陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法及研究進(jìn)展

汝娟堅(jiān) 賀涵

摘 要：陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于具有高的強(qiáng)度和高硬度，良好的耐磨性和塑性，以及易成形等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備、建筑材料、冶金設(shè)備等行業(yè)。文章對(duì)目前國(guó)內(nèi)外陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法和研究進(jìn)展作了介紹，討論了其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：陶瓷顆粒；復(fù)合材料；制備方法；進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0116-02

Abstract： Ceramic particle reinforced metal matrix composites are widely used in mechanical equipment， electrical equipment， building materials， metallurgical equipment and other industries because of their high strength and hardness， good wear resistance and plasticity， and easy forming. In this paper， the preparation methods and research progress of ceramic particle reinforced metal matrix composites at home and abroad are introduced， and their advantages， disadvantages and applications are discussed.

Keywords： ceramic particles； composite materials； preparation methods； research progress

1 概述

磨損是材料和工件等失效的主要原因之一，也是構(gòu)成能源消耗的主要組成部分。并且現(xiàn)今社會(huì)進(jìn)步的速度飛快，科技以及經(jīng)濟(jì)水平不斷的提升，企業(yè)也因?yàn)槟p及其帶來(lái)的消耗造成成本的大量增加。傳統(tǒng)的金屬耐磨材料更是難以在現(xiàn)代工業(yè)中立足，尋求新型的耐磨材料已刻不容緩。于是新型耐磨材料便出現(xiàn)在大眾的視野當(dāng)中，并將慢慢代替?zhèn)鹘y(tǒng)耐磨材料在各種領(lǐng)域的使用[1]。在大型耐磨設(shè)備使用較多的行業(yè)中，如機(jī)械設(shè)備、建筑材料、冶金設(shè)備等，對(duì)于機(jī)械零部件的磨損相當(dāng)嚴(yán)重。水泥行業(yè)中制粉用的磨輥、磨盤(pán)及耐磨襯板，采礦行業(yè)使用的板錘、錘頭、破碎機(jī)等均是磨損極為嚴(yán)重且集中的位置。隨著耐磨行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)耐磨材料的損耗也將繼續(xù)增加。因此，提高耐磨復(fù)合材料的性能，可顯著降低設(shè)備的磨損，節(jié)約生產(chǎn)的成本，同時(shí)還提升生產(chǎn)的效率，更有利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與現(xiàn)今的發(fā)展理念更是完美契合。

2 陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

2.1 基體材料的選擇

在復(fù)合材料中金屬基體的作用主要是固結(jié)增強(qiáng)相，同時(shí)傳遞和承受載荷，從而保證耐磨材料具有一定的塑性[2]。按照金屬基體的類(lèi)型可將復(fù)合材料分為鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、銅基、鋼鐵基等[3]。由于耐磨材料的強(qiáng)度、塑性等性能與金屬基體的種類(lèi)有密切關(guān)系，因此，在進(jìn)行顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材的設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中需要將金屬基體與增強(qiáng)相的相容性作為一項(xiàng)重要依據(jù)。當(dāng)基體與顆粒不能潤(rùn)濕或者能夠發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，將致使二者間的界面結(jié)合強(qiáng)度減弱；當(dāng)基體與顆粒既能潤(rùn)濕又能形成溫度的界面時(shí)，才是最有利的結(jié)合。另外，復(fù)合材料在實(shí)際使用時(shí)的工況、環(huán)境、介質(zhì)等也需要作全面考慮。

2.2 增強(qiáng)體的選擇

陶瓷顆粒在復(fù)合材料中作為金屬基體的增強(qiáng)相，具有較高的硬度和良好的耐磨性。常用的增強(qiáng)體主要有ZTA、Al2O3、SiC、WC、TiB2等，其顆粒尺寸一般在2～12μm，在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)一般為15%～20%。此外，陶瓷顆粒的諸多物理性質(zhì)，如硬度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱穩(wěn)定性等，都是在選擇復(fù)合材料增強(qiáng)體時(shí)應(yīng)該著重考慮的因素。若在復(fù)合材料制備過(guò)程中，陶瓷顆粒與金屬基體在界面上發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致界面上萌生裂紋。

