SiC_p_Cu復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能(2)

1、SiC p /Cu 復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能王春華1,2,關(guān)紹康1,張銳1(1.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州450001;2.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州450007摘要:采用非均相沉淀包裹法制得銅包SiC 復(fù)合粉體,利用熱壓燒結(jié)工藝制備了含有體積分?jǐn)?shù)為20%65%SiC 顆粒的SiC p /Cu 復(fù)合材料。用X 射線衍射儀、掃描電鏡、能譜分析等測試方法對試樣進(jìn)行了成分和微觀形貌分析。結(jié)果表明:包裹法制得的SiC p /Cu 復(fù)合材料中基體銅形成連續(xù)的結(jié)構(gòu),SiC 分散較均勻;隨著SiC 含量的增加,試樣孔隙率提高,抗彎強(qiáng)度下降;而硬度則先增后降,并在SiC 體積分?jǐn)?shù)為

2、35%時出現(xiàn)最大值;所有試樣均表現(xiàn)為脆性斷裂。關(guān)鍵詞:SiC p /Cu 復(fù)合材料;包裹;熱壓燒結(jié)中圖分類號:TB303文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100023738(20070920048203Microstructure and Mechanical Properties of SiC p /C u CompositesWANG Chun 2hua 1,2,GUAN Shao 2kang 1,ZHANG Rui 1(1.Zhengzhou University ,Zhengzhou 540001,China ;2.Henan University of Technology ,Zhengzh

3、ou 540007,China Abstract :Cu coated SiC composite powders were made by the heterogeneous precipitation coating method andthe hot pressing process was used to prepare SiC p /Cu composites with 20%-65%SiC particles.The composition and microstructure of samples were characterized by X 2ray diff raction

4、 ,SEM with EDS.Continuous matrix copper is obtained in the composites with the SiC particles distributed uniformly.The porosity of the composites increase ,but the flexural strength decrease with increasing fraction of SiC p .The composites with 35%SiC p show the highest hardness.All samples exhibit

5、 brittle f racture behavior.K ey w ords :SiC p /Cu composite ;coating ;hot pressing process0引言銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨性能和高的熔點,被廣泛用于電和熱的裝置與設(shè)備中;但較低的高溫力學(xué)性能又限制了它的應(yīng)用。SiC 則具有高的硬度、高的彈性模量、低的密度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性及熱穩(wěn)定性等,用它作增強(qiáng)材料制備的既能在高溫下使用,又具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的SiC p /Cu 復(fù)合材料已成為目前研究的熱點之一1-4。SiC p /Cu 復(fù)合材料的制備廣泛采用粉末冶金法,目前制備該復(fù)合材料的關(guān)鍵問題是解決細(xì)顆粒增強(qiáng)

6、體均勻分散、SiC 與銅的潤濕性和高溫反應(yīng)等問題5,6,有效方法是收稿日期:2006209214;修訂日期:2007201226基金項目:河南省杰出青年科學(xué)基金資助項目(512002200作者簡介:王春華(1965-,男,河南上蔡人,博士研究生。導(dǎo)師:關(guān)紹康教授采用包裹法和快速燒成工藝7,8,但對包裹和熱壓燒結(jié)制備的SiC p /Cu 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能還缺乏系統(tǒng)的研究。為此,作者采用包裹法和電導(dǎo)直熱式真空熱壓燒結(jié)工藝來制備SiC p /Cu 復(fù)合材料,并對其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。1試樣制備與試驗方法選用工業(yè)生產(chǎn)的2SiC 粉料,平均粒徑約為10m 。采用非均相沉淀包裹法制備

7、復(fù)合粉體。先制備含有不同量的SiC 粉料懸濁液,p H 值控制在3.0左右,超聲波分散15min ;再配制CuSO 4飽和溶液;將SiC 懸濁液注入CuSO 4溶液中,超聲波分散10min ,進(jìn)行磁力攪拌;分批加入鋅粉,強(qiáng)磁力攪拌30min ,待反應(yīng)完全后將懸濁液抽濾并清洗多次,在低于120下真空干燥即可獲SiC 含量為20%65%(體積分?jǐn)?shù)的銅包SiC 復(fù)合粉體。將制好的復(fù)合粉體放入石墨模具,用RVJ 215型真空熱壓燒結(jié)84第31卷第9期2007年9月機(jī)械工程材料Materials for Mechanical Engineering機(jī)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié),升溫速率為60/min ,燒結(jié)溫度為

