Fe/SiC金属基复合材料的研究
        刘君武　郑治祥　丁厚福　汤文明邹正军
              (合肥工业大学)(合肥铁路工程学校)
摘　要：研究了一种新型的Fe/SiC金属基复合材料的界面反应和烧结机理，并分析了工艺过程及参数对材料性能的影响。结果表明，在1050℃左右烧结时能有效控制界面反应；界面反应及材料的烧结以固相扩散为主；碳化硅粒子表面涂覆金属镀层及基体合金化既能有效改善界面结合又能提高材料的力学性能，尤其是耐磨性的提高最为显著。
关键词:Fe/SiC；烧结机理；界面反应；材料性能
中图分类号:TB33  文献标识码:A  文章编号:1004—244X(2001)03—0038—04
  SiC陶瓷具有价格低、硬度高、耐磨、耐腐蚀等优点且价格低廉，是较为理想的增强材料。因而用SiC来增强金属性能的方法引起国内外材料工作者的极大兴趣并在这方面作了许多研究工作[1,2]，也取得很大进展。这些研究工作主要集中在SiC纤维、晶须、颗粒增强有金属如铝、镁、钛等，部分已经成功地应用于工业生产，特别是在航空、航天和汽车工业[3,4]。铁具有高韧性，其强度、硬度、耐热强度和抗氧化性可通过合金化及热处理等手段在很大范围内调整，而且铁及其合金是价格低廉的金属材料，所以铁合金是
现代工业最常用的金属材料。铁良好的强度和韧性与碳化硅耐磨性的成功结合必将导致一种新型、低成本、综合性能良好同时具有高耐磨性的金属基复合材料的诞生，具有明显的经济效益和社会效益。
1　实验
1.1　材料
铁粉：武汉钢铁公司生产的还原铁粉;
碳化硅粉：合肥新贵公司生产的工业用α-SiC 粉，粒度为7μm。
1.2　实验方法
部分SiC粉预先表面化学镀镍，然后将SiC与铁粉(部分铁粉中加入适量铜粉和石墨粉)充分混匀。
将上述各组粉料在Y41-63A型单柱校正压装液压机上压制成型，压制的试样在常压、氢气气氛中以不同温度及时间烧结。
采用阿基米德排水法在高精度TG2588型阻尼物理天平测试样密度，测量过程需进行封蜡处理。在AG-25TA型电子感应拉力实验机上进行抗弯实验，在HB3000型布氏硬度计上测试样硬度，在JB-6型冲击实
验机上进行冲击实验，在MM200型磨损实验机上进行磨损实验。采用ZXL-02型金相显微镜、D/max-rB型X射线衍射仪分析了材料的相成分，采用ASM-SX型扫描电子显微镜分析了复合材料的界面结合，探讨了工艺过程对材料性能的影响。
2　实验结果与分析
2.1　Fe/SiC复合材料的烧结机理
SiC的生成热为117.23kJ/mol，超过了许多金属碳化物的生成热，碳与硅之间有很强的共价键，形成与金刚石一样的正四面体结构，因此碳化硅是一种化学性质非常稳定的物质，即使在2000K的高温下也不会分解。但是当有铁、镍等金属存在时，碳化硅的稳定性大大降低。Kalogeropoulou和Baud[5]认为在1200℃碳化硅和铁烧结时碳化硅会分解:
SiC※Si(Fe)+C(Gr)
碳以石墨的形式析出，硅溶于铁形成硅化物。实验表明随着烧结温度的提高和时间的延长将会发生如下反应:
第24卷　第3期2001年  5月        兵器材料科学与工程
OR DNA NCE MATER IAL SCIENCE AND ENGINEER ING
        Vol.24　No.3
　M ay　2001
收稿日期:2000—06—16
　资助项目：国家科技攻关项目99-D0501
　作者简介：刘君武,29岁，讲师，硕士，合肥工业大学材料学院,230009
mFe+nSiC※Fe m Si n+nC(Gr)
在1200℃烧结Fe/SiC复合材料，固溶于铁基体中的硅的浓度未达到33wt%，即未生成硅铁之前碳化硅将一直被破坏。碳化硅分解出的碳原子和硅原子不断向铁中扩散，极易生成低熔点的共熔混合物。而与碳化硅接触的铁基体由于碳、硅浓度高，首先形成液相，液相的生成加剧了碳、硅原子的扩散从而加快了碳化硅的分解。由于有液相生成,SiC和铁反应剧烈，甚至在升温过程中就会出现试样棱角因有大量液相生成而圆化、球形化。所以硬质相碳化硅粒子表面未进行有效预处理就不能在较高温度下烧结Fe/SiC复合体系。为避免碳化硅粒子分解而在相界面处形成脆且宏观上疏松的硅化物及粗大的网状石墨，应选择较低的烧结温度，以期达到正常烧结，同时避免出现过分的界面反应。Fe/SiC复合体系在1100℃保温2h，相界面处仍有界面反应发生。在图1的Fe/SiC相界面的高倍扫描照片中可以清晰地观察到碳化硅与