3 陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基耐磨復(fù)合材料的制備方法

隨著現(xiàn)今科技的發(fā)展，具有單一性能的材料難以滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)及生產(chǎn)的要求，復(fù)合材料已經(jīng)穩(wěn)步出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，高性能復(fù)合材料的制備已經(jīng)成為了一個(gè)重要的話(huà)題。陶瓷顆粒具有良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性，目前，制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基耐磨復(fù)合材料的常見(jiàn)方法包括：粉末冶金法、固體分散法、噴射沉積法和鑄滲法等。

（1）粉末冶金法

粉末冶金法的特點(diǎn)是將金屬基體混入到兩種材料的粉末當(dāng)中去，然后進(jìn)行球磨處理。之后根據(jù)不同的條件采用不同的工藝，最后再進(jìn)行燒結(jié)處理。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是成本高，流程較長(zhǎng)。

（2）固體分散法

固體分散法主要包括攪拌鑄造法、流變鑄造法以及螺旋擠壓法。采用最多的是攪拌鑄造法。攪拌鑄造法是將陶瓷增強(qiáng)體加入到金屬基體液中，在機(jī)器中進(jìn)行高速的攪拌，讓它們進(jìn)行均勻混合后，再澆注到已經(jīng)準(zhǔn)備好的型腔里去。這個(gè)方法重點(diǎn)在于要求增強(qiáng)體和基體要有很好的結(jié)合力，且具有成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，可以一次就形成比較復(fù)雜的工件等優(yōu)點(diǎn)。

（3）噴射沉積法

噴射沉積法是將金屬液體流過(guò)導(dǎo)流管，在通過(guò)噴嘴出口時(shí)形成高速氣流，并在一定條件下撞擊到沉積表面，達(dá)到所需要求并獲得復(fù)合材料。缺點(diǎn)是價(jià)格非常貴，優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)很快，可以控制界面的變化。

（4）鑄滲法

對(duì)于陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料而言，鑄滲法由于具有對(duì)工藝設(shè)備要求低、生產(chǎn)流程短、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于復(fù)合材料的制備。該法的原理是利用高溫金屬液對(duì)陶瓷預(yù)制體的熔滲實(shí)現(xiàn)陶瓷顆粒在金屬基體中的彌散分布[4]。目前常用的方法有無(wú)壓鑄滲法、壓力鑄滲法和負(fù)壓鑄滲法等。無(wú)壓鑄滲法是利用毛細(xì)管力的作用，從而使金屬液鑄滲進(jìn)入到預(yù)制體中形成復(fù)合材料的過(guò)程，該法無(wú)需外部施加壓力，具有流程短、成本低、預(yù)制體形狀可復(fù)雜化等優(yōu)點(diǎn)。但是，該法對(duì)金屬基體和增強(qiáng)體間的潤(rùn)濕性具有較高要求。壓力鑄滲法則是需要外界對(duì)金屬液施加壓力才能夠使金屬液體進(jìn)入預(yù)制體中，此法制備出的材料組織致密，幾乎無(wú)鑄造缺陷。負(fù)壓鑄滲法是通過(guò)抽真空處理使預(yù)制體內(nèi)部氣壓低于外部氣壓，從而加快金屬液在預(yù)制體中的浸滲過(guò)程，因此需要在砂箱中裝入能通氣的濾網(wǎng)或蛇形管。在各種鑄滲方法中，無(wú)壓鑄滲已逐漸成為生產(chǎn)大型復(fù)合耐磨件的主要方法，因此無(wú)壓鑄滲技術(shù)則顯得尤為重要。

