c 。经过分析， 可以起到还原压坯中粉末颗粒表面的氧化膜，促进烧结，并防止压坯进一步氧 化的作用。 2 2 6烧结工艺 图2 2 是强化型铁基合金的烧结工艺曲线图。图中第一个保温阶段是为 9 合肥工业大学硕士学位论文 了去除压坯中的润滑剂，在达到烧结温度后，保温l h 。烧结完成后，切断电 源，试样随炉冷却，待其冷至2 0 0 。0 以下再关闭气源，以避免试样在冷却过程 时发生氧化。 烧 结 温 度 ( 烧结时间，t ( h ) 图2 2 烧结工艺曲线图 2 3 烧结铁基合金材料的性能测试 2 3 1 致密度 烧结体的孔隙度和密度是烧结材料的一个基本性能参数，相对密度的大小 可以反映出烧结过程的进行程度。对同种成分的材料而言，烧结密度的提高往 往伴随着硬度、强度等力学性能的提高。孔隙度和密度的测定是控制粉末冶金 材料质量的主要方法之一【5 , 6 1 。 相对密度p 目( 致密度) 是烧结密度p 与理论密度p 。之比 p 目= p 饶p 目1 0 0 ( 2 1 ) 烧结密度p 烧可采用量度几何尺寸计算的方法，也可采用液体静力学称量方 法来测定。用液体静力学称量法时，为了不让液体介质进入孔隙，可浸渍熔石蜡、 油等物质，使烧结体的开孔隙饱和或堵塞。试样密度用式( 2 2 ) 进行计算： p 2 l l ilp ( t u 2 一“3 )( 2 2 ) 其中，p 称量时所用液体介质的密度，若用蒸馏水，p = 1 克厘米3 ； i l l l 试样在空气中的重量； m 2 浸渍后试样在空气中的重量； i l l3 浸渍后试样在液体介质中的重量。 理论密度1 3n 的计算方法为各组分的理论密度乘以其百分含量之和。 合肥工业大学硕士学位论文 2 3 2 硬度 硬度是材料抵抗变形的能力，是材料的一种重要的机械性能。硬度值的大 小不仅取决于材料的成分和组织结构，而且还取决于测量的条件。它是弹性、 塑性、塑性变形强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的综 合性能指标”j 。 本试验中硬度测定采用布氏硬度测定法，根据g b 2 3 1 8 4 ，在h b - - 3 0 0 0 型布氏硬度机上进行，载荷7 5 0 千克，保压1 0 秒，压头直径为5 n u n 。 2 3 3 抗拉强度 单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的力学性能试验方法之一。这种实验 方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的。通过拉伸实验可以标定出 金属材料的最基本力学性能指标抗拉强度a 。这个指标是评定金属材料 性能的重要依据 3 6 , 3 7 1 。实验在长春试验机研究所研制的c s s 2 2 0 5 型电子感应拉 伸试验机上进行，加载速度为1 0 m m m i n 。 2 3 4 耐磨性 图2 3环块磨损模型示意图 机器零件在摩擦作用的过程中，发生一系列机械、物理、化学的相互作用， 以致机件表面发生尺寸变化和物质损耗，这种现象称为磨损。磨损是决定机械 寿命的重要因素。由于磨损有可能使零件断面削弱而断裂，或引起与这零件毗 连的其他零件增加附加应力而断裂，因此，生产上总是力求提高零件的耐磨性 能，从而延长枫件的使用寿命【3 8 】。 s i c f e 基复合材料作为一种耐磨材料，其耐磨性能的好坏是评价该材料性 合肥工业大学硕士学位论文 能的决定指标。磨损量最常用的是重量磨损量和体积磨损量，本试验中的采用 体积磨损量来表示耐磨性能，在m m - - 2 0 0 型滚子式摩擦磨损试验机上测试， 根据g b l 2 4 4 4 1 1 金属磨损实验方法m m 型磨损实验进行。试样尺寸为 7 m m 7 m m 3 0 m m ，表面统一经3 2 0 目预磨后，再用l 号金相砂纸精磨，最 后用丙酮清洗、吹干。对磨环为g c r l 5 制成的圆环，内径1 6 m m ，外径4 0 r a m ， 硬度h r c 5 8 - - 6 0 。在室温下，对磨环以2 0 0 r m i n 的速度旋转，与试样形成滑 动摩擦，磨损时间为6 0 分钟，预加载荷f 为1 5 公斤力，直接加于试样上， 如图2 3 所示。 磨损量通过测量磨痕宽度求得磨痕体积来表征，公式为 3 9 】： 矿= b 2 s i n 。( b 2 r ) - b 2 p _ 6 2 4 胁等 式中：4y 体积磨损量，m m 3 5 r 对磨环直径，l n n l ； b 磨痕宽度，m i l l ； b 试样宽度，n l i n ； 合肥工业大学硕士学位论文 3 1 基体合金化 第三章铁基复合材料的成分优化 3 1 1合金元素的选择 对s i c f e 基复合材料而言，由于s i c 粒子与f e 基体之间在烧结过程中会 发生化学反应，大幅度降低材料的机械性能，因而设计过程中应重点解决这一 问题。