8、700,燒結(jié)壓力為40M Pa ,保溫時間為10min 。試樣燒結(jié)后對表面進(jìn)行打磨和拋光,得到尺寸為3mm ×4mm ×36mm 的試樣。用阿基米德原理測得密度和孔隙率;用CM T4501型微機(jī)控制萬能試驗機(jī)進(jìn)行三點彎曲試驗,加載速率為0.5mm/min ;用HVS 250型數(shù)顯維氏硬度計測得試樣的硬度(載荷98N ,保壓時間10s ;包裹復(fù)合粉體和燒結(jié)試樣的相組成通過Philip s PW 1700X 射線分析儀(XRD 分析獲得;用Quanta 2200型掃描電鏡(SEM 及能譜分析儀(EDAX 觀察試樣表面、斷口形貌和進(jìn)行成分分析。2試驗結(jié)果和討論圖1表明包裹粉體與燒

9、結(jié)試樣的主要物相變化是Cu 2O ,而圖2則表明SiC 顆粒表面存在碳、氧、銅和硅四種元素(原子分?jǐn)?shù)分別為17.14%C ,17.14%O ,7.08%Cu 和58.64%Si ,這表明銅表面的Cu 2O 很可能與SiC 表面的少量SiO 2在SiC 與銅界面形成了Cu 2O 2SiO 2共熔物(玻璃相7。由圖3清楚可見,SiC p /Cu 試樣中銅基體都是連續(xù)的;在SiC 顆粒含量為20%35%范圍內(nèi),SiC p /Cu 具有幾乎相同的結(jié)構(gòu),致密化程度較高, 且圖1銅包SiC 復(fù)合粉體及燒結(jié)試樣的XR D 譜Fig.1XR D p atterns of Cu coated SiC compo

10、site powdersand sintered sample圖2燒結(jié)試樣斷口SiC 顆粒表面處的EDS 譜Fig.2EDS of interface close to the SiC grain within thefracture surface of sintered sampleSiC 顆粒分散較均勻;但當(dāng)SiC 顆粒含量為50%時,SiC p /Cu 具有明顯不同的結(jié)構(gòu),主要體現(xiàn)在SiC 顆粒有較多的聚集9 。(a20%SiC p (b35%SiC p (c50%SiC p圖3SiC p /Cu 復(fù)合材料表面的SEM 形貌Fig.3SEM micrographs of the sur

11、face of SiC p /Cu composites由圖4清楚可見,除與圖3反映出相同的結(jié)構(gòu)特征外,還能發(fā)現(xiàn)SiC 顆粒高高突起,其余部分仍被基體銅牢牢地包裹而未脫落,說明包裹法制得的試樣具有較高的SiC 2Cu 界面結(jié)合強(qiáng)度;銅基體已連接成片或膜緊緊地將SiC 顆粒包裹。同時隨著SiC 顆粒含量的增加,銅對SiC 顆粒的包裹減少。由圖5可見,SiC p 含量在20%35%時,試樣可以達(dá)到極高的致密度(孔隙率接近零;當(dāng)SiC p 含量在35%65%時,試樣的孔隙率隨SiC p 含量的增加而急劇提高。這種變化與試樣在熱壓燒結(jié)條件下的致密化機(jī)理有關(guān)。由于SiC 是以共價鍵結(jié)合為主,具有非常高的

12、熔點、硬度和極小的擴(kuò)散系數(shù);相反銅具有較低的熔點、較高的硬度和擴(kuò)散系數(shù),因此在700、40M Pa 燒結(jié)條件下,試樣的致密化主要是由銅的塑性變形和原子擴(kuò)散實現(xiàn)的,相反SiC 則起到阻礙銅的塑性變形和原子擴(kuò)散的作用,其結(jié)果是試樣的孔隙率隨SiC 含量的增加而提高10。由圖6可見,復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度隨SiC 顆粒含量的增加而降低。由對試樣斷口(圖4的分析已知,對于采用包裹法制備的SiC p /Cu 復(fù)合材料,SiC94 (a20%SiC p (b35%SiC p (c50%SiC p圖4SiC p /Cu復(fù)合復(fù)合材料斷口的SEM 形貌Fig.4SEM micrographs of the frac