铁基体的界面反应层，进一步的能谱分析发现硅在与碳化硅邻近的基体中的浓度高于较远处的浓度(如图2所示)，这是碳化硅在1100℃烧结时分解出的硅原子向铁基体扩散未充分进行而留下的硅浓度梯度。碳化硅虽然很稳定，但在铁介质的作用下在1100℃下分解为硅和碳并都以原子的形式向铁基体中扩散。硅固溶于铁中形成置换型固溶体，其扩散激和能比形成间隙式固溶体的碳的扩散激和能大，因而硅原子扩散速度要小于碳原子，容易造成扩散区域硅的浓度梯度大。随着烧结时间的延长，硅、碳扩散的进行,Fe/SiC相界面扩散区域硅浓度的提升，在不同硅浓度处会形成一系列硅铁化合物，如Fe3Si、Fe11Si5、Fe5Si3、FeSi等。
但Fe5Si3、Fe11Si5在高温下不稳定，易分解成Fe3Si
、
图1　Fe/SiC相界面扫描电镜照片
图2　Fe/SiC相界面处能谱分析
FeSi，所以在随炉冷却后的试样的衍射谱(如图3)出现碳化硅因分解而峰值下降，而且只发现Fe3Si、FeSi 的衍射峰。固溶于铁中的硅造成基体铁晶格畸变: [110]面间距由2.026变为2.022,[211]面间距由1.170变为1.166,[220]面间距由1.013变为1.009。同时在衍射谱上可以观察到石墨的出现，这是由于固溶于铁中的硅是强石墨化元素[6]，在试样冷却过程中硅促使铁基体中硅周围固溶的碳原子以石墨的形式析出。当保温时间长或烧结温度高时，析出的石墨偏聚形成菊花状(如图4)。界面本身是复合材料的薄弱环节，同时也是决定复合体系整体性能的关键因素。碳化硅因分解而在相界面处形成过多的脆性硅铁化合物将恶化界面结构及性能，同时碳化硅分解形成的石墨偏聚严重地割裂基体的连续性，对基体性能也是极为不利的。所以选择合适的烧结温度、合理地控制烧结时间、控制碳化硅与铁基体的反应是制备Fe/SiC复合材料的关键。对在1050℃保温2h的试样进行衍射分析探测不到碳化硅分解，材料的性能也较理想，在此温度下烧结时物质的迁移以固相扩散的方式进行，实验证明[7]可以通过调整烧结温度、碳化硅粒子表面涂覆、铁基体合金化等工艺来控制界面反应、优化基体结构从而改善复合体系的整体性能。
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第3期              　刘君武等:Fe/SiC金属基复合材料的研究              　
图3　1100℃烧结Fe /SiC 试样XRD
reaction diffusion
谱
图4　碳从铁基体中析出偏聚成菊花状
2.2　烧结温度、时间、致密度、碳化硅表面涂覆对材
料性能的影响
对于Fe /SiC 复合体系，考虑到既要充分烧结又要避免过度的界面反应，烧结温度选定为1050℃。图5，
图6，图7分别为Fe /SiC 复合体系的生坯密度与烧结收缩率、致密度与材料力学性能的关系曲线。随着致密度的提高，材料的硬度、抗弯强度、冲击韧性等力学性能明显提高。这是因为孔隙作为一种结构上的缺陷，严重割裂基体的连续性，降低材料的有效承载面；更重要的是受到外应力作用时易引起应力集中，同时孔隙一方面起到连通裂纹的作用，另一方面该区域又是微裂纹易萌生处和扩展的加速区，所有这些都严重恶化材料性能。所以与致密材料相比，除显微组织结构之外，致密度是影响粉末冶金材料性能的重要因素，要提高材料的力学性能首先要提高其致密度。加入碳化硅粒子使复合体系的密度及抗弯强度、冲击韧性等有所降低，但硬度有所提高，特别是耐磨性显著提高。硬质相与基体的结合强度比基体自身结合强度要低，因而硬质相不仅割裂基体的连续性，阻碍基体弹塑性变形的协调性而易产生局部应力集中，还使裂纹易在两相界面处产生和扩展，所以复合体系的强度和冲击韧性较纯基体有所下降；颗粒增强金属基复合材料一般硬质相为承载相，韧性基体为传载相。
碳化硅高硬度相的加入起到承载作用，因而使硬度有
较大的提高。另外由于碳化硅与基体热膨胀系数不一致在材料内部存在热应力也会使硬度有所增加。相比之下加入硬质相之后材料的耐磨性的增加最为
显著，充分发挥了碳化硅粒子高耐磨的特点。基体中加入铜和石墨后烧结，铜对铁基体的固溶强化及铁基体组织结构由铁素体转变成珠光体(如图8)使基体强度及韧性大为提高；同时碳化硅表面涂覆金属镀层改善了碳化硅与铁基体的界面结合，从而增强了基体对陶瓷相的把持力，使Fe /SiC 复合材料的各项性能指标明显提高。当碳化硅加入量较少时，复合材料的力学性能接近Fe -Cu -C 粉末冶金材料的性能，但耐磨性提高数倍，较好地实现了基体的高强度及韧性和碳化硅的高耐磨性有机结合。
图5　致密度对烧结收缩率、硬度的影响
图6　SiC 含量对材料强度、冲击韧性的影响图7　SiC 含量对材料耐磨性能的影响40
                    兵器材料科学与工程                　第24卷
图8　Fe -3Cu -C /SiC 烧结体基体显微组织
3　结论