合金元素的加入可能起到强化基体，延缓s i c 与基体的化学反应，或在 s i c 与基体的晃面形成强化相以夹持粒子等方面的作用。因此本实验在以往研 究的基础上，进一步考虑在f t g 7 0 3 c u 3 5 材料中加入n i 、m o 、c r 及稀土等 元素，以求取得较为理想设计效果。 各种合金元素可能起到的作用及添加方式考虑如下 4 1 , 4 2 ： 镍元素：镍元素起固溶强化的作用。同时，添加镍元素可提高淬透性，得 到多且细的珠光体，且珠光体中铁素体含量大，故强度提高而塑性和韧性不降 低。镍元素以镍粉方式加入。 铬元素：可以稳定过冷奥氏体，改善基体组织；提高抗氧化性能和抗腐蚀 性能；提高淬透性，同时有强烈形成坚硬而稳定的碳化物的倾向，从而可以提 高硬度和耐磨性。铬元素以高碳铬铁合金粉形式加入。 钼元素：强碳化物形成元素，具有强化铁素体的能力；强淬透性元素，可 提高基体材料的耐磨性。以钼粉方式加入。 稀土元素：一方面，稀土元素是化学活性极强的元素，可以与钢中的有害 元素( 氧、氮、硫等) 发生激烈的作用，从而减轻和消除这类微量杂质的有害 影响；另一方面，稀土与钢中的合金元素发生作用，改善组织和提高韧性。稀 土元素的加入方式为向基体中添加稀土盐，本试验中采用的是硫酸铈。 3 1 2实验方案的确定 任何一项试验，都存在着如何安排试验以及如何分析试验结果的问题，这 就是试验设计所要解决的问题。一个科学的试验设计应能做到以下两点：一是 试验次数尽可能少；二是能用少量试验所获得的试验数据，得出有说服力的正 确结论。本实验中要解决的问题是选择合金成分配比的最优方案，即优选问题。 通常，对单因素优选法，有0 6 1 8 法、分数法、对半法等；双因素优选法，有 平行线法、交替法、调优法等。然而，本实验中为多因素问题，对这类试验进 行设计，通常采用正交试验法【4 3 , 4 4 j 。 按照正交试验法一般步骤，确定实验方案如下： ( 一) 明确试验目的，确定试验指标。 首先要明确试验的目的，即试验要解决什么主要问题。对本课题中的成分 设计而占，试验的主要目的是寻求性能优异的成分配比。 ( 二) 因素及水平的选择 根据专业知识和实际经验，找出对指标有影响的一切可能因素，对之分类。 一类是不能被挑为试验因素的：如由于测试技术未臻完善，尚测不出因素 的数值者、虽能测出但不能把因素控制在指定水平上者以及无需关注的非重要 因素。例如，在本课题成分设计试验中，铜、钼及润滑剂的含量是无需关注的 因素。 另一类是能被挑为试验因素的。一般应选我们要研究的影响尚不清楚的因 素以及估计可能是重要的因素，而将其余因素固定在适当水平上。但是，由于 若漏掉重要因素会大大降低试验效果，且正交表是安排多种因素试验的得力工 具，有时增加一、二个因素也并不增加试验次数，所以，一般倾向于多考察些 因素。 在选定试验因素后，应进一步确定因素的变化范围，即选定水平。本试验 中，在借鉴以往研究经验的基础上，选择镍、稀土、铬、碳四种元素作为试验 因素( 为简化试验的复杂性，对合金元素之间的交互作用暂且不加考虑) 。其 中，镍元素含量的三个水平分别为：l 、2 、3 ( 、v t ) ；稀土元素含量的三个水 平分别为：0 2 、0 1 、0 ( w t ) 。 因素和水平选定之后，应排出因素水平表。各因素中水平的排列顺序应是 随机的，不要都按大小顺序来排，具体如表3 1 所示。 表3 1因素水平表 abcd 因素 n i ( w t )c e ( w t )c r ( w t )g ( w t ) 1 水平 10 120 8 2 水平 20 21 51 2 3 水平 3011 0 其它成分含量为：m o _ 如5 w t ：c u 一3 州； 硬脂酸锌一o 5 w t ；f e 一余量 ( 三) 选用正交表、确定试验方案 选用正交表时，先看需要的是几水平的正交表，再看有几个因素( 包括要 研究的交互作用个数) ，然后选择能够考察上述因素和水平的最小的正交表。 本试验选用l 9 ( 4 3 ) 正交表。排表头时，要求每一列只能排一个因素。排好表 头后，根据因素水平表，把各水平填入选定的正交表相应的字码位置上，试验 全墨三些查堂堡主兰堡兰苎一 方案便确定妥，方案表如表所示( 表3 2 ) 。 3 2 基体合金化试验方案表 、因素 a bcd 试验号、 n i ( w t )c e ( w t ) c r ( 、v t )g ( w t