基于SPS方法對B4C/6061Al復(fù)合材料的微觀組織及磨損行為研究

武翹楚,王文先,李宇力,陳洪勝,趙峻超,劉瑞峰

(太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院，b.新材料界面科學(xué)與工程省部共建教育部重點實驗室，c.先進鎂基材料山西省重點實驗室，太原 030024)

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基于SPS方法對B4C/6061Al復(fù)合材料的微觀組織及磨損行為研究

武翹楚a,c,王文先a,b,c,李宇力a,b,陳洪勝a,b,趙峻超a,劉瑞峰a

(太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院，b.新材料界面科學(xué)與工程省部共建教育部重點實驗室，c.先進鎂基材料山西省重點實驗室，太原 030024)

采用化學(xué)鍍銅的方法對B4C顆粒表面進行改性,以提高顆粒與基體合金之間的界面結(jié)合強度。通過等離子放電燒結(jié)(SPS)的方法制備顆粒含量為10%～50%的B4C/6061Al復(fù)合材料；對制備的復(fù)合材料的微觀組織形貌、物相組成進行觀察分析,并通過高速往復(fù)摩擦磨損試驗機研究分析其磨損機制。結(jié)果表明:B4C顆粒均勻分布于基體合金中,B4C顆粒表面的鍍銅層在等離子燒結(jié)過程中與基體發(fā)生反應(yīng),生成第二相Al2Cu,改善了增強體與基體間的結(jié)合情況;相對于B4C/6061Al復(fù)合材料,采用鍍銅處理后的碳化硼制備出的復(fù)合材料表現(xiàn)出較低的磨損率,其磨損機制主要為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

B4C/6061Al;復(fù)合材料;化學(xué)鍍銅;放電等離子燒結(jié);摩擦磨損性能

碳化硼(B4C)陶瓷是一種重要的工程材料,具有優(yōu)良性能,如高熔點(2 450 ℃)、高硬度、高模量、密度小(2.52 g/cm3)、耐磨性好、耐酸堿性強等優(yōu)點[1],并且具有優(yōu)良的中子吸收性能(如：10B的熱中子吸收截面高達3 837 barn,1 barn=10-24cm2)、俘獲能譜寬、吸收熱中子后不產(chǎn)生放射性同位素等[2]?；谏鲜鲋T多優(yōu)勢,B4C被廣泛用作研磨材料、潤滑材料、防彈材料、耐酸堿材料、核反應(yīng)堆中的控制棒、屏蔽材料等[3]。直接燒制而成的碳化硼陶瓷有很多缺陷,如斷裂韌性低(KIC<2.2 MPa·m1/2)、制備時所需的燒結(jié)溫度高、抗氧化能力差等。在實際應(yīng)用中,為了克服碳化硼陶瓷的脆性以及難加工的難題,產(chǎn)生了聚合物基體或金屬基體的B4C顆粒增強復(fù)合材料,該種材料的應(yīng)用結(jié)合了碳化硼的功能性和金屬的易加工性,可同時滿足功能性和結(jié)構(gòu)性的使用需求[4]。盡管如此,碳化硼與金屬材料之間的潤濕性很差,產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的要求較高,二者難以形成有效的結(jié)合,限制了復(fù)合材料的制備[5]。目前，國內(nèi)外成熟的制備工藝較少且都未能完全解決碳化硼與基體間的結(jié)合問題,阻礙碳化硼金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。

本文采用碳化硼顆粒表面化學(xué)鍍銅作為增強體，并結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)以實現(xiàn)復(fù)合材料中增強相與鋁合金基體的有效結(jié)合,對含有不同質(zhì)量分數(shù)增強體的復(fù)合材料的磨損性能進行研究。

1 實驗

所用粉末為碳化硼粉末(純度99.5%,平均粒徑為30 μm)和工業(yè)6061鋁合金粉末(純度99.0%,平均粒度為40 μm)。碳化硼粉末經(jīng)過清洗、敏化、活化等鍍前預(yù)處理后,在堿性條件下實施化學(xué)鍍銅[6-8]。鍍銅液成分為:CuSO4·5H2O,HCHO(質(zhì)量分數(shù)為37%),C4O6H2KNa, C10H16N2O8(EDTA),K4[Fe(CN)6]·3H2O,Na2CO3?；瘜W(xué)鍍液pH值為12～12.5,溫度為55～60 ℃。

碳化硼粉末經(jīng)化學(xué)鍍銅后,稱取粉末與6061鋁合金粉末混合配置w(B4C)=10%,20%,30%,40%,50%的混合粉末。混粉使用ND-2L行星式球磨機。球磨罐材料為Cr12MoV,內(nèi)徑為40 mm,罐內(nèi)高80 mm,磨球為Al2O3球(?5 mm),球粉比為5∶1,轉(zhuǎn)速為400 r/min,混粉時間為1 h。

