SPS制備氮化硅/鋅鋁基復(fù)合材料的組織和性能研究

馬會中，張紀(jì)東，張 蘭，夏慧敏

(鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450000)

鋅鋁合金具有熔點(diǎn)低、澆注性能好、無污染、易加工、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在機(jī)械、造船、冶金、玩具等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。我國銅資源短缺，鋁、鋅資源豐富，大力研究和推廣鋁鋅合金的應(yīng)用具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。用鋅鋁合金代替銅合金制造軸瓦、軸套、蝸輪、滑塊等機(jī)件，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2-4]。盡管鋅鋁合金材料表現(xiàn)出較高的性能和巨大的應(yīng)用潛力，但其在硬度、機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性等方面仍有待提高。

通過改變制備工藝和添加增強(qiáng)相來提高鋅鋁合金的力學(xué)和摩擦學(xué)性能已成為重要的研究方向。例如，Savaskan[5]研究了銅含量對偏晶鋅鋁銅合金力學(xué)和滑動(dòng)磨損性能的影響，結(jié)果表明隨著銅添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的增加，合金的硬度不斷提高，添加量為5%時(shí)硬度達(dá)到最高；當(dāng)銅含量逐漸增加到2%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度也隨之增加，但高于此添加量時(shí)，強(qiáng)度則隨著銅含量的進(jìn)一步增加而降低。郝遠(yuǎn)等人[6]探討了半固態(tài)機(jī)械攪拌法制備SiCp/ZA27復(fù)合材料的工藝以及SiCp含量、大小對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和硬度的影響，該工藝可使SiCp分布較均勻，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨SiCp含量、粒度的增加而減小。增強(qiáng)相與基體的選擇是決定復(fù)合材料最終組織和性能的最關(guān)鍵因素。常用的增強(qiáng)相有石墨烯、碳化硅、氧化鋁、氮化硅等。本文選用氮化硅作為增強(qiáng)相，是由于其具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨損、抗腐蝕性等優(yōu)異性能，且成本較低。放電等離子燒結(jié)是一種全新的制備功能材料的技術(shù)手段，該技術(shù)主要特點(diǎn)是升溫速度快、燒結(jié)溫度低、及生產(chǎn)效率高，獲得的晶粒更細(xì)小，組織更均勻。近年來，該技術(shù)已經(jīng)成為粉末冶金行業(yè)制備納米塊體材料、非晶體材料和多尺度復(fù)合的結(jié)構(gòu)材料的重要技術(shù)[7-8]。目前，制備鋅鋁基復(fù)合材料的方法主要有原位生成法，熔煉鑄造法，無壓燒結(jié)法等，而采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備氮化硅/鋅鋁基復(fù)合材料研究相對較少，因此加強(qiáng)該技術(shù)的研究對于豐富鋅鋁合金復(fù)合材料的制備手段有重要意義。

本文以鋅鋁合金作為基體材料，以氮化硅作為增強(qiáng)相，采用放電等離子燒結(jié)方法制備氮化硅/鋅鋁基復(fù)合材料，研究了氮化硅的添加量對鋅鋁合金致密度、硬度、摩擦系數(shù)和磨損量的影響，為開發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的鋅鋁合金材料提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

選用長沙天久公司生產(chǎn)的鋅鋁合金粉末作為基體材料，合金粉平均粒度為2 μm，化學(xué)成分如表1所示；氮化硅為中科時(shí)代有限公司生產(chǎn)，平均粒度為800 nm，純度為99.9%。鋅鋁基合金粉和氮化硅粉末的微觀形貌如圖1所示。

圖1 鋅鋁基合金粉末(a)和氮化硅顆粒(b)的微觀形貌

表1 鋅鋁基復(fù)合粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

采用放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝制備氮化硅/鋅鋁基復(fù)合材料。首先，使用行星式球磨機(jī)將氮化硅與鋅鋁合金粉充分混合，球料比為3∶1，轉(zhuǎn)速200 r/min，球磨時(shí)間2 h；其次，將混合均勻后的不同質(zhì)量配比(氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，5%，10%，15%，20%和 25%)的氮化硅/鋅鋁基合金混粉體裝進(jìn)直徑30 mm的石墨模具，在真空環(huán)境下燒結(jié)成型，具體工藝為：燒結(jié)壓力40 MPa，升溫速率100 ℃/min，燒結(jié)溫度450 ℃，保溫時(shí)間9 min，保壓時(shí)間7 min；最后制備出尺寸為Φ30 mm×5 mm的氮化硅/鋅鋁塊體。

