陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展
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摘 要：陶瓷颗粒增强金属基复合材料由于具有高的强度和高硬度，良好的耐磨性和塑性，以及易成形等优势，被广泛运用于机械设备、电力设备、建筑材料、冶金设备等行业。文章对目前国内外陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法和研究进展作了介绍，讨论了其优缺点及应用情况。
关键词：陶瓷颗粒；复合材料；制备方法；进展
中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0116-02
Abstract： Ceramic particle reinforced metal matrix composites are widely used in mechanical equipment， electrical equipment， building materials， metallurgical equipment and other industries because of their high strength and hardness， good wear resistance and plasticity， and easy forming. In this paper， the preparation methods and research progress of ceramic particle reinforced metal matrix composites at home and abroad are introduced， and their advantages， disadvantages and applications are discussed.
Keywords： ceramic particles； composite materials； preparation methods； research progress
1 概述
磨损是材料和工件等失效的主要原因之一，也是构成能源消耗的主要组成部分。并且现今社会进步的速度飞快，科技以及经济水平不断的提升，企业也因为磨损及其带来的消耗造成成本的大量增加。传统的金属耐磨材料更是难以在现代工业中立足，寻求新型的耐磨材料已刻不容缓。于是新型耐磨材料便出现在大众的视野当中，并将慢慢代替传统耐磨材料在各种领域的使用[1]。在大型耐磨设备使用较多的行业中，如机械设备、建筑材料、冶金设备等，对于机械零部件的磨损相当严重。水泥行业中制粉用的磨辊、磨盘及耐磨衬板，采矿行业使用的板锤、锤头、破碎机等均是磨损极为严重且集中的位置。随着耐磨行业的不断发展，对耐磨材料的损耗也将继续增加。因此，提高耐磨复合材料的性能，可显著降低设备的磨损，节约生产的成本，同时还提升生产的效率，更有利于经济的发展，与现今的发展理念更是完美契合。
2 陶瓷颗粒增强金属基复合材料
2.1 基体材料的选择
在复合材料中金属基体的作用主要是固结增强相，同时传递和承受载荷，从而保证耐磨材料具有一定的塑性[2]。按照金属基体的类型可将复合材料分为铝基、镁基、钛基、镍基、铜基、钢铁基等[3]。由于耐磨材料的强度、塑性等性能与金属基体的种类有密切关系，因此，在进行颗粒增强金属基复合材的设计和制备过程中需要将金属基体与增强相的相容性作为一项重要依据。当基体与颗粒不能润湿或者能够发生激烈的化学反应时，将致使二者间的界面结合强度减弱；当基体与颗粒既能润湿又能形成温度的界面时，才是最有利的结合。另外，复合材料在实际使用时的工况、环境、介质等也需要作全面考虑。
2.2 增强体的选择
陶瓷颗粒在复合材料中作为金属基体的增强相，具有较高的硬度和良好的耐磨性。常用的增强体主要有ZTA、Al2O3、SiC、WC、TiB2等，其颗粒尺寸一般在2～12μm，在复合材料中的体积分数一般为15%～20%。此外，陶瓷颗粒的诸多物理性质，如硬度、弹性模量、热膨胀系数、热稳定性等，都是在选择复合材料增强体时应该着重考虑的因素。若在复合材料制备过程中，陶瓷颗粒与金属基体在界面上发生剧烈的化学反应，会导致界面上萌生裂纹。
