壓力滲透法制備SiCp/Al中SiC預(yù)制塊的制作工藝*

季 坤，傅蔡安

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

1 引言

鋁碳化硅化學(xué)式常被寫成SiCp/Al、SiC/Al或AlSiC，是將碳化硅顆粒均勻分散至鋁合金材料中形成的一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。SiCp/Al具有密度小、剛度高、導(dǎo)電性好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、幾何精度穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度適中等優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、電子、體育器材等領(lǐng)域［1-2］。

SiCp/Al的制備目前主要存在粉末冶金、攪拌熔鑄、共噴沉積、壓力滲透以及無壓滲透等方法。壓力滲透法制備SiCp/Al原理是將鋁合金熔體在壓力的作用下填充至SiC預(yù)制塊中的縫隙［3，4］。壓力滲透法應(yīng)用于SiCp/Al制備的時間不長所以其工藝還不完善，存在的問題主要有三點:①符合壓鑄要求的SiC預(yù)制塊的制備;②相關(guān)壓力模具的設(shè)計與加工;③壓鑄過程中壓力、時間等工藝參數(shù)的控制。筆者主要研究預(yù)制塊的制備，運用控制變量法進(jìn)行分組實驗，對比分析升溫方式、粘結(jié)劑、模具陰干以及SiC顆粒大小配比對預(yù)制塊品質(zhì)的影響。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 實驗方案

SiC預(yù)制塊的制備過程主要分為三個步驟:①稱量不同粒度的SiC顆粒，調(diào)配一定量的粘結(jié)劑，將粘結(jié)劑注入SiC粉末中攪拌均勻;②將攪拌成泥漿狀的SiC倒入模具中填滿刮平，模具安放于滲水陶瓷片上;③將混有粘結(jié)劑的SiC顆粒連同模具一起，放入電阻爐內(nèi)加熱烘干，出爐后脫模成形。

本次試驗針對SiC升溫方式、粘結(jié)劑、模具陰干、時間顆粒大小配比分別進(jìn)行研究。升溫方式與粘結(jié)劑的實驗可以合在一組試驗中完成，使用純200#SiC顆粒，分別使用800℃恒定溫度與200℃初始溫度緩慢升至800℃兩種加熱方式，采用硅膠與磷酸鋁兩種粘結(jié)劑進(jìn)行實驗;模具陰干的實驗，采用SiC顆粒100#與400#按質(zhì)量3:1配比形式，分別將模具自然陰干2h與烘干爐內(nèi)陰干6h后進(jìn)行加熱，對比分析實驗結(jié)果;在進(jìn)行SiC顆粒配比實驗時，采用三種配比形式，分別為60#與200#按質(zhì)量3:1配比、100#與400#按質(zhì)量3:1配比以及純200#的形式進(jìn)行試驗。

2.2 模具的設(shè)計制作

模具規(guī)格需要根據(jù)SiC預(yù)制塊的形狀而定，作用是配合粘結(jié)劑進(jìn)行SiC預(yù)制塊的成形。此次實驗中SiC預(yù)制塊的大小為60mm×50mm×6mm，模具制造的材料為厚6mm、寬20mm的316不銹鋼片，模具的設(shè)計圖紙如圖1所示。

圖1 實驗?zāi)＞?/p>

2.3 設(shè)備與原材料清單

本次實驗涉及的設(shè)備與原材料如表1、2所列。實驗過程中還用到部分儀器，如燒杯、玻璃棒、塑料盆、刮板、美工刀等，不再逐一列出。

表1 設(shè)備清單

表2 原材料清單

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 升溫方式與粘結(jié)劑對SiC預(yù)制塊品質(zhì)的影響

在進(jìn)行升溫方式的實驗研究時，采用了800℃恒定溫度與200℃初始溫度緩慢升至800℃兩種加熱方式;粘結(jié)劑的實驗，為盡可能減少雜質(zhì)的帶入，分別選取硅膠與磷酸鋁，硅膠購買了武漢盧比公司的成品硅膠溶液，濃度為25%;磷酸鋁不溶于水，將50g磷酸鋁粉末置于150g純水中配成懸濁液，使用前充分?jǐn)嚢?，SiC顆粒采用純200#的顆粒。通過實驗證明，硅膠和磷酸鋁均可作為SiC預(yù)制塊的粘結(jié)劑，它們具備一定的粘結(jié)效果。

當(dāng)采用電阻爐采用800℃恒溫方式加熱時，粘結(jié)劑無論采用硅膠溶液還是磷酸鋁懸濁液，都未能得到符合要求的預(yù)制塊。SiC顆粒被加熱以后，在模具中呈現(xiàn)散亂狀態(tài)，粘結(jié)劑未起到任何作用，所有顆粒不存在任何粘連情況，顏色呈灰褐色。

