SiCpAl复合材料搅拌铸造制备工艺的研究

SiCp/Al复合材料搅拌铸造制备工艺的研究任德亮,齐海波,丁占来,樊云昌摘要:在试验基础上，对碳化硅颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造工艺中的4个关键问题进行了研究，提出了相应的解决方法，优化了工艺参数。在此基础上，制备出了颗粒分布均匀、组织致密、性能较理想的SiCp/Al复合材料，对复合材料制备工艺的实际应用具有指导意义。关键词：SiC颗粒增强;铝基复合材料;制备工艺;搅拌铸造;液态模锻文献标识码：A文章编号：1000-8365(1999)02-0041-03StudyontheStirMixingFabricatingProcessofSiCp/AlCompositesRENDe-liang，QIHai-bo，DINGZhan-lai，FANYun-chang(ShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,China)Abstract:FourkeyproblemsofstirmixingprocessofSiCp/Alcompositeshavebeeninvestigatedexperimentlyinthispaper.Theresolutionandoptimisedprocessparametershavebeenproposed.TheSiCp/AlcompositeswhichprocesseswelldistributedSicpartiels,finemicrostructuresandgoodpropertieswerefabricatedbytheoptimizedprocess.Keywords:SiCparticlereinforced;Aluminiummatrixcomposites;Fabricatingprocess;Stirmixing;Squeezecasting金属基复合材料(MMCs)因具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能而成为各国高新技术研究开发的重要领域。其中颗粒增强的MMCs，尤其是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料(简称SiCp/Al)，因其具有各向同性，制造成本低，可用传统的金属加工工艺(铸造、挤压、轧制、焊接等)进行加工，而成为MMCs发展的主要方向之一。在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业中显示出了巨大的应用潜力［1］。但是，采用搅拌铸造法制备SiCp/Al复合材料时，存在以下4个问题：SiC颗粒与铝合金熔液浸润性差；SiC颗粒在基体合金中易偏聚；SiC颗粒与基体合金易发生界面反应；以及在非真空条件下熔炼时复合材料易产生气孔和夹杂等［2、3］。这些问题严重地影响了SiCp/Al的性能，限制了该材料在我国的批量生产和应用。我们在大量试验基础上，对影响搅拌铸造法制备SiCp/Al复合材料性能的上述4个问题进行了研究，提出了相应的解决方法，优化了工艺参数，在此基础上制备出了性能较理想的SiCp/Al复合材料，并在柴油机活塞和轿车制动盘上得到了应用。1搅拌铸造工艺试验用基体合金的化学成分与ZL109合金类似(11%～13%Si;1.8%～2.3%Mg;0.5%～1.5%Cu;0.8%～1.5%Ni;≤0.7%Fe;≤0.2%Ti;其余为Al)。其固相点温度用美国PE公司DTA—1700型差热分析仪测定结果为557℃。试验用SiC颗粒(简称SiCp)为绿色α-SiC，其粒度分别为W10和W28，粒度组成符合GB2477—83，化学成分符合GB2480—83。搅拌铸造是将增强组分(SiCp)加入到基体熔液中，同时以一定的速度搅拌熔液，从而达到均匀混合和相互浸润的目的［4-6］。采用熔炼装置为图1所示的GWJ-0.05-1型中频感应炉。