反应球磨热压烧结制备SiC_p/Cu复合材料的耐磨性能研究

以粒度均不大于37μm的Si粉、石墨粉和铜粉为原料,采用反应球磨热压烧结制备了SiC颗粒增强铜基复合材料。采用金相显微镜、SEM等分析手段对制备的复合材料进行组织观察,并对其进行硬度、致密度和耐磨性测试。结果表明,增强相除少量团聚外在基体上均匀弥散分布,增强相与基体相结合良好。铜基复合材料硬度随着增强相含量和烧结温度的升高而变大,增强相含量的影响比烧结温度的影响更显著,铜含量90%时材料的硬度达到135.16 HV,相比纯铜硬度提高了98.88%。材料致密度随烧结温度升高而升高,增强相含量较高时较为显著。随着增强相含量的升高材料的致密度和磨损率均下降。铜含量90%时材料的磨损率为铜含量95%材料磨损率的35%。     

锰方硼石对铜基摩擦材料摩擦性能的影响

为了拓展锰方硼石的应用领域,提高铜基摩擦材料性能,将锰方硼石高能球磨处理30min后(颗粒尺寸<1μm),按照0.5%和1.0%的质量分数分别添加于铜基摩擦材料,用SPS烧结制得试样;并与不含锰方硼石的摩擦试样进行比较,分析3种样品的硬度、相对密度、摩擦系数及磨损率。结果表明:当锰方硼石的质量分数为0.5%时,摩擦试样的硬度较大,摩擦系数最平稳(平均摩擦系数为0.218)且磨损率最低;SEM分析发现其磨损机理为粘着磨损和磨料磨损。     

微波烧结原位合成(Ti_5Si_3+TiC)/TC4复合材料组织性能研究

通过Ti-SiC反应体系,选择粒径为45μm的基体TC4,5μm的增强相SiC(质量分数为5%和10%),经过低能球磨混粉后,微波烧结原位合成颗粒增强钛基复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对制备的钛基复合材料进行组织结构分析,并对钛基复合材料的致密度、显微硬度、压缩强度、抗拉强度、耐磨性和抗氧化性进行测试研究。结果表明,钛基复合材料主要由增强相TiC,Ti_5Si_3及基体Ti_3种物相组成。TiC呈颗粒状,有明显的棱角,而Ti_5Si_3呈熔融状颗粒,但是颗粒没有明显的棱角,增强相呈准连续网状分布,随着SiC含量的增加,网状结构不清晰,部分增强相团聚在一起。复合材料的相对密度、显微硬度和压缩强度随SiC含量的增加而增加,分别达到98.76%,HV729和2058MPa,但是复合材料的室温拉伸强度随SiC含量增加而降低。引入增强相后,复合材料的抗氧化性和耐磨性均高于基体,且耐磨性和抗氧化性随SiC含量增加而增加,其室温磨损机制主要为粘着磨损。     

原位自生TiB+TiC增强Ti-Fe基复合材料微观组织和力学性能研究

以Ti粉、Fe粉和B_4C粉末为原料,采用冷等静压+高真空烧结方法制备了不同(TiB+TiC)增强相体积分数的Ti-Fe合金基复合材料(Fe元素质量分数为5%～15%),重点讨论了Fe含量和增强相对复合材料微观组织和力学性能的影响规律。结果表明,在1 150～1 250℃烧结温度下制备出Ti-Fe合金基复合材料致密度随Fe含量与增强相体积分数升高而降低。Fe含量增加使基体中α相层片状结构细化,而B_4C粉末的添加生成原位自生TiC颗粒和TiB纤维增强相,基体结构由层片状转变为等轴状。材料力学性能随Fe含量和增强相体积分数增加而提高。在1 150℃烧结制备的Ti-15%Fe-10vol%(TiB+TiC)复合材料硬度(HV)达到334,抗压强度达到2 040 MPa。     

陶瓷颗粒增强粉末冶金Fe-2Cu-0.6C复合材料的微观结构和力学性能

采用传统粉末冶金压制/烧结技术，经600 MPa压制、1140℃烧结制备了陶瓷颗粒增强（SiC、TiC及TiB₂陶瓷颗粒，质量分数0~1.6%）Fe-2Cu-0.6C低合金钢复合材料，对三种复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:在烧结过程中，SiC与TiB₂颗粒与基体发生反应，故而与基体界面结合良好；当添加质量分数为1.6%的SiC颗粒时，复合材料烧结后的布氏硬度与抗拉强度分别比基体提高了35.9%、69.4%；添加质量分数为1.2%的TiB₂颗粒时，复合材料相对密度比基体提高了5.3%，其烧结硬度、抗拉强度与基体相比分别提高了77.9%、72.6%；由于烧结过程中TiC颗粒不与基体发生反应，故而添加TiC颗粒对复合材料的布氏硬度、抗拉强度影响不大。     