1.碳化硅与铁在烧结时极易发生化学反应，过度反应形成的硅铁化合物及偏聚的菊花状石墨恶化基体及界面性能。适当地调节烧结温度及时间较好地控制界面反应，此时基体烧结及界面反应机理主要表现为固相扩散。
2.在氢气气氛中、1050℃烧结Fe /SiC 复合材料能获得较理想的性能，与纯基体相比耐磨性、硬度有所
提高，但强度及韧性有所下降。
  3.碳化硅表面涂覆金属镀层能有效改善界面结合，基体合金化能明显提高材料的强度及韧性，从而使材料的综合性能特别是耐磨性得到明显提高。参考文献:
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2　Weller M ,et al .The minimum volume fraction of SiC reinforce -ment required for strength improvement of Al -Cu based com -posite .Journal of Materials Sci ,1995,30(3):834.
3　Swindlehurst S J ,et al .Thermal treatment effects in SiC /Al metal matrix composites .Journal of Materials Sci ,1994,29(4):1075.
4　Qin S ,et al .Temperature -dependent Young 's modulus of an SiC W /Al 2O 3composite .Journal of M aterials Sci ,1995,30(20):5223.
5　Kalogeropoulou S ,et al .Relationship between wettability and re -activity in SiC /Fe system .Acta Metall M ater ,1995,43(3):907.6　王笑天.金属材料学.北京：机械工业出版社,1987,55.7　刘君武.Fe /SiC 复合工艺及性能研究.合肥：合肥工业大学,1998.
RESEARCH ON Fe /SiC META L MATRIX C OMP OSITE Liu Junwu ,Zheng Zhixiang ,Ding Houfu ,Tang W enming ,Zou Zhengjun
ABSTRAC T  The interface reaction and sintering mechanis ms of a new Fe /SiC metal matrix composite (MMC )have been stud -ied .The effects of the processing technological parameters on the properties of the material were anal yzed .The results show that :the interface reaction can be effectively controlled when s intering at 1050℃.The principal mechanism of the interface reaction and the sintering of the comp osite is solid diffusion ,and the interface binding and mechanical properties of the MMC can be improved re -markably by plating SiC particles with metal and matrix alloying ,especially the wear resistance of the MMC .KEYWORDS  Fe /SiC ,sintering mechanis m ,interface reaction ,property
Co rresp ondent :Liu Junwu ,Department of M aterials Science and Engineering ,H efei University of Technology ,H efei 230009
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第3期              　刘君武等:Fe /SiC 金属基复合材料的研究              　

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