在石墨基體上制備耐磨的SiC鍍層研究

張效華 胡躍輝 楊 豐 辛 鳳 范躍農(nóng) 曾慶明 陳義川

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

碳化硅(SiC,Silicon Carbide)是一種人造材料，是以共價(jià)鍵為主要鍵型的化合物，碳和硅之間靠共價(jià)鍵結(jié)合，但硅原子和碳原子之間存在著電負(fù)性差，因而硅原子和碳原子的結(jié)合有部分的離子鍵性質(zhì)。它具有許多優(yōu)異的性能，如耐磨削、耐高溫、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性、寬帶隙以及高電子遷移率等，被廣泛應(yīng)用于磨料磨具、耐火材料、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、半導(dǎo)體材料、非線性電阻材料以及高溫、大功率電子元器件等領(lǐng)域，所涉及到行業(yè)有冶金、石油、化工、建材、航空航天、機(jī)械、激光和微電子等領(lǐng)域[1,2]。

SiC最早發(fā)現(xiàn)的特性之一就是它的硬度和耐磨性，并且作為磨料得到了廣泛的應(yīng)用。其硬度和耐磨性?xún)H次于金剛石，散狀和粒狀的SiC也被用作切割和磨削用精密和半精密砂輪，以及用于金屬和光學(xué)玻璃的精磨和拋光[1,2]。SiC也具有非常高的化學(xué)穩(wěn)定性，在室溫下能抵抗任何己知的酸性蝕刻劑，同時(shí)也具有較好的抗氧化性能，這是因?yàn)樵诟邷貤l件下SiC材料表面產(chǎn)生了一層非常薄的、連續(xù)的、致密的SiO2膜，阻止了SiC的繼續(xù)氧化。

工業(yè)合成SiC的主要方法一直是Acheson固相法，其本質(zhì)是大電流通過(guò)石墨質(zhì)爐芯產(chǎn)生高溫使?fàn)t芯周?chē)匆欢ū壤渲玫奶假|(zhì)原料和硅質(zhì)原料發(fā)生碳熱還原反應(yīng)生成SiC結(jié)晶。采用的原料為石英砂、石油焦、煤焦、木屑和石墨等[1-3]。在SiC的工業(yè)冶煉過(guò)程中，主要合成綠碳化硅和黑碳化硅，綠碳化硅硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，性脆而鋒利，含SiC97%以上；黑碳化硅有金屬光澤，含SiC95%以上，強(qiáng)度大于綠SiC，但硬度較低。

本實(shí)驗(yàn)在合成冶煉黑色SiC的過(guò)程中，采用固相反應(yīng)沉積的方法，在結(jié)晶筒內(nèi)放置石墨基板，制備黑色SiC鍍層。SiC鍍層主要成分為SiC，主要具有超硬耐磨特性，可以作為磨具使用。磨料是在磨削，研磨和拋光中起切削作用的材料，磨具是磨料和結(jié)合劑按一定形狀和尺寸黏結(jié)而成用于磨削的工具，用以磨削、研磨和拋光?？梢约庸げＡ?、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等，也可用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃，汽缸套和精磨高速鋼刀具以及超精加工等[4-6]。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料選用石英砂、無(wú)煙煤、天然石墨、石墨化電極粒、食鹽、木屑。其中石英砂、無(wú)煙煤用作反應(yīng)原料，石英砂作為硅質(zhì)原料，無(wú)煙煤作為碳質(zhì)原料。石英砂成分的工業(yè)分析結(jié)果表明SiO2含量為99.3%，無(wú)煙煤成分的工業(yè)分析結(jié)果表明固定碳含量為85.2%。天然石墨作為基板，電極使用。石墨化電極粒用來(lái)制備爐內(nèi)高溫電極。食鹽的主要作用是高溫下同原料中的金屬氧化物雜質(zhì)生成低共熔物，氣化后在擴(kuò)散動(dòng)力的作用下，低共熔物轉(zhuǎn)移到低溫部位。木屑用來(lái)調(diào)節(jié)爐體的透氣性。

主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：混料機(jī)，燒成爐。采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法原理進(jìn)行SiC的合成，SiC合成爐包括供電系統(tǒng)、爐體和冷卻系統(tǒng)三部分組成。其中供電系統(tǒng)由變壓器、整流設(shè)備和電控系統(tǒng)組成。燒成爐的爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

使用X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)分析SiC鍍層的晶相結(jié)構(gòu)；采用隧道掃描電鏡(SEM)分析了鍍層的表面形貌；采用AKASHI型維氏顯微硬度計(jì)，隨機(jī)測(cè)試鍍層硬度；采用MP-200磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量SiC鍍層的磨損特性。

2 結(jié)果與討論

電阻爐在裝爐完畢后，開(kāi)始供電。爐芯溫度在供電初期呈線性緩慢升高。供電約1h時(shí)，爐芯溫度開(kāi)始趨向恒定；供電1h后，爐芯溫度穩(wěn)定在2200℃范圍內(nèi)。SiC合成冶煉爐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布可通過(guò)紅外線測(cè)溫儀和溫度場(chǎng)的模擬進(jìn)行分析，分析可知結(jié)晶筒的爐芯到外層，溫度在2200℃～1600℃范圍內(nèi)。二氧化硅與碳的混合物在爐內(nèi)被加熱，溫度達(dá)到1300～1350℃時(shí)，二氧化硅蒸氣達(dá)到了一定的量值，與碳開(kāi)始作用生成碳化硅?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下式所示：

