简介概要

Mg对无压自浸渗制备SiC_p/Al复合材料组织与性能的影响

来源期刊：中国有色金属学报2002年第z1期

论文作者：张全萍许伯藩吴新杰王蕾

文章页码：147 - 150

关键词：无压自浸渗； SiC_p/Al复合材料； Mg

Key words：pressureless infiltration； SiC_p/Al composites； Mg

摘要：采用无压自浸渗法制备SiC_p/Al复合材料。研究了Mg含量对SiC_p与Al之间浸润性的影响;探讨了Mg含量对SiC_p/Al复合材料的组织与性能的影响及其作用机理。结果表明,加入的Mg与SiC_p表面的氧化物薄膜和铝基体发生反应,生成物会阻止SiC_p与Al基体反应生成Al₄C₃脆性相,同时SiC_p表面的微反应也增加了基体与SiC_p的结合强度,改善了基体与SiC_p之间的浸润性,从而使复合材料的耐磨性提高了3～4倍。

Abstract: The SiC_p/Al composites was fabricated by pressureless infiltration method, the behavior of different fraction of Mg addition on the microstructure and mechanical properties was investigated. It indicates that MgAl₂O₄, a reaction product at the surface between oxide films of SiC and the matrix, can hinder the fragile Al 4C 3 which could be produced between SiC and the matrix directly. On the other hand it enhances the bonding between SiC and the matrix and improves the properties of the composites at the same time.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.032

Mg对无压自浸渗制备SiC_p/Al复合材料组织与性能的影响

张全萍许伯藩吴新杰王蕾

武汉科技大学材料与冶金学院

武汉科技大学材料与冶金学院武汉430081

摘要：

采用无压自浸渗法制备SiCp/Al复合材料。研究了Mg含量对SiCp 与Al之间浸润性的影响 ;探讨了Mg含量对SiCp/Al复合材料的组织与性能的影响及其作用机理。结果表明 , 加入的Mg与SiCp 表面的氧化物薄膜和铝基体发生反应 , 生成物会阻止SiCp 与Al基体反应生成Al4 C3 脆性相 , 同时SiCp 表面的微反应也增加了基体与SiCp 的结合强度 , 改善了基体与SiCp 之间的浸润性 , 从而使复合材料的耐磨性提高了 3～ 4倍。

关键词：

无压自浸渗;SiCp/Al复合材料;Mg;

中图分类号： TB331

收稿日期：2001-10-09

Effect of Mg on microstructure and properties of SiC_p/Al composite fabricated by pressureless infiltration

Abstract：

The SiC p/Al composites was fabricated by pressureless infiltration method, the behavior of different fraction of Mg addition on the microstructure and mechanical properties was investigated. It indicates that MgAl 2O 4, a reaction product at the surface between oxide films of SiC and the matrix, can hinder the fragile Al 4C 3 which could be produced between SiC and the matrix directly. On the other hand it enhances the bonding between SiC and the matrix and improves the properties of the composites at the same time.

Keyword：

pressureless infiltration; SiC p/Al composites; Mg;

Received： 2001-10-09

随着科技的发展和工业生产对材料性能的要求日益提高, 单一的普通材料已越来越难满足实际需要。复合材料即是适应高性能要求而出现的先进材料。其中陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度及良好的耐磨性 ^[1] , 被广泛地应用于汽车及航空航天工业 ^[2,3] 。陶瓷相中SiC具有密度低、硬度高、弹性模量高、耐磨、耐蚀及成本低廉等优点而成为较理想的增强材料, 近几年来国内外以SiC作为增强相的铝基复合材料的研究工作备受关注 ^[3,4] 。有关SiC增强铝基复合材料的方法有很多, 如粉末冶金法、熔融铸造法、喷射沉积法及压力渗透法等, 但普遍存在工艺复杂, 成本过高等缺点而使产品难以广泛应用。新近提出了一种无压自浸渗法制备SiC增强铝基复合材料的新方法, 该法因成本低、工艺简单和易于工业生产而得到广泛的研究 ^[5,6,7] 。该法是在大气条件不借助于外界压力的作用下进行, 如何使增强体SiC与熔融铝或铝合金良好浸渗是一个非常重要的问题。本研究在采用无压自浸渗法制备SiC_p/Al复合材料时, 除加入一定量的助渗剂K₂TiF₆外, 重点考察添加活化剂Mg对所生成的SiC_p/Al复合材料的制备工艺及其组织结构与性能的影响。

1 实验

实验用金属基体为工业纯铝 (99.6%) , 增强体为80 μm SiC粉, 助渗剂为K₂TiF₆ (化学纯) , 活化剂为Mg粉 (化学纯) 。

将SiC粉经超声波清洗1 h, 然后加热到600 ℃保温2 h净化预处理。 K₂TiF₆经180 ℃烘干40 min。按一定的配比把处理过的SiC粉、 K₂TiF₆粉及Mg粉等均匀混合, Mg粉的加入量分别为0, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%。然后将混合粉末置于钢制铸模中加热至600～680 ℃备用。另在电阻炉中将纯铝加热熔化并升温至800～900 ℃, 将铝液浇铸入上述预热的粉末混合体中, 保温2 h后空冷, 即得SiC_p/Al复合材料。对获得的试样分别进行宏观形态和微观组织观察, 沿着试样径向1/4处纵截面测定布氏硬度。在D/MAX-Ⅲ型X射线衍射仪上进行结构分析。并在自制的耐磨装置上进行了耐磨性对比试验。

