SiCp(Cu)/Fe复合材料的制备工艺和性能研究

论文摘要

SiC颗粒具有价格低、硬度高、耐磨、耐腐蚀等优点,是较为理想的增强材料。铁具有良好的强度和韧性,是现代工业中最常用的金属材料之一。低密度、高强度和高刚度的增强体颗粒加入到铁基体中,能够在降低材料密度的同时,提高其弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能,两者的结合必将产生一种新型低成本、高耐磨、综合性能良好的金属基复合材料。本文分别利用高温氧化、酸洗和碱洗工艺对SiC颗粒进行表面处理。并分别采用置换反应法和分解还原反应法在SiCp表面包裹一层Cu,用来改善SiCp和Fe之间的润湿性及物理化学相容性。根据粉末冶金法,分别利用放电等离子体烧结（SPS）和热压烧结（HP）两种工艺制备SiCp（Cu）/Fe复合材料。借助差热分析（DTA-TG）、X-（?）寸线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能量散射谱（EDS）、金相显微镜（OM）等技术分析了SiCp/Cu复合粉体和SiCp（Cu）/Fe复合材料的显微组织和界面特征。利用阿基米德排水法、显微硬度计、三点弯曲法、磨损试验等方法研究了SiCp（Cu）/Fe复合材料的性能特点和机理,考察了烧结温度、烧结压力、增强相含量以及其他因素对SiCp（Cu）/Fe复合材料性能的影响。研究结果表明：对于相同的SiCp,采用分解还原反应法得到的复合粉体的包覆效果要优于置换反应法得到的复合粉体的包覆效果。高温氧化使SiC颗粒棱角钝化,同时在其表面生成一层Si02膜,可以得到包覆效果较好的SiCp/Cu复合粉体；经碱洗的SiC颗粒,表面更为干净且被粗化,同时颗粒比表面积增大,其颗粒表面有一层致密的Cu微晶,得到的复合粉体的包覆效果最好。采用放电等离子体烧结法制备SiCp（Cu）/Fe复合材料,其相对密度、显微硬度、抗弯湿度和耐磨性均在950℃烧结温度和25MPa烧结压力下达到最佳水平。同时,随着SiCp（Cu）含量的增加,复合材料的这几项性能均呈现而先增加后减小的趋势,其中SiCp（Cu）的加入量为6wt.%时,得到的SiCp（Cu）/Fe复合材料具有最优的性能,其相对密度为99.1%,显微硬度为440.6HV,抗弯强度为689.2MPa,磨损量为1.099mg/m。SiCp表面包裹的Cu改善了SiC颗粒与Fe基体的界面结合强度,使复合材料的综合性能得到了提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 金属基复合材料的研究现状
• 1.1.1 金属基复合材料的分类及性能
• 1.1.2 金属基复合材料的界面研究
• 1.2 铁基复合材料的研究现状
• 1.2.1 铁基复合材料的概述
• 1.2.2 颗粒增强铁基复合材料的制备工艺
• 1.2.3 SiC颗粒增强铁基复合材料的研究进展
• 1.3 本论文的选题意义和研究内容
• 1.3.1 选题意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本论文创新点和技术难点
• 1.4.1 创新点
• 1.4.2 技术难点
• 2 实验原料、实验方案与检测
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 性能检测原理及方法
• 2.2.1 相对密度
• 2.2.2 显微硬度
• 2.2.3 抗弯强度
• 2.2.4 磨损
• 3 SiCp/Cu复合粉体的制备与表征
• 3.1 SiC颗粒表面处理
• 3.1.1 SiC颗粒表面处理的目的
• 3.1.2 SiC颗粒表面处理的过程
• 3.1.3 SiC颗粒表面处理后的显微结构
• 3.2 SiCp/Cu复合粉体的制备工艺
• 3.2.1 置换反应法制备SiCp/Cu复合粉体
• 3.2.2 分解还原反应法制备SiCp/Cu复合粉体
• 3.2.3 SiCp/Cu复合粉体的显微结构
• 4 SiCp（Cu）/Fe复合材料的制备与性能研究
• 4.1 放电等离子体烧结工艺原理及制备过程
• 4.1.1 放电等离子体烧结工艺原理
• 4.1.2 混料
• 4.1.3 SiCp/Cu复合粉体在Fe基体中的分布
• 4.1.4 SiCp（Cu）/Fe粉体的DTA-TG分析
• 4.1.5 SiCp（Cu）/Fe复合材料烧成参数设计
• 4.2 SiCp（Cu）/Fe复合材料各项性能的影响因素分析
• 4.2.1 烧结温度对SiCp（Cu）/Fe复合材料各项性能的影响
• 4.2.2 烧结压力对SiCp（Cu）/Fe复合材料各项性能的影响
• 4.2.3 SiCp（Cu）加入量对SiCp（Cu）/Fe复合材料各项性能的影响
• 4.3 SiCp（Cu）/Fe复合材料的显微结构分析
• 4.3.1 SiCp（Cu）/Fe复合材料的断口形貌分析
• 4.3.2 SiCp（Cu）/Fe复合材料的金相组织分析
• 4.3.3 SiCp（Cu）/Fe复合材料的磨损形貌及机理分析
• 4.4 其他因素对于SiCp（Cu）/Fe复合材料性能的影响
• 4.4.1 SiCp表面处理对于SiCp（Cu）/Fe复合材料性能的影响
• 4.4.2 Cu包裹层对SiCp（Cu）/Fe复合材料性能的影响
• 4.4.3 烧结工艺对于SiCp（Cu）/Fe复合材料性能的影响
• 5 结论
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