Cr2AlC含量对铜基复合材料摩擦磨损性能的影响

采用冷压-烧结方法制备了含质量分数0%、5%、10%、15%Cr₂AlC的铜基复合材料, 利用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪观察并分析复合材料微观组织和微区成分, 使用HVS-1000型显微硬度计和M-2000型摩擦磨损试验机测试复合材料的硬度和摩擦磨损性能, 分析Cr₂AlC质量分数对复合材料硬度、摩擦性能和磨损机理的影响。结果表明:含Cr₂AlC铜基复合材料的相对密度为0.8, Cr₂AlC均匀分布在铜基体上, 有效提高了复合材料的硬度; 随Cr₂AlC质量分数增加, 复合材料摩擦系数先升高后降低, 磨损量先降低后回升, 当Cr₂AlC质量分数为10%时, 复合材料的摩擦系数最大, 磨损量最低, 耐磨性能最佳; 未添加Cr₂AlC的纯铜材料磨损机理以黏滑为主, 含Cr₂AlC铜基复合材料的磨损机理是犁削磨损、剥层磨损和氧化磨损三者的结合。     

气固反应原位生成TiC颗粒增强钛基复合材料

以氢化脱氢钛粉为原料, 经冷等静压成型, 在一定温度下通过CH4和钛粉颗粒间的气固反应在钛粉表面原位生成均匀的TiC颗粒, 采用真空烧结技术制备得到氧含量(体积分数)低于0.2%的TiC颗粒增强钛基复合材料。研究表明, TiC颗粒体积分数比可通过气固反应温度和时间控制, 可获得较高体积分数(> 30%)的TiC颗粒增强钛基复合材料。TiC首先在钛粉颗粒表面形成, 烧结过程中, 钛粉颗粒明显阻碍TiC晶粒长大, 细化TiC晶粒; 同时, 过多的TiC颗粒也阻碍烧结过程中钛的自扩散, 降低烧结相对密度。钛粉压坯在700℃、CH4气氛下发生气固反应(30 min), 再经1300℃烧结后获得的相对密度为98.6%的烧结试样, 试样的综合力学性能较好, 抗拉强度为606 MPa, 延伸率达14.4%, 硬度为HV 442。值得注意的是, 较短时间的气固反应不能够保证压坯内外整体实现原位生成均匀TiC颗粒, 导致烧结试样内外组织的不均性。     

TiC/NbC添加量对铁基复合材料显微组织及力学性能的影响

将不同添加量的TiC/NbC陶瓷颗粒(质量分数分别为50%、33.33%、25%、20%、16.67%)加入到铁基体中,采用放电等离子体烧结(SPS)技术制备了陶瓷颗粒增强铁基复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)对烧结试样的微观组织形貌进行表征,并对其相对密度和力学性能进行测试。结果表明,含16.67%TiC/NbC陶瓷颗粒的烧结试样相对密度最大,达96.78%,且拥有较高的维氏硬度和弯曲强度,分别为300 HV和400 MPa;试样断口表现出明显的脆性断裂特征。SPS快速烧结技术可使TiC/NbC陶瓷颗粒均匀分散在铁基体中,且增强体和铁基体界面结合良好。少量TiC/NbC陶瓷颗粒即可显著细化基体组织,增强铁基复合材料强度和硬度;随着TiC/NbC陶瓷颗粒含量的进一步增加,其对基体组织的细化作用减弱。     