但比較明顯的反應(yīng)則要有較高的溫度。1800℃時(shí)二氧化硅的蒸氣壓達(dá)到10mm汞柱，這時(shí)反應(yīng)才相當(dāng)激烈。在爐內(nèi)的溫度下，碳的蒸氣壓很低，實(shí)際上是以固體狀態(tài)參與反應(yīng)的。二氧化硅蒸氣不斷地侵入到碳粒的內(nèi)部，侵蝕碳粒，漸漸反應(yīng)直至把碳粒消耗完畢，因此碳粒表面及其微孔表面積的大小，在相當(dāng)大程度上影響著某溫度下的反應(yīng)速度。同樣原理，在石墨基板上也會(huì)生成SiC鍍層，隨著供電時(shí)間的增加，SiC鍍層逐漸變厚，成為連續(xù)致密的鍍層。

在出爐后，可以發(fā)現(xiàn)石墨基板上附有SiC鍍層，隨機(jī)取SiC鍍層的三個(gè)部分進(jìn)行物相分析，圖2為SiC鍍層的XRD分析圖譜。測(cè)試條件：Cu靶(Kα)，加速電壓：48Kv，管流：120mA，狹縫10100.6mm,掃描角度30～900，掃描速度：100/m。從圖2可知，鍍層三個(gè)部分的隨機(jī)測(cè)試表明物相均為SiC高溫相，鍍層中也有SiO2，F(xiàn)e3Si雜相出現(xiàn)，這是由原料的雜質(zhì)所促使，實(shí)驗(yàn)中所有原料均為工業(yè)原料。

圖3為SiC鍍層的SEM圖。測(cè)試儀器：日本理學(xué)公司JCXA-733型電子掃描顯微鏡。測(cè)試條件：加速電壓20Kv，電流70μm，工作距離15mm。圖3為鍍層不同位置的隨機(jī)測(cè)試效果。圖3(a)放大倍數(shù)為52倍，可以發(fā)現(xiàn)鍍層SiC在石墨基板上呈現(xiàn)片狀生長(zhǎng)，有少量空隙出現(xiàn)，鍍層表面不平整。圖3(b)放大倍數(shù)為250倍，也伴隨少量空隙出現(xiàn)，整體來(lái)說(shuō)此位置比較平整。圖3(c)放大倍數(shù)為1000倍，可以發(fā)現(xiàn)鍍層呈現(xiàn)出片狀SiC晶體生長(zhǎng)，片與片之間具有明顯界限，圖中針狀為晶界。圖3(d)放大倍數(shù)為1200倍，這是以一定的傾角去觀察鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到，鍍層一層一層以堆垛的形式生長(zhǎng)在基板上面。晶界也相當(dāng)明顯。比較(a)(b)(c)(d)四幅圖來(lái)看，呈現(xiàn)出形態(tài)各異的狀況，但是實(shí)為連續(xù)致密的SiC鍍層。從鍍層的斷面也可以觀察到鍍層與基板結(jié)合緊密，這是由于與石墨基板的化學(xué)反應(yīng)。鍍層的厚度約為2mm，不過(guò)隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，可以影響鍍層的厚度。

采用AKASHI型維氏顯微硬度計(jì)，隨機(jī)測(cè)試鍍層硬度。由于鍍層的形成過(guò)程是高溫下反應(yīng)沉積，主要成分就是SiC，所以測(cè)試結(jié)果基本為SiC晶體的硬度。隨機(jī)測(cè)試鍍層的三個(gè)區(qū)域，硬度的平均值為1120HV，當(dāng)然鍍層的硬度與晶體的缺陷，厚度，致密度，純度都有很大的關(guān)系。

SiC鍍層不僅有優(yōu)良的抗氧化性，抗高溫特性，也具有優(yōu)良的耐磨特性。采用MP-200磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量SiC鍍層的磨損特性。鍍層的不同位置磨損測(cè)試表明：磨損面磨損均勻，沒(méi)有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。磨損機(jī)制為硬質(zhì)顆粒的磨粒磨損，這主要?dú)w因于鍍層中SiC晶粒的生長(zhǎng)，呈現(xiàn)出良好的耐磨能力。

3 結(jié)論

本文在合成冶煉黑色SiC的過(guò)程中，采用固相反應(yīng)沉積的方法，在石墨基板上制備SiC鍍層，獲得的C鍍層連續(xù)致密。XRD結(jié)果表明物相均為SiC高溫相，鍍層中也有SiO2，F(xiàn)e3Si雜相出現(xiàn)。鍍層的厚度約為2mm，鍍層以堆垛的形式在基板上生長(zhǎng)，具有明顯晶界。鍍層硬度的平均值為1120HV，磨損機(jī)制為顆粒磨損。具有良好的耐磨能力。

1楊斌.多熱源多向流合成電工碳化硅的中試實(shí)驗(yàn)研究.西安:西安科技大學(xué),2005

2樊子民.電致發(fā)熱多孔陶瓷的制備及其性能研究.西安:西安科技大學(xué)

3張效華.碳化硅電熱元件制備工藝的優(yōu)化.工業(yè)加熱,2007,36 (3):60～64

4余歷軍,田林海,朱玲菊,朱曉東,張秀成.表征硬質(zhì)鍍層力學(xué)性能的方法.機(jī)械工程材料,2005,29(7):4～6

5黃鶴,何家文.刀具的抗磨和減摩鍍層.機(jī)械工程材料,2002,38 (7):155～157

6趙夕,徐強(qiáng),丁飛,劉興江.石墨基體上電沉積銅成核機(jī)理的研究.電鍍與精飾,2010,32(10):1～4