SiC粒子表面金屬鍍、機(jī)械包覆混料對(duì)SiCp-Fe復(fù)合材料性能影響的研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，因具有高強(qiáng)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(yīng)用前景。本文采用化學(xué)鍍的方法分別制備了鍍鎳和鍍銅的SiC粒子，研究了實(shí)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(qiáng)體通過(guò)電流直加熱動(dòng)態(tài)熱壓燒結(jié)工藝制備SiCp/Fe復(fù)合材料，研究了金屬鍍對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。針對(duì)SiC顆粒高體積分?jǐn)?shù)易于在SiCp/Fe復(fù)合材料中團(tuán)聚的問(wèn)題，提出了通過(guò)包

2、覆混料工藝來(lái)改善增強(qiáng)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(duì)不同含量、不同尺寸以及混合尺寸的SiC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料性能的影響。
　　本文采用傳統(tǒng)化學(xué)鍍鎳工藝對(duì)SiC粒子表面進(jìn)行鍍鎳工藝的研究，考察了化學(xué)鍍鎳處理對(duì)體積含量為10％和15％，尺寸為21μm、45μm和85μm的SiC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)溫度為91℃～93℃和pH值為4.6～5.0時(shí)，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(guò)控制鎳鹽加入量可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍層厚度的控制。SiC表面鍍鎳后，粒度為45μm，體積分?jǐn)?shù)為10％時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高最大可達(dá)22.9％。同時(shí)鍍鎳對(duì)延伸率也有顯著提高，SiC粒度為21μm，體積分?jǐn)?shù)為15％時(shí)，延伸率提高最大可達(dá)30.0％。
　　進(jìn)一步研究了SiC粒子表面化學(xué)鍍銅工藝以及鍍銅后對(duì)SiCp/Fe復(fù)合材料力學(xué)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(shí)，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(shí)，摩爾比為1∶2，對(duì)應(yīng)的銅鹽接近100％還原，此時(shí)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(shí)采用檸檬酸鈉與DL-蘋(píng)果酸混合作為絡(luò)合劑，且摩爾比為2∶1時(shí)，SiC粒子表面鍍層更光滑，覆蓋性更好。當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為20％時(shí)，鍍銅對(duì)SiCp/Fe復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的提高最大可達(dá)1

5、2.6％，此時(shí)對(duì)延伸率的提高為18.1％;而相應(yīng)的鍍鎳處理對(duì)抗拉強(qiáng)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(fù)合材料的性能后，發(fā)現(xiàn)鍍銅處理對(duì)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的提高也能達(dá)到與鍍鎳相同的效果，而且對(duì)延伸率的提高效果更好。這是由于鍍銅對(duì)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(duì)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(lái)提高SiCp/Fe復(fù)合材料的性能。
　　研究了

6、制備SiCp/Fe復(fù)合材料的最佳包覆混料工藝及該工藝下鍍銅對(duì)其力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:當(dāng)球料比為3∶1，轉(zhuǎn)速為200r/min，混料時(shí)間為3h時(shí)，鐵粉對(duì)SiC粒子的包覆效果最佳。包覆混料工藝相比于普通混料，對(duì)體積分?jǐn)?shù)為30％，粒度為21μm的未鍍銅SiC顆粒增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度提高了19.7％，延伸率提高了37.9％;而對(duì)鍍銅的顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)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(duì)體積分?jǐn)?shù)為30％的SiCp/Fe復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，通過(guò)包覆工藝改善分散均勻性的貢獻(xiàn)可提高7.2％，通過(guò)鍍銅工藝消除界面缺陷的貢獻(xiàn)可提高12.5％，因此減少界面缺陷對(duì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的提高更具有重要意義。
　　進(jìn)一步研究了SiC粒子含量和粒度對(duì)采用包覆混料結(jié)合鍍銅工藝制備的SiCp/Fe復(fù)合材

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

9、強(qiáng)度和延伸率改善效果更顯著，而對(duì)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(shí)，界面缺陷越多，而化學(xué)鍍對(duì)于減少界面缺陷的作用也愈加顯著，同時(shí)也阻止了SiC粒子之間的直接接觸，從而提高了復(fù)合材料的性能。本研究還探討了增強(qiáng)粒子混合尺寸對(duì)鍍銅SiCp/Fe復(fù)合材料性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:體積分?jǐn)?shù)為30％，等量混合10μm和21μm表面鍍銅的SiC粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的性能均好于單一尺寸粒子增強(qiáng)的復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度相對(duì)于

10、單一尺寸10μm和21μm顆粒增強(qiáng)的復(fù)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(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為20％時(shí)，等量混合21μm和45μm的SiCp/Fe復(fù)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(qiáng)的復(fù)合材料中，小尺寸顆粒能有效地提高基體的強(qiáng)度，而大尺寸顆粒更有效地承擔(dān)載荷傳遞的作用，綜合效應(yīng)的發(fā)揮