13、ture surface of SiC p /Cu composites 顆粒含量的增加意味著銅的減少,會造成SiC 顆粒表面的銅包裹層變薄甚至不均勻,進(jìn)而影響SiC p 2Cu 的界面結(jié)合強(qiáng)度。另外,從對SiC 顆粒含量對試樣致密度的影響的分析結(jié)果已知,試樣孔隙率隨SiC 含量的增加而提高,而微氣孔在材料內(nèi)部通常被等同于微裂紋,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此SiC 含量的增加會使試樣強(qiáng)度降低。還可看出SiC 顆粒含量對復(fù)合材料硬度的影響與強(qiáng)度并不一致,表現(xiàn)為硬度隨著SiC 顆粒含量的增加先提高后降低,且在SiC p 含量為35%時出現(xiàn)最大值。通常,較高硬度的SiC 顆?？梢杂行У刈柚够w銅的塑性變形

14、而提高SiC p /Cu 復(fù)合材料的硬度。因此當(dāng)SiC p 含量在20%35%內(nèi)時,SiC p /Cu 復(fù)合材料的硬度隨SiC顆粒含量的增加而提高。由圖7可見,SiC p 含量在20%65%內(nèi)時,所有試樣的彎曲斷裂均屬于脆性斷裂。這是因為在SiC p 2Cu 界面形成了Cu 2O 2SiO 2共熔物(玻璃相,因此不難理解SiC p /Cu 復(fù)合材料所表現(xiàn)出的脆性斷裂行為。圖7不同SiC p 含量試樣的應(yīng)力2撓度曲線Fig.7The stress 2flexibility curves of the composites withdifferent SiC p contents3結(jié)論對于采用非均

15、相沉淀包裹法制得的銅包SiC 復(fù)合粉體,利用熱壓燒結(jié)工藝制備了SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)為20%65%的SiC p /Cu 復(fù)合材料,基體銅形成連續(xù)結(jié)構(gòu),SiC 分散較均勻,并通過形成Cu 2O 2SiO 2共熔物(玻璃相來提高SiC 和銅的界面結(jié)合強(qiáng)度。隨著SiC 含量的增加,試樣孔隙率提高,抗彎強(qiáng)度下降;而硬度則先增后降,并在SiC 含量為35%時出現(xiàn)最大值;所有試樣均表現(xiàn)為脆性斷裂。參考文獻(xiàn):J .機(jī)械工程材料,2003,27(11:18-21.2王偉,許曉靜.添加少量納米SiC p 對銅基材料電學(xué)和摩檫學(xué)性能的影響J .機(jī)械工程材料,2005,29(4:20-22.3Wu T F ,Qiu

16、Z W ,Lee S L ,et al .Effect s of graphite on wearand corrosion behaviour of SiC p 2reinforced copper matrix com 2posites formed by hot pressing J .Corros Eng Sci Technol ,2004,39(3:229-235.(下轉(zhuǎn)第54頁05圖7鍍液中Z rO 2含量對耐磨性能的影響Fig.7E ffect of nano Z rO 2p article content in solutionon w ear resistance of co

17、ating鍍層中納米顆粒的含量不同,引起顆粒在復(fù)合鍍層磨損過程中的作用機(jī)理也有所差異。當(dāng)顆粒添加量在2040g/L 時,復(fù)合鍍層的耐磨性能隨著ZrO 2。由圖8可見,由于鍍層中復(fù)合了彌散分布的ZrO 2硬質(zhì)顆粒,有效地降低了粘著磨損的撕裂現(xiàn)象和犁削效應(yīng)。當(dāng)顆粒添加量超過40g/L 時,磨損方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp,導(dǎo)致磨損量增加。圖8F e 2納米Z rO 2復(fù)合鍍層磨損表面形貌Fig.8Wear surface morphology of Fe 2nano Z rO 2composite coating3結(jié)論(1在氯化物低溫鍍鐵2納米ZrO 2復(fù)合鍍層工藝中,采用不對稱交流2直流電鍍方法可獲得內(nèi)應(yīng)

18、力小、致密的復(fù)合鍍層。鍍層為2Fe 體心立方結(jié)構(gòu)。(2當(dāng)鍍液中ZrO 2納米顆粒含量為30g/L ,p H 值為1,攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min ,陰極電流密度為20A/dm 2,施鍍溫度為3040時,ZrO 2顆粒在鍍層中彌散分布,鍍層平均硬度值達(dá)到800HV 。(3ZrO 2納米顆粒能有效改善鍍鐵層的耐磨性能,當(dāng)鍍液中ZrO 2納米顆粒含量為40g/L 時,降低了粘著磨損的撕裂現(xiàn)象和犁削效應(yīng),鍍層具有最佳的耐磨性能。參考文獻(xiàn):1Carim A H ,Dobbins T A ,G iannuzzi L A.Phase distributionin ,and origin of ,interfa

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