當(dāng)采用電阻爐200℃初始溫度緩慢升至800℃的加熱方式時，使用磷酸鋁作為粘結(jié)劑的模具中，SiC顆粒有且僅有表層存在厚度約為1mm的粘連，表層以下均沒有粘連;使用硅膠作為粘結(jié)劑的模具中，SiC顆?；菊尺B成塊，但是預(yù)制塊的強(qiáng)度不高，脫模過程中就出現(xiàn)了斷裂情況，掉渣情況嚴(yán)重。

實驗結(jié)果:采用800℃恒溫加熱時，粘結(jié)劑沒有起到粘連作用，可能是因為加熱速度太快，水分子直接汽化為水蒸氣，導(dǎo)致預(yù)制塊中孔隙增大，粘結(jié)劑與SiC顆粒過度分離，無法粘連;采用200℃初始溫度緩慢升至800℃的加熱方式，粘連情況不理想，猜測可能同樣由于水蒸氣的存在，造成預(yù)制塊中孔隙過大，無法順利粘連。使用磷酸鋁時，表層存在粘連情況，猜測因為表層水分相對較少，并且最早受熱，磷酸鋁起到一定粘連作用，由于表層以下水分較多，最終造成孔隙較大，無法粘連。

3.2 模具陰干對SiC預(yù)制塊品質(zhì)的影響

為加速材料的陰干，陰干實驗中使用烘干爐分別對模具自然陰干2h與在烘干爐50℃的環(huán)境中陰干6h進(jìn)行對比實驗，采用200℃初始溫度緩慢升至800℃的方式加熱，粘結(jié)劑分別使用硅膠與磷酸鋁。

將模具自然陰干2h，SiC顆粒中存在的水分并未完全陰干，使用硅膠的模具中，SiC顆?；菊辰Y(jié)成塊，脫模時出現(xiàn)破損;使用磷酸鋁的模具中，SiC顆粒從上至下逐步粘結(jié)成塊，最下方未粘連，基本呈粉末狀態(tài)，上表面強(qiáng)度較高，從上至下強(qiáng)度逐步降低。

將模具在烘干爐50℃的環(huán)境中陰干6h后，SiC顆粒中的水分基本蒸發(fā)完全，使用硅膠與磷酸鋁均可獲得較為滿意的預(yù)制塊，但是脫模時周邊掉渣情況嚴(yán)重，有些預(yù)制塊甚至出現(xiàn)破裂，有待進(jìn)一步解決。使用磷酸鋁的預(yù)制塊如圖2所示。

圖2 預(yù)制塊樣品(磷酸鋁)

實驗結(jié)果:粘結(jié)劑溶液中的水分，對預(yù)制塊中粘結(jié)劑的粘結(jié)效果存在不利的影響，猜測水分蒸發(fā)為水蒸氣后，增大了SiC顆粒間的孔隙，影響了粘結(jié)劑的粘連效果。

3.3 SiC顆粒大小配比對SiC預(yù)制塊品質(zhì)的影響

在進(jìn)行SiC顆粒配比實驗時，采用了三種顆粒配比形式，分別為60#+200#、100#+400#以及純200#，按照大顆粒與小顆粒質(zhì)量3∶1的比例混合，模具在烘干爐50℃的環(huán)境中陰干6h后，采用200℃初始溫度緩慢升至800℃的方式加熱，粘結(jié)劑選用硅膠溶液。

使用的三種顆粒配比形式最終都得到了較為理想的SiC預(yù)制塊，但在脫模過程中，三種預(yù)制塊都出現(xiàn)了一定程度的SiC與模具難以分離的情況，使用美工刀協(xié)助脫模時，均出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，尤其是100#+400#的顆粒配比形式，掉渣與邊角破損情況嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3 預(yù)制塊樣品(硅膠)

實驗結(jié)果:顆粒越細(xì)小，加熱后SiC與模具粘結(jié)面積越大，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度變高，脫模越困難，同時顆粒越細(xì)小，對粘結(jié)劑的均勻分布要求越高，周邊粘結(jié)劑相對較少的地方，容易出現(xiàn)掉渣與破損現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)硅膠與磷酸鋁均可作為SiC預(yù)制塊的粘結(jié)劑，在合適的實驗條件下，均具備一定的粘結(jié)能力。

(2)SiC預(yù)制塊的制備過程中，升溫方式不宜采用恒溫加熱方式，應(yīng)選用低溫緩慢升至高溫的方式。

(3)粘結(jié)劑中的水分對SiC顆粒的粘結(jié)具有一定抑制作用，填充SiC顆粒的模具在加熱前應(yīng)充分干燥。

(4)在合適的加熱條件下，SiC顆粒越細(xì)小，粘結(jié)劑粘接效果越好，但是脫模越困難，脫模后周邊掉渣與破損情況越嚴(yán)重。

［1］ 王慶平，閔凡飛，吳玉程.造孔劑對SiC多孔預(yù)制塊性能的影響［J］.材料熱處理技術(shù)，2009，38(14):62-65.

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［3］ 張國政，呂棟騰，吳治明.碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用的研究［J］.新技術(shù)新工藝，2010(11):60-62.

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