4 界面反應(yīng)及優(yōu)化

以鑄滲法為例，在鑄造的過(guò)程中，增強(qiáng)顆粒在遇到高溫的金屬液時(shí)，極易發(fā)生界面反應(yīng)，發(fā)生溶解、擴(kuò)散和元素偏聚等問(wèn)題。界面反應(yīng)的劇烈程度和最終反應(yīng)生成的產(chǎn)物對(duì)復(fù)合材料界面最終的結(jié)構(gòu)和性能影響很大，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）損傷增強(qiáng)顆粒并改變金屬基體的化學(xué)成分，比如在制備SiC顆粒增強(qiáng)鋁鎂基復(fù)合材料過(guò)程中，SiC及其表面的SiO2將會(huì)和Al、Mg金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使得金屬基體中的Si和Mg的含量發(fā)生改變，并且使基體中的增強(qiáng)相有相應(yīng)的減少，使得基體不能充分發(fā)揮其原有的性能，此外，界面元素偏聚以及由此形成的新相Mg17Al12也會(huì)對(duì)復(fù)合材料界面的性能產(chǎn)生很大的影響。

（2）界面反應(yīng)既有其有利的一面又有其不利的一面，一方面界面反應(yīng)可以提高增強(qiáng)顆粒與金屬液潤(rùn)濕性；另一方面，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而析出脆性相反應(yīng)產(chǎn)物時(shí)，會(huì)對(duì)增強(qiáng)顆粒有所損傷。例如，WC在高溫下發(fā)生分解反應(yīng)生成W2C，W2C是脆性相，對(duì)鋼基復(fù)合材料的韌性和耐磨性都有不好的影響。

在高溫條件下，元素化學(xué)活性一般都會(huì)有所增加，進(jìn)而界面更容易發(fā)生各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)而形成復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)，但是增強(qiáng)體與金屬基體之間差異較大的物理化學(xué)性質(zhì)增加了復(fù)合材料界面研究的難度。目前調(diào)整和優(yōu)化復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)和性能的方法大致可以分為三類(lèi)：

（1）增強(qiáng)體表面涂覆涂層，在增強(qiáng)體表面鍍覆或噴涂等方式進(jìn)行涂層的涂覆，既可以提高增強(qiáng)體與基體間的浸潤(rùn)性，又可以改善界面處的化學(xué)成分組成，比如在陶瓷表面利用化學(xué)鍍的方法鍍覆一層Ni-Cu合金鍍層，不僅可以提高陶瓷與金屬液的潤(rùn)濕性，又使界面擁有Ni-Cu合金獨(dú)特的腐蝕性和耐磨性。

（2）金屬基體合金化處理，通過(guò)加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪厥够w改性來(lái)改善界面反應(yīng)，在增強(qiáng)體為Al2O3的鋁基復(fù)合材料中，鎂的加入可以和Al2O3顆粒反應(yīng)，在界面上生成類(lèi)似尖晶石結(jié)構(gòu)的nMgO·mAl2O3，而nMgO·mAl2O3可與Al和Al2O3顆粒形成結(jié)合性較強(qiáng)大的界面。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)Al-Mg-Si與Al2O3進(jìn)行復(fù)合時(shí)，添加3-5%Mg時(shí)，使液態(tài)鋁合金的表面能下降。因此，在鋁中加入一定量的鎂可以起到增加浸潤(rùn)性和提高界面結(jié)合的雙重效果。

（3）優(yōu)化制備工藝參數(shù)，通過(guò)合理的調(diào)整工藝參數(shù)，可以起到改善界面的作用。其中溫度對(duì)反應(yīng)影響最大，復(fù)合材料一般在高溫下制備，其增強(qiáng)體與高溫金屬液之間很多元素活性增加，并進(jìn)行擴(kuò)散發(fā)生強(qiáng)烈的界面反應(yīng)，因此要避免過(guò)高的制備溫度或在高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基耐磨復(fù)合材料由于既具備金屬材料的高強(qiáng)度、良好塑性和沖擊韌性、易成形等特點(diǎn)，又具備陶瓷顆粒的高硬度、高耐磨性等一系列優(yōu)點(diǎn)，從而成為替代傳統(tǒng)鋼鐵耐磨材料的首選材料。

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