陶瓷颗粒增强扩散合金化钢复合材料的微观结构和力学性能

采用传统粉末冶金工艺制备了陶瓷颗粒增强Fe?0.5Mo?1.75Ni?1.5Cu?0.7C扩散合金化钢复合材料,选用的陶瓷颗粒为SiC、TiC和TiB₂。采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了烧结材料微观结构,并对烧结材料的硬度、强度和摩擦磨损性能进行了测试。结果表明,由于SiC和TiB₂与基体的化学相容性好,陶瓷颗粒与基体界面结合良好;由于TiC颗粒具有极高的化学稳定性,TiC颗粒与基体界面结合情况不理想。随着陶瓷相含量（质量分数）的增加,添加SiC和TiC的烧结试样相对密度降低;添加TiB₂的烧结试样相对密度先增加后降低,当添加TiB₂质量分数为0.9%时达到最大值。随着陶瓷含量增加,添加SiC和TiB₂烧结试样的硬度增大,当陶瓷相质量分数超过1.2%时,硬度增加缓慢;添加TiC烧结试样的硬度先增加后降低,当添加TiC质量分数为0.9%时达到最大值。随着陶瓷相含量增加,添加SiC和TiC烧结试样的强度降低,少量添加SiC对强度没有明显损害;添加TiB₂烧结试样的强度先增加后降低,当添加TiB₂质量分数为0.6%时达到最大值（971.7MPa）,比基体提高了14.1%以上。添加陶瓷相对烧结钢性能的积极影响依次是TiB₂、SiC和TiC。     

多元陶瓷增强铜基复合材料的摩擦磨损性能

以6-6-3青铜粉为基体,加入Si C、Si3N4、B4C多元陶瓷作为颗粒增强相,利用粉末冶金法通过真空烧结工艺制备了Si C、Si3N4、B4C多元陶瓷/铜基复合材料,在MRH-3型高速环块磨损试验机上研究了复合材料在不同温度下的摩擦磨损性能。分析了Si C、Si3N4、B4C多元陶瓷增强相含量对复合材料耐磨性能、摩擦系数以及热导率的影响。结果表明:Si C、Si3N4、B4C多元陶瓷/铜复合材料在耐热性能、耐磨性能、抗弯强度等方面性能优异;多元陶瓷质量分数分别为15%、25%、35%的多元陶瓷/铜基复合材料中,硬度、抗弯强度以及耐磨性能均随着陶瓷颗粒质量分数的增加先提高后降低;摩擦系数先减小后增大,基本稳定在0.49左右,受温度影响波动不大;陶瓷颗粒的加入对材料的导热性能有一定影响,从而影响耐磨性能。     

纳米AlN颗粒增强铜基复合材料的组织与性能研究

用粉末冶金法制备了AlN增强的Cu/AlN复合材料,研究了AlN含量对复合材料性能的影响和Cu/AlN复合材料的软化温度特性。结果表明,在烧结过程中,弥散分布在铜基体中的纳米AlN颗粒对致密化以及晶粒长大都有阻碍作用。随着复合材料中AlN颗粒质量分数的增加,材料的密度和导电性呈下降趋势,而硬度出现极大值。复合材料的软化温度达到700℃,远远高于纯铜的软化温度(150℃),从而提高了材料的热稳定性。     

放电等离子烧结制备镍掺杂石墨-铜复合材料组织性能研究

通过超声波分散结合行星球磨对复合粉末进行混料，利用放电等离子烧结技术（SPS）制备镍掺杂石墨-铜复合材料。运用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、硬度计和摩擦磨损试验机等方法，研究了不同镍掺杂含量对石墨-铜复合材料组织和力学性能的影响。结果表明:通过该工艺制备石墨-铜复合材料石墨均匀分散于铜基体，并与铜基体形成良好的界面结合。随着镍掺杂含量的增加，石墨-铜复合材料相对密度和硬度逐渐增加。当镍掺杂含量（指质量分数）为7.0%时，石墨-铜复合材料相对密度为95.2%，HV_0.5硬度为53.4，摩擦系数相对较低，磨损表面较光滑，此时综合性能较好。      

粉末烧结Cu-C-SnO2多孔材料摩擦磨损特性研究

铜-石墨复合材料是一种优良的导电耐磨材料,但铜与石墨润湿性很差,导致材料的耐磨性能不足。本文通过向原料中加入与石墨亲和性良好的SnO₂,利用粉末冶金的方法制得Cu-C-SnO₂多孔材料,研究了烧结温度及成分配比对烧结体孔隙率、物理特性及摩擦磨损性能的影响。结果表明:烧结体的孔隙率随烧结温度升高而降低,随石墨/SnO₂质量比增大而增大,随非金属/Cu质量比增大而减小;烧结体的密度、硬度、渗油率等与孔隙率密切相关,随孔隙率升高,密度和硬度呈降低趋势,渗油率呈上升趋势;但试样硬度受Cu₂O产生和Cu颗粒再结晶的影响而变化复杂,在烧结温度830℃附近出现突变。干摩擦条件下,试样摩擦磨损特性受材料硬度和石墨相自润滑作用等多重因素影响而变化复杂,随试样硬度和石墨含量的升高而降低;渗油后试样的摩擦磨损特性则主要受油膜润滑控制,与干摩擦相比,相对摩擦因数和磨损率均显著减小,试样磨损率随渗油率的增大而减小,但在石墨/SnO₂质量比0.155附近存在突变。     