2 结果与分析

2.1 宏观形貌特征与硬度分布

观察试样宏观横截面断口发现, 未加活化剂Mg的试样中心呈现较多的气孔与疏松, 而随Mg的加入增多, 中部的气孔与疏松逐渐减少直至消失。沿着试样径向1/4处纵截面测定布氏硬度分布如图1所示。由于SiC与Al之间密度的不同, 导致铸件冷却后出现SiC颗粒上下分布不均, 致使硬度值由下而上逐渐降低。未加活化剂Mg的试样中, 硬度值很快就下降到纯铝的硬度数值, 这表明纯铝的浸渗较浅。随着Mg的加入, 硬度值由底部的高值较缓慢的降低至上部纯铝的硬度值。这反映出由于活化剂Mg元素的加入, 致使金属液的表面张力下降 ^[8] , 使铝液浸渗时流动性增加, 浸渗的深度也随之增加。

图1 Mg加入量不同时渗层深度与硬度关系曲线

Fig.1 Relationship between infiltration depth and hardness with different addition of Mg

2.2 微观组织

图2给出了不同的Mg添加量时SiC_p/Al复合材料的显微组织。如图2 (a) 所示, 未加活化剂Mg的试样中SiC颗粒分布不均匀且多有棱角, 同时还有少量条状的脆性相Al₄C₃及孔洞与疏松存在; 而加入1%Mg的复合材料中SiC颗粒分布均匀, 棱角减少甚至于接近椭球形, 无孔洞与疏松存在, 组织中只观察到Al基体与SiC颗粒 (图2 (b) ) 。这将使复合材料在承载时缓和应力集中, 利于载荷传递, 使力学性能得以提高。但是, 当加入的Mg量超过1.0% 时, 制备的复合材料中虽然有部分的颗粒结合较紧密, 但又出现了偏聚和孔洞现象。图2 (c) 所示复合材料中添加Mg的量为1.5%。

2.3 X射线衍射分析结果

图3所示为SiC_p/Al复合材料的X射线衍射分析结果。未加活化剂Mg的试样如图3 (a) 所示, 表明除了有SiC颗粒相与Al基体相外, 还存在一定量的Al₄C₃相, 这与图2 (a) 所示的微观组织结果相一致。图3 (b) 所示的X射线衍射分析结果表明, 复合材料中除了有SiC颗粒相与Al基体相外, 还有少量的MgAl₂O₄相存在。

图2 复合材料的显微组织照片

Fig.2 Optical micrographs of composites (a) —No addition of Mg; (b) —1%Mg; (c) —1.5%Mg

2.4 耐磨性实验结果

复合材料的耐磨性实验结果如图4所示。结果表明, Mg的加入对复合材料的耐磨性影响是显著的。未加Mg的试样其磨损量与时间几乎成正比例关系。加入Mg的试样, 开始时磨损量极少, 在15 h之后磨损量逐渐增加, 但磨损曲线平缓, 且耐磨性较未加Mg的试样提高3～4倍。这可能是在加入Mg之后, 一定程度上改善了基体和SiC颗粒之间的浸润性, 增加了两者之间的结合强度, 减少了孔洞和疏松, 从而改善复合材料的耐磨性。

3 讨论

以上结果表明, Mg的加入一方面减少了熔融金属铝表面的张力, 降低了SiC颗粒和熔融金属铝

图3 SiCp/Al复合材料的X射线衍射谱

Fig.3 XRD patterns of SiC_p/Al composites (a) —No addition of Mg; (b) —Addition of 1%Mg

图4 SiCp/Al复合材料的耐磨曲线

Fig.4 Curves showing wear-resistance of SiC_p/Al composites

的表面能, 增加了复合材料的流动性, 从而提高了熔融金属铝和陶瓷填充料SiC颗粒之间的浸润性。另一方面, 加入的Mg在遇到高温熔融铝液时也会燃烧放出大量的热, 促进助渗剂K₂TiF₆的分解, 从而有利于Al₂O₃膜的破裂, 使熔融金属铝和增强体SiC颗粒直接接触, 改善了它们之间的浸润性 ^[8] ; 也提高了制备的复合材料的流动性, 使反应生成的K和Al的氟化物上浮于Al液的表面, 减少了SiC颗粒偏聚和孔洞现象发生。

加入的Mg可以与基体铝及SiC颗粒表面上的氧化物薄膜反应生成MgAl₂O₄相, 减少了SiC颗粒直接与熔融铝之间的界面反应, 阻碍脆性相Al₄C₃的生成 ^[10] , 改善基体和陶瓷颗粒的结合强度, 从而改善了复合材料的力学性能。其反应方程式如下:

Mg+2SiO₂+2Al=MgAl₂O₄+Si

但是, 当加入的Mg量过多时, 产生过厚的MgAl₂O₄相对复合材料的强度和塑性不利 ^[11] 。在本实验中, 当加入的Mg量超过1%时, 因过量的Mg在遇到高温熔融铝时燃烧放出大量的热, 使助渗剂K₂TiF₆过早分解, 未能起到助渗的作用, 使一部分SiC颗粒与铝基体之间的接触较差, 整个复合材料的流动性并没有大的提高, 使组织中又出现孔洞和SiC颗粒偏聚现象。结果导致纵向截面布氏硬度由下至上较快下降, 耐磨性也较加入Mg量为1%时的试样下降。