在熔炼过程中，熔液用调速电机驱动的特制石墨搅拌器进行搅拌。首先将基体合金加热熔化，当温度达到720℃左右时，通入氩气精炼扒渣。这时停止加热，将预处理后的SiCp通过一特制的漏斗均匀地加入到基体熔液中。随着SiCp的不断加入，熔液温度逐渐降低。当加入完毕，熔液处于半固态状态时，继续搅拌一定时间，并通入氩气保护液面。搅拌完成后开始升温，边升温边搅拌，当温度升至720℃以上时，加入铝锶变质剂，然后通入Ar气精炼，扒渣后准备浇注。采用液态模锻成形工艺制取SiCp/Al复合材料，模具安装在Y32—100型4柱式液压机上，模具预热到一定温度时开始浇注复合材料，熔液经泡沫陶瓷过滤网过滤后浇入模具中，然后在压力下凝固成形［7］。图1搅拌铸造装置示意图Fig.1Schemeofstirringcastingdevice2搅拌铸造工艺过程分析用搅拌铸造法制备SiCp/Al复合材料时，存在4个影响材料性能的关键因素，现在试验基础上分析如下。2.1碳化硅颗粒与铝合金熔液的浸润性SiCp和铝合金熔液性质差异极大，在通常情况下两者是很难浸润复合的。只有对两者进行适当的处理才能达到浸润的目的。对SiCp进行预处理的目的是去除表面吸附的气体、水分和杂质等，并增强其表面活性。预处理的方法有多种，如表面涂层法、真空预热法、有机处理和超声清洗等［8-10］。但试验发现，这些方法工艺复杂，且效果均不太理想(表面涂层法除外)，因而采用了一种特殊的加热方法，它具有工艺简单、加热速度快、处理时间短、工艺参数易控制等特点，处理后的SiCp无粘结成团现象，流动性显著改善，极易加入到铝合金熔液中［4］。另外，在基体合金熔液中加入适量的Mg，对改善SiCp与铝合金熔液的浸润性也是必要的［6］。试验还发现，SiCp的加入温度和加入SiCp时的熔液温度对其浸润性也有一定影响。试验结果表明，SiCp在加入时的温度控制在200～300℃之间，熔液温度控制在650～720℃之间。通过以上措施，成功地解决了SiCp与铝合金熔液的浸润性问题，使体积百分比含量达20%的SiCp能顺利地加入到了基体铝合金熔液中。2.2碳化硅颗粒在基体合金中的偏聚SiCp在基体合金中极易产生偏聚现象。因此通过半固态状态下的强力搅拌，合理控制搅拌工艺参数(搅拌器形状、转速、时间、温度等)和SiCp的加入方式，较好地解决了SiCp在基体中的分散性问题。在半固态状态下对熔液进行搅拌，搅拌器的高速旋转可将基体合金熔液中的固相α—枝晶打碎，加大SiCp与枝晶间摩擦、碰撞的机会，这种相互作用的结果有利于团聚的颗粒分散开来。半固态搅拌时，搅拌器的形状和转速、搅拌时间等参数对SiCp在基体中的分散度有重要影响［11-12］。搅拌器的设计应符合既有利于提高剪切速率，又不会引起很大漩涡的原则。就一般而言，随着搅拌转速的增大和时间的延长，SiCp的分布更趋均匀。但转速过大会导致浆液飞溅和卷入较多气体，因而应对这些参数进行适当控制。研究表明，转速在100～110r/min之间，搅拌时间为20～30min较为合适。此外，SiCp的加入方式对其分散性也有直接影响。通过一个特制的漏斗，借助Ar气流的作用将SiCp均匀地加入到基体熔液中。为保证SiCp顺利地进入熔液，边加入边搅拌，同时漏斗下端应指向液面漩涡中心，并避免浸入液面。按上述工艺制备的SiCp复合材料在基体合金中的分布，如图2所示。图中不规则尖角多边形为SiCp，可见，SiCp均匀地分散在基体中，无明显偏聚现象。图2SiCp在基体合金中的分布Fig.2DistributionofSiCpinmatrix2.3碳化硅颗粒与铝合金基体的界面反应SiCp与铝合金基体在高温下易发生如下界面反应：3SiC+4Al=Al4C3＋3Si反应产物Al4C3是一种脆性相，严重降低材料力学性能，并会使熔液粘度增大，流动性变差，影响铸造性能。研究表明，当基体合金中Si含量在10%以上时，可有效地防止上述反应的发生［12］，试验中选用的基体合金Si含量为11.0%～13.0%。另外，在整个熔炼过程中，严格控制熔液温度不超过800℃，并尽可能减少高温时的停留时间，从而完全避免了界面反应的发生。