TiCP颗粒增强高铬铸铁复合材料的显微组织和力学性能

采用粉末冶金法（powder metallurgy,PM）和超固相线液相烧结技术（super solid phase line liquid phase sintering,SLPS）制备出TiC颗粒增强（TiC_P）+含质量分数20%Cr的烧结高铬铸铁（high chromium cast iron,HCCI）复合材料。利用光学显微镜、扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）和X射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）研究了TiC颗粒增强相含量（质量分数）对TiC_P/HCCI复合材料物相组成、显微组织和力学性能的影响,并开展了后续热处理研究。结果表明:超固相线液相烧结技术制备出的TiC_P/HCCI复合材料相对密度均达97%以上,其物相组成为马氏体、奥氏体、M₇C₃碳化物和TiC。TiC颗粒主要沿着高铬铸铁中金属基体/碳化物界面分布,随着TiC含量增加,复合材料的硬度显著增加,达到HRC 67.2,但冲击韧性却逐步降低,合金断裂机制也由准解理性断裂向沿晶完全解理性断裂转变。经淬火处理后,该类TiC_P/HCCI复合材料的硬度可进一步提升至HRC 69.3,有望成为硬度介于高铬铸铁和硬质合金之间的优秀耐磨材料。     

反应合成的TiC对铜基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

研究了反应合成的TiC对铜基摩擦材料摩擦磨损性能的影响,结果表明:随着Ti含量的增加,Ti与铜基摩擦材料中的润滑剂石墨反应生成了硬度较高的TiC;TiC对基体起弥散强化作用,使铜基摩擦材料的硬度相应升高;Ti含量较高的铜基材料在较高的载荷和滑动速度下具有较小的磨损率。     

BN/Cu复合材料摩擦磨损性能与磨损机制研究

通过直流辅助热压烧结制备了氮化硼（BN）颗粒添加量为0.4%～1.2%（质量分数）的BN/Cu复合材料,采用立式销盘摩擦磨损试验机对其进行耐磨性检测,使用扫描电子显微镜（SEM）表征材料磨损前后的表面形貌,同时分析了BN颗粒添加量对复合材料物理性能和摩擦磨损性能的影响。研究结果表明：直流辅助热压烧结制备的复合材料致密度均可达到96%以上,导电率可达80%IACS以上。添加适量的BN颗粒,可以极大提升复合材料的摩擦磨损性能。当BN颗粒的添加量为0.8%时,由于摩擦过程中有润滑膜产生,复合材料的摩擦系数最为稳定,且摩擦磨损性能较为优异,主要由磨粒磨损和轻微的黏着磨损共同作用。     

Effect of Graphite and SiC Addition into Cu and SiC Particle Size Effect on Fabrication of Cu–Graphite–SiC MMC by Powder Metallurgy

Here we have reported individual and combined effect of graphite and SiC into Cu matrix during fabrication of Cu–graphite–SiC hybrid metal matrix composite by powder metallurgy. Mechanical properties of the composites are enhanced by simultaneous addition of 1, 3, 5, 10 and 15 vol. % of graphite along with 2, 5 and 10 wt. % of SiC into pure Cu, whereas electrical conductivity deteriorates. Composites are fabricated by cold compaction of composite powder mixture followed by conventional sintering in a tubular furnace at 900 °C for 1 h in argon atmosphere. For comparison, SiC powder size of 5 and 50 µm are used to study the effect of SiC particle size on microstructure, mechanical and electrical properties of the composites. Optical microscopy and scanning electron microscopy reveal the homogeneous distribution of graphite and SiC in matrix and good compatibility between Cu–graphite and Cu–SiC particles. Hardness of the composites decreases with increase in graphite and increases with increase in SiC content. Composites containing fine SiC particles show higher hardness value as compared to coarse particles. Maximum Vickers hardness value of 75 is obtained for Cu-1 vol. % graphite-10 wt. % SiC composite. Electrical conductivity decreases with increase in both graphite and SiC content. Composites containing coarse SiC particles exhibit higher electrical conductivity than fine SiC.