采用富士電機產(chǎn)業(yè)株式會社生產(chǎn)的SPS-331Lx型放電等離子燒結(jié)設(shè)備。將充分混勻的粉末裝入石墨模具中,燒結(jié)前預(yù)壓以緊實粉末。燒結(jié)制度為:軸向壓力為30 MPa;先將粉末以50 ℃/min的升溫速率升高至450 ℃,保溫10 min;之后再將溫度升高至580 ℃,保溫15 min后關(guān)閉加熱裝置,制備出的復(fù)合材料坯料隨爐冷卻。

制備出的復(fù)合材料采用線切割加工成?10mm×3 mm的圓盤形試樣,在MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗儀上進行摩擦磨損試驗。試驗參數(shù)為:摩擦行程5 mm；摩擦?xí)r間30 min;載荷10 N;頻率2 Hz。

采用配有能譜(EDS)的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察化學(xué)鍍銅后的碳化硼粉末、SPS燒結(jié)制備的復(fù)合材料以及摩擦磨損試驗后磨痕處的顯微形貌;采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)對制備出的復(fù)合材料進行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 覆銅B4C及覆銅B4C/6061Al復(fù)合材料的顯微形貌和物相成分

圖1 覆銅B4C顆粒微觀形貌及覆銅B4C/6061Al基復(fù)合材料顯微形貌Fig.1 Morphologies of copper cladded B4C particles and 30% copper cladded B4C/6061 Al composite

圖1為覆銅B4C顆粒微觀形貌及覆銅B4C/6061Al基復(fù)合材料顯微形貌。通過觀察圖1(a)可知,碳化硼顆粒在經(jīng)過化學(xué)鍍銅后,顆粒被鍍銅層包裹,沒有觀察到顆粒間的團聚現(xiàn)象。從圖1(a)內(nèi)置的EDS能譜分析結(jié)果可知,鍍銅后粉末中銅的質(zhì)量分數(shù)為19.4%,鍍覆效果良好。

圖1(b)為B4C質(zhì)量分數(shù)30%的覆銅B4C/6061Al復(fù)合材料的顯微形貌。圖中黑色處為碳化硼顆粒,可觀察到復(fù)合材料中碳化硼顆粒分布基本均勻,沒有明顯的顆粒團聚現(xiàn)象。對復(fù)合材料的EDS能譜檢測結(jié)果(圖1(b)內(nèi)置表)進行分析,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)含銅量較高,例如碳化硼質(zhì)量分數(shù)30%的覆銅碳化硼鋁基復(fù)合材料含銅量為2.1%,證明了使用SPS技術(shù)制備復(fù)合材料過程中,鍍銅層沒有由于顆粒接觸處溫度過高而全部損失。

通過觀察復(fù)合材料的X射線衍射儀測試結(jié)果(見圖2),發(fā)現(xiàn)在復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)了Al2Cu相,推測可能是由于復(fù)合材料在燒結(jié)過程中,碳化硼顆粒表面的鍍銅層與鋁合金基體顆粒接觸部位發(fā)生了局部融化反應(yīng)生成了Al2Cu相。

圖2 不同含量覆銅B4C復(fù)合材料的XRD衍射結(jié)果Fig.2 XRD patterns of B4C composites with different Cu contents

為確定鍍銅層與基體的結(jié)合是否提高了增強體與基體間的結(jié)合強度,對覆銅碳化硼鋁基復(fù)合材料進行了抗彎強度試驗,試驗結(jié)果見圖3。由圖可知,覆銅碳化硼鋁基復(fù)合材料的抗彎強度更高,這應(yīng)該是由于鍍銅層作為中間層提高了增強體與基體間的結(jié)合強度,使得復(fù)合材料整體的抗彎強度得到提高。

圖3 復(fù)合材料彎曲強度對比Fig.3 Comparison of bending strength of composites

結(jié)合上述結(jié)果分析可推斷,碳化硼顆粒在鍍銅層的包裹下,沒有與鋁基體發(fā)生反應(yīng),而是鍍銅層與基體發(fā)生反應(yīng)生成了Al2Cu。在使用熔煉法制備鋁基碳化硼復(fù)合材料時,碳化硼與6061Al合金可能會發(fā)生反應(yīng)生成AlB2相[9],反應(yīng)如下:

Al+B4C→AlB2+Al3BC .

(1)

但是，在覆銅B4C顆粒燒結(jié)的復(fù)合材料的X射線衍射圖中沒有出現(xiàn)這一物相,而是生成了Al2Cu,這應(yīng)該是由于在SPS燒結(jié)過程中發(fā)生了如下反應(yīng):

Cu+2Al→Al2Cu .