SiCp与基体合金界面的SEM高倍放大照片，如图3所示，可见界面结合紧密，平整干净，无脆性反应物(Al4C3、MgAl2O4）生成。图3SiCp与基体的界面电子显微像Fig.3SEMphotographyofinterfacebetweenSiCpandmatirx2.4复合材料中的气孔和氧化夹杂在非真空条件下用搅拌铸造工艺制备复合材料过程中，难免接触或卷入空气，SiCp的加入也会带入部分气体和杂质，从而引起材料内部含有气孔和氧化夹杂［13-15］。试验表明，当用普通的精炼工艺对材料进行去除夹杂和气孔的精炼时，SiCp也将被作为夹杂而分离出来，因而必须探索其它有效途径来减少气孔和夹杂。研究了通过加强Ar气保护，合理设计搅拌工艺参数(以减少吸气)，进行适当的Ar气精炼，采用泡沫陶瓷过滤网对熔液进行浇注前的过滤，以及采用液态模锻成形工艺来制取铸件等措施获得了气孔和夹杂较少的复合材料。研究表明，对SiCp合金熔液，适当提高精炼温度和Ar流量，以及改善Ar气流在熔液中的流向分布，有利于去除其中的气孔和夹杂。采用泡沫陶瓷过滤网对熔液进行浇注前的过滤，对去除熔液中的气孔和夹杂也有较好的净化作用。但过滤网的网孔尺寸应合理选择，网孔过小熔液不易通过；过大，则净化作用不充分。液态模锻是液态金属成形的一种先进工艺，它不仅能增加金属的充模能力，而且还能显著降低铸件的气孔和疏松。熔液浇注温度、模具预热温度、模锻压力和保压时间是影响液态模锻品质的主要因素。尤其是模锻压力对复合材料的最终性能有很大影响，合适的压力能增大熔液结晶形核率，细化晶粒，从而提高材料的强度和塑性。试验表明，合适的模锻压力为150～200MPa，保压时间为30～60s，熔液浇注温度为750～780℃，模具预热温度为200～250℃。研究发现，SiCp复合材料熔液的粘度较高，也是该材料容易产生气孔和夹杂的主要原因之一。随着SiCp的加入，熔液粘度明显增大，而且加入的SiCp粒度越细(相应的比表面积越大)，加入的体积百分含量越高，合金熔液的粘度越大，流动性越差，甚至无法浇注成形［16］。当熔液的粘度较高时，搅拌过程中卷入的气体就不易析出，夹杂也难以排除，使Ar气的精炼效果变差。要降低合金熔液的粘度，从根本上讲首先是改善SiCp的浸润性和分散度；其次，选择合适粒度的SiCp也很关键。随着SiCp加入量的增加，应适当选择较大的SiCp粒度。但从材料力学性能考虑，粒度也不能过大，通常＜20μm；另外，基体铝合金中较高的Si含量对降低熔液粘度也是有利的。试验还发现，通过降低合金熔液的粘度，复合材料中气孔和氧化夹杂的数量明显减少。3试验结果用上述方法制备了体积百分含量分别为10%和20%的SiCp/Al复合材料试件。试件尺寸为110mm×45mm×45mm，经T6热处理后，按GB6397_86标准加工成拉伸试样，按GB228—87标准在MTS—880型电子万能材料试验机上，对其室温拉伸性能进行了测定，结果如表1所示。表1SiCp/Al复合材料拉伸性能Tab.1TensilepropertiesofSiCp/Alcomposites试验材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%基体Al合金2952562.5SiCp10%/Al3233050.4SiCp20%/Al305--从表中可以看出，随着SiCp的加入，复合材料的强度比基体合金增大，而塑性明显降低。拉伸试样断口没有发现明显气孔和夹杂，断口组织细而致密，表明材料熔炼工艺较为合理。SiCp20%/Al强度低于SiCp10%/Al的原因，是由于前者加入的SiCp粒度(W28)大于后者(W10)，在拉伸过程中，较大粒度SiCp断裂的机会增多。这表明，从提高材料强度角度考虑，SiCp的粒度不宜过大。研制的2种复合材料，其组织、性能基本符合有关标准要求，现已开始其在柴油机活塞和轿车制动盘上的应用性研究［17］。4结论(1)在试验基础上，对影响SiCp/Al复合材料搅拌铸造工艺的4个关键问题进行了研究，提出了相应的改进措施，优化了工艺参数，对实际应用具有指