1.2 微觀組織觀察和性能測試

采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)在5 kV的加速電壓下觀察氮化硅/鋅鋁基粉體和復(fù)合材料樣品的微觀形貌特征及磨損形貌；采用電子探針(BSE)對合金組織進(jìn)行了觀察；采用阿基米德排水法測試樣的實(shí)際密度，并根據(jù)理論密度計(jì)算致密度；采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司的HXD-1000TM顯微硬度計(jì)測試樣品的顯微硬度，加載試驗(yàn)力為1.96 N，載荷保持時(shí)間為15 s；使用MS-T3000摩擦磨損試驗(yàn)儀測試材料的摩擦系數(shù)， 實(shí)驗(yàn)載荷為200 g， 轉(zhuǎn)速200 r/min， 摩擦?xí)r間為15 min，磨球?yàn)橹睆? mm的氧化鋯；采用MFT-4000多功能材料表面性能試驗(yàn)儀測試磨損量，設(shè)定試樣移動(dòng)速度0.1 mm/s，荷載0.05 N，采用金剛石錐角90°壓頭，壓頭尖端半徑0.1 mm，在每個(gè)樣品磨損面上測8個(gè)不同的位置取平均值，然后乘以試樣的磨痕長度得到磨損體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氮化硅含量的復(fù)合材料微觀組織

基體和不同氮化硅含量復(fù)合材料的微觀形貌如圖2所示。由圖2可以看出，基體表面存在孔隙和缺陷(圖2(a))，而隨著氮化硅的加入復(fù)合材料表面孔隙和缺陷逐漸減少(圖2(b)～(e))，這主要是因?yàn)樵跓Y(jié)開始后，一些氣體還在樣品中未逸出，形成孔隙。氮化硅加入后，在低溫時(shí)氮化硅與鋅鋁合金作用產(chǎn)生大量界面，可以使氣體逸出，從而使樣品在后續(xù)加工中進(jìn)一步致密化[7-8]。而氮化硅的添加量為25%時(shí)(圖2(f))，鋅鋁合金與氮化硅界面繼續(xù)增加，從而使更多氣體可逸出，在隨后的加壓保壓成形過程中氣孔被焊合，使材料更加致密化。

圖2 氮化硅含量為(a)0，(b)5%，(c)10%，(d)15%，(e)20%和(f)25%時(shí)復(fù)合材料的微觀形貌

圖3為氮化硅含量為20%時(shí)復(fù)合材料的能譜圖，從圖3中可以看出復(fù)合材料主要是由灰白色相和黑色相組成，而灰白色和黑色邊緣沒有明顯的邊界，黑色相以鑲嵌的形式分布。通過EDS能譜分析黑色相主要成分是氮和硅，灰白色相主要成分是鋅和鋁，元素含量的高低隨著顏色從橙色、綠色、藍(lán)色逐漸遞減?？梢?，直至添加量為20%時(shí)，氮化硅在樣品中分散均勻，并未發(fā)現(xiàn)氮化硅明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 氮化硅含量為20%時(shí)復(fù)合材料的能譜圖

圖4為氮化硅含量為25%時(shí)復(fù)合材料的能譜圖，黃色為硅元素的分布區(qū)域，紫色為鋅元素的分布區(qū)域，藍(lán)色為鋁元素的分布區(qū)域，從圖中可以明顯看到硅元素聚集在一塊區(qū)域，表明氮化硅發(fā)生了團(tuán)聚。