(2)

已知使用機械合金化方法和熱處理方法可以制備出Al2Cu顆粒增強Al基復(fù)合材料[10-11],其基本過程是用機械合金化工藝制備出過飽和固溶體Al(Cu)粉末,之后將該粉末加熱到200 ℃并保溫一段時間以形成Al2Cu顆粒增強Al基復(fù)合材料。在本試驗中,雖然也經(jīng)過了球磨混粉過程,但是球磨時間比機械合金化時間短,不足以形成Al(Cu)過飽和固溶體。因此，應(yīng)當(dāng)是顆粒表面的鍍銅層以及6061Al合金基體內(nèi)的Cu在放電等離子體的活化作用下,與Al基體發(fā)生反應(yīng)而生成Al2Cu相。

2.2 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

圖4為摩擦磨損試驗后復(fù)合材料表面劃痕寬度的變化,在摩擦行程、載荷、摩擦?xí)r間相同的情況下,隨著覆銅碳化硼質(zhì)量分數(shù)的升高,復(fù)合材料表面由摩擦磨損試驗造成的劃痕寬度降低。

(a)-w(B4C)=10%;(b)-w(B4C)=40%圖4 B4C/6061Al復(fù)合材料劃痕形貌及劃痕內(nèi)磨削物質(zhì)EDS化學(xué)成分Fig.4 Scratch morphology and EDS results of qrinding scratches of B4C/6061A1 composites

摩擦磨損試驗后復(fù)合材料的劃痕表面出現(xiàn)了磨削物質(zhì)、摩擦脫落物等,選取劃痕內(nèi)部的一片區(qū)域進行EDS能譜檢測,結(jié)果見圖4(a)內(nèi)置圖。由于鋁基體具有一定的粘性,鋁基復(fù)合材料的基體會在磨損過程中與摩擦副粘結(jié),當(dāng)摩擦副繼續(xù)運動后會在材料表面造成剝離現(xiàn)象[12]。結(jié)合圖中的化學(xué)成分以及各元素的質(zhì)量分數(shù)推測,磨損試驗產(chǎn)生的主要磨削物質(zhì)為碳化硼顆粒和脫落下來的鋁基體。

結(jié)合圖5中復(fù)合材料磨損率的變化情況可知，隨著覆銅碳化硼含量的增加,材料的耐磨損率在不斷增加,這應(yīng)該是由于在磨損進行一段時間后,凸出的碳化硼顆粒減少了摩擦副與基體間的接觸,進而減少鋁合金基體的剝落;碳化硼顆粒含量越高,摩擦副與基體接觸的機會越少,從而提升了復(fù)合材料的耐磨性。

圖5 不同質(zhì)量分數(shù)B4C復(fù)合材料的磨損率對比Fig.5 Wear rates of composites with different B4C mass fraction

通過觀察圖6可知,隨著覆銅碳化硼質(zhì)量分數(shù)的不斷升高,平均摩擦系數(shù)(Lcp)、最大摩擦系數(shù)(LMAX)以及摩擦穩(wěn)定系數(shù)(S)都是呈降低趨勢,在覆銅碳化硼質(zhì)量分數(shù)達到20%時下降趨勢停止,轉(zhuǎn)為上升趨勢;平均摩擦系數(shù)和最大摩擦系數(shù)在質(zhì)量分數(shù)為40%達到最大值,之后又開始下降,而摩擦穩(wěn)定系數(shù)在質(zhì)量分數(shù)超過30%后就開始下降。這一情況應(yīng)該是由于占主導(dǎo)地位的磨損機制不同引起的。在質(zhì)量分數(shù)10%的復(fù)合材料內(nèi)部,鋁合金含量很高,更容易與摩擦副粘結(jié),進而隨著摩擦副的運動被剝離下來,使得磨損機制主要以粘著磨損為主[13],伴隨著少量的氧化磨損。而對于碳化硼顆粒含量為20%的復(fù)合材料,碳化硼顆粒與摩擦副接觸的機會增加,碳化硼顆粒從基體脫落的可能性也隨之增加,此時磨粒磨損在磨損機制中占有一定比重,隨著碳化硼的含量繼續(xù)增加,磨粒磨損成為主要磨損機制。當(dāng)碳化硼質(zhì)量分數(shù)超過40%后,復(fù)合材料內(nèi)部的碳化硼顆粒分布十分密集,摩擦副接觸的主要物質(zhì)是碳化硼顆粒,鋁基體的剝落很少,粘著磨損基本不會發(fā)生;基體發(fā)生剝離較少,碳化硼顆粒也不易脫落,磨粒磨損發(fā)生的幾率降低;此時的主要磨損機制是氧化磨損。平均摩擦系數(shù)和最大摩擦系數(shù)的升降主要受占主導(dǎo)地位的磨損機制決定,而對于摩擦穩(wěn)定系數(shù)來說,當(dāng)碳化硼的質(zhì)量分數(shù)超過30%后,摩擦副所接觸表面的粗糙程度隨B4C質(zhì)量分數(shù)的升高而增加,造成材料的摩擦穩(wěn)定系數(shù)不斷下降。

