SiCpFe复合材料的研究

SiCpFe复合材料的研究
摘要:颗粒增强金属基复合材料(ParticulateReinforcedMetalMatrixComposites,简称PRMMC)是指弥散的硬质增强相的体积超过20%的复合材料,而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属的金属基复合材料。

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、性能各向同性等特性,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。

关键词:SiC粒子复合材料工艺
1颗粒强化钢铁基复合材料概况
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。

SiC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。

在铁基体中加入5%-15%的SiC,在1150℃烧结,SiC 会部分发生分解,其反应式为:SiC=Si+C(1)
反应生成的Si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SiC的材料的微观组织相比,复合材料的铁素体含量明显减少,主要由珠光体组成。

添加SiC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10-20倍。

铁良好的强度和韧性,与SiC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。

2工艺概况
作为铁基复合材料,尤其SiC/Fe基复合材料的制备工艺,目前主要有粉末冶金,离心铸造,喷射沉积,Osprey沉积以及液态金属-增强相混合等工艺。

其中主要的工艺为粉末冶金法,即PM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PM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。

通常情况下,成型压力为4～7t/cm2;烧结温度取1100～1150℃;为避免氧化,采用气体保护烧结,常用氢气、分解氨等。

3SiC含量对材料力学性能和耐磨性的影响
表1材料力学性能及其与SiC含量的关系
SiC颗粒含量对力学性能影响见表1所列。

添加SiC颗粒后,在其质量分数为5%～10%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27%～50%,耐磨性提高10～20倍,一方面是由于SiC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SiC质量分数在10%～15%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,SiC粒子加入后分布在晶粒内部和晶界上,存在于边界上的SiC会导致晶界薄弱,易于断裂。

另一方面是由于SiC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SiC颗粒增强铁基复合材料时,SiC质量分数在5%～10%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。

4基体与增强相界面研究的概况
研究表明,SiC粒子与基体铁的润湿性较差,且SiC在一定温度下会发生分解。

文献报道了在900℃保温60min,SiC与基体的界面处无任何变化;而保温180min 后,SiC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。

其反应式为
SiC→〔Si〕+C(s)或SiC(s)+Fe(s)=Fe3Si(s)+C(s)(2)
在粉末冶金条件下,这一过程不能忽略。

从材料的断口SEM图中可以看到SiC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SiC已发生分解,而造成界面结合很弱,SiC粒子已从基体中剥落。

目前,已在基体与增强相的界面研究方面取得了一定进展。

5SiC/Fe复p(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SiC颗粒增强铁基复合材料来说,烧结至关重要。

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p[4]徐波,丁厚福,郑治祥.(合肥工业大学材料科学与工程学院),SiC颗粒增强铁基复合材料的现状及展望,合肥工业大学学报(自然科学版),2002,25(1):19—22.。