圖4 氮化硅含量為25%時(shí)復(fù)合材料的能譜圖

2.2 氮化硅含量對復(fù)合材料致密度與硬度的影響

相對密度是影響金屬力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，增強(qiáng)相可以影響基體的致密化程度，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能[9-10]。氮化硅添加量對復(fù)合材料致密度和硬度的影響如圖5所示。由圖中結(jié)果可知，隨著氮化硅含量的增加，樣品致密度呈現(xiàn)先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢，這與前文組織觀察結(jié)果一致，而硬度卻是先增加后降低的趨勢。氮化硅含量為20%時(shí)，復(fù)合材料的相對密度達(dá)95.53%，硬度達(dá)到162.56HV，遠(yuǎn)超基體合金的102.44HV。從圖3可知，氮化硅含量為5%～20%時(shí)，氮化硅顆粒在鋅鋁基復(fù)合材料中能夠均勻分布，處于基體晶界處的氮化硅顆粒會使復(fù)合材料基體組織的晶界變寬，且顆粒與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度較高，由此使得材料承受與傳遞載荷的能力提高。硬的氮化硅顆粒作為主要的承載體，實(shí)現(xiàn)載荷從軟基體到硬質(zhì)顆粒的有效傳遞。增強(qiáng)顆粒形狀不規(guī)則，在受力下陷的過程中，對基體傳遞應(yīng)力時(shí)相當(dāng)于增加了材料的受力面積，宏觀表現(xiàn)為硬度提高。另外，SPS燒結(jié)瞬間產(chǎn)生放電等離子體使鋅鋁顆粒表面活化，燒結(jié)過程中溫度較高使原子快速遷移，有利于燒結(jié)頸的形成和長大，燒結(jié)頸長大形成眾多的晶粒，當(dāng)遇到晶界較多、晶界能較大的晶粒時(shí)，這些晶粒將吞并周圍的晶粒而優(yōu)先生長[11-12]。加入氮化硅后，氮化硅與鋅鋁互不相溶，氮化硅本身穩(wěn)定性強(qiáng)，分散在基體中，阻礙燒結(jié)頸的長大，從而抑制了基體中晶粒長大，使遷移受阻，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的，從而使硬度提高[13-14]。當(dāng)?shù)杼砑恿繛?5%時(shí)，復(fù)合材料的硬度大幅度降低至128.31HV，這是因?yàn)榈杼砑恿繛?0%時(shí)已達(dá)到最大硬度的臨界值，之后因?yàn)榈杼砑恿窟^高發(fā)生團(tuán)聚(如圖4所示)，而團(tuán)聚體不能與鋅鋁基體充分融合，導(dǎo)致燒結(jié)不完全，氮化硅顆粒與基體界面結(jié)合較差，使硬度開始下降。此外，因?yàn)榈杼砑恿繀^(qū)間較大，所以使硬度表現(xiàn)為在氮化硅添加量為25%時(shí)大幅度下降。

圖5 氮化硅添加量對鋅鋁基復(fù)合材料致密度和硬度的影響

2.3 氮化硅含量對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

圖6、圖7分別給出了不同氮化硅添加量時(shí)復(fù)合材料的摩擦形貌、摩擦系數(shù)和磨損量，隨著氮化硅添加量的增加，摩擦系數(shù)和磨損量都表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢。

圖6 氮化硅含量為(a)0%，(b)5%，(c)10%，(d)15%，(e)20%和(f)25%時(shí)復(fù)合材料摩擦形貌

圖7 氮化硅添加量對復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損量的影響

從圖6可以看出，未加入氮化硅的基體合金表面劃痕多，出現(xiàn)大塊片狀剝離，并且有凹坑出現(xiàn)，犁溝多且寬(圖6(a))，摩擦系數(shù)較高，磨損量較大。主要是因?yàn)樵谀Σ吝^程中，鋅鋁晶粒是承受法向載荷的主要單元，而鋅鋁晶粒硬度和彈塑性模量相對較低，隨著剪切力的作用，容易塑性變形。加入氮化硅后磨損試樣表面形貌以劃痕為主，犁溝較淺且剝層不明顯，隨著氮化硅含量不斷增加(從圖6(b)～(e))，摩擦系數(shù)明顯減小，磨損量較之前明顯降低。氮化硅添加量為20%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.210 3，磨損量為3.37×10-3mm3。表明氮化硅的加入對復(fù)合材料的摩擦性能有明顯的提升。這是由于增強(qiáng)相氮化硅顆粒較均勻的分布在復(fù)合材料當(dāng)中，且顆粒具有較高硬度和彈塑性模量，變形量極小[15-16]。當(dāng)在摩擦測試中，摩擦副與復(fù)合材料表面接觸摩擦?xí)r，分散在外表面的氮化硅顆粒凸出，承受了部分法向載荷，導(dǎo)致摩擦副與基體較難接觸從而降低了磨損，磨損過程主要是磨粒磨損[17-18]。而當(dāng)加入氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)(圖6(f))，樣品的致密度下降，因?yàn)闊Y(jié)不完全導(dǎo)致界面結(jié)合減弱，從而造成氮化硅在摩擦測試中容易脫落，從而導(dǎo)致耐磨性能下降。

3 結(jié) 論

1)試樣致密度隨著氮化硅加入先增加后趨于平穩(wěn)，在氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)達(dá)到最佳，致密度為95.35%，硬度達(dá)到162.56HV，與基體鋅鋁合金相比，硬度提高了58.5%。氮化硅的加入提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2)隨著氮化硅的加入，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)及磨損量持續(xù)減小，在含量為20%時(shí)達(dá)到最佳，其摩擦系數(shù)為0.210 3，磨損量為3.37×10-3mm3，含量增至25%時(shí)，摩擦系數(shù)及磨損量有所增加。氮化硅在基體中均勻分散，摩擦過程中復(fù)合材料表面與磨球發(fā)生接觸摩擦?xí)r，凸出的氮化硅顆粒承受部分法向載荷，減少了磨球與基體的實(shí)際接觸面積，從而降低了磨損，磨損過程主要以磨粒磨損為主。