圖6 復(fù)合材料摩擦磨損試驗結(jié)果對比Fig.6 Comparison of friction and wear test results of composite materials

由圖6可知,覆銅碳化硼顆粒鋁基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)Lcp和最大摩擦系數(shù)LMAX較高,這可能是因為，隨著復(fù)合材料的不斷磨損,裸露凸出的碳化硼顆粒不斷增加,使得摩擦副所接觸的表面粗糙度不斷升高。覆銅碳化硼由于鍍銅層的存在而與基體結(jié)合情況較好,與未鍍銅碳化硼顆粒相比,不易從基體中脫落,從而使得在磨損試驗過程中劃痕表面粗糙度更高,在外加載荷相同的情況下,平均摩擦系數(shù)Lcp和最大摩擦系數(shù)LMAX都比較高。

由圖6(c)可知,覆銅碳化硼鋁基復(fù)合材料的摩擦穩(wěn)定系數(shù)S比較高,這是由于未鍍銅碳化硼與鋁基體間的結(jié)合性差,碳化硼顆粒容易從基體脫落出來,磨粒磨損增多,降低了材料磨損的穩(wěn)定性；而覆銅碳化硼鋁基復(fù)合材料的顆粒脫落情況有所降低,從而提升了摩擦穩(wěn)定系數(shù)S。

3 結(jié)論

1) 采用化學(xué)鍍銅方法可在碳化硼顆粒表面形成包裹完整的銅沉積層,使用放電等離子技術(shù)將覆銅碳化硼與6061鋁合金粉末進行燒結(jié),可得到碳化硼顆粒分布均勻的復(fù)合材料。

2) 復(fù)合材料中出現(xiàn)Al2Cu相是由于顆粒表面的鍍銅層與鋁合金基體在放電等離子體的活化作用而生成的。

3) 覆銅層的存在,提升了材料的耐磨性能。碳化硼質(zhì)量分數(shù)在達到20%之前,復(fù)合材料的主要磨損機制為粘著磨損;超過20%后,磨粒磨損的比重不斷增加,粘著磨損不斷減少,直至40%;超過40%后,復(fù)合材料的主要磨損機制為氧化磨損,伴隨著少量的粘著磨損和磨粒磨損。

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(編輯：李文娟)

Microstructure and Wear Behavior of Copper Clad B4C/6061Al Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering

WU Qiaochua，c,WANG Wenxiana，b，c,LI Yulia，b,CHEN Hongshenga，b,ZHAO Junchaoa,LIU Ruifenga

(a.College of Materials Science and Engineering;b.KeyLaboratoryofInterfaceScienceandEngineeringinAdvancedMaterials,MinistryofEducation;c.ShanxiProvinceKeyLaboratoryofAdvancedMagnesiumBasedMaterials,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Electroless copper plating method was used to modify the surface of B4C particles,aiming at improving the bonding strength of interface between the particles and the alloy matrix.B4C/6061A1 composites with particle weight fraction around 10%～50% were prepared by plasma discharge sintering (SPS).Microstructure morphology and phase composition of the as-prepared composite materials were observed and analyzed,wear properties and the wear mechanism were investigated by high-speed reciprocating friction and wear tester.The results show that B4C particles are dispersed evenly among the alloy matrix,the copper layer over the surface of B4C particles reacts with the matrix during the SPS process,generating a second phase Al2Cu,which enhances the bonding strength between the reinforcement and the matrix;compared with B4C/6061A1 composites,copper cladded B4C aluminum composites show lower wear rates.The main wear mechanisms are adhesive wear,abrasive wear and oxidation wear.

B4C/6061Al;composite;electroless copper plating;spark plasma sintering; wear properties

1007-9432(2016)05-0576-05

2016-03-03

山西省科技公關(guān)資助項目：鋁基碳化硼中子吸收材料板材制備及其性能研究(20130321024)

武翹楚(1989-)，男，山西晉中人，碩士生，主要研究材料連接及其界面行為，(E-mail) wqcjxy@126.com

王文先，教授，博導(dǎo)，主要從事焊接、材料連接及其界面行為研究，(E-mail)wangwenxian@tyut.edu.cn

TG148;TG115.5

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.05.004