3 陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料的制备方法
随着现今科技的发展，具有单一性能的材料难以满足现代工业及生产的要求，复合材料已经稳步出现在人们的视野当中，高性能复合材料的制备已经成为了一个重要的话题。陶瓷颗粒具有良好的耐磨性和热稳定性，目前，制备陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料的常见方法包括：粉末冶金法、固体分散法、喷射沉积法和铸渗法等。
（1）粉末冶金法
粉末冶金法的特点是将金属基体混入到两种材料的粉末当中去，然后进行球磨处理。之后根据不同的条件采用不同的工艺，最后再进行烧结处理。这个方法的缺点是成本高，流程较长。
（2）固体分散法
固体分散法主要包括搅拌铸造法、流变铸造法以及螺旋挤压法。采用最多的是搅拌铸造法。搅拌铸造法是将陶瓷增强体加入到金属基体液中，在机器中进行高速的搅拌，让它们进行均匀混合后，再浇注到已经准备好的型腔里去。这个方法重点在于要求增强体和基体要有很好的结合力，且具有成本低，设备简单，可以一次就形成比较复杂的工件等优点。
（3）喷射沉积法
喷射沉积法是将金属液体流过导流管，在通过喷嘴出口时形成高速气流，并在一定条件下撞击到沉积表面，达到所需要求并获得复合材料。缺点是价格非常贵，优点在于反应很快，可以控制界面的变化。
（4）铸渗法
对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料而言，铸渗法由于具有对工艺设备要求低、生产流程短、成本低等显著优点，被广泛用于复合材料的制备。该法的原理是利用高温金属液对陶瓷预制体的熔渗实现陶瓷颗粒在金属基体中的弥散分布[4]。目前常用的方法有无压铸渗法、壓力铸渗法和负压铸渗法等。无压铸渗法是利用毛细管力的作用，从而使金属液铸渗进入到预制体中形成复合材料的过程，该法无需外部施加压力，具有流程短、成本低、预制体形状可复杂化等优点。但是，该法对金属基体和增强体间的润湿性具有较高要求。压力铸渗法则是需要外界对金属液施加压力才能够使金属液体进入预制体中，此法制备出的材料组织致密，几乎无铸造缺陷。负压铸渗法是通过抽真空处理使预制体内部气压低于外部气压，从而加快金属液在预制体中的浸渗过程，因此需要在砂箱中装入能通气的滤网或蛇形管。在各种铸渗方法中，无压铸渗已逐渐成为生产大型复合耐磨件的主要方法，因此无压铸渗技术则显得尤为重要。 4 界面反应及优化
以铸渗法为例，在铸造的过程中，增强颗粒在遇到高温的金属液时，极易发生界面反应，发生溶解、扩散和元素偏聚等问题。界面反应的剧烈程度和最终反应生成的产物对复合材料界面最终的结构和性能影响很大，主要有以下几点：
（1）损伤增强颗粒并改变金属基体的化学成分，比如在制备SiC颗粒增强铝镁基复合材料过程中，SiC及其表面的SiO2将会和Al、Mg金属发生化学反应，从而使得金属基体中的Si和Mg的含量发生改变，并且使基体中的增强相有相应的减少，使得基体不能充分发挥其原有的性能，此外，界面元素偏聚以及由此形成的新相Mg17Al12也会对复合材料界面的性能产生很大的影响。
（2）界面反应既有其有利的一面又有其不利的一面，一方面界面反应可以提高增强颗粒与金属液润湿性；另一方面，由于发生化学反应而析出脆性相反应产物时，会对增强颗粒有所损伤。例如，WC在高温下发生分解反应生成W2C，W2C是脆性相，对钢基复合材料的韧性和耐磨性都有不好的影响。
在高温条件下，元素化学活性一般都会有所增加，进而界面更容易发生各种复杂化学反应而形成复合材料界面结构，但是增强体与金属基体之间差异较大的物理化学性质增加了复合材料界面研究的难度。目前调整和优化复合材料界面结构和性能的方法大致可以分为三类：
（1）增强体表面涂覆涂层，在增强体表面镀覆或喷涂等方式进行涂层的涂覆，既可以提高增强体与基体间的浸润性，又可以改善界面处的化学成分组成，比如在陶瓷表面利用化学镀的方法镀覆一层Ni-Cu合金镀层，不仅可以提高陶瓷与金属液的润湿性，又使界面拥有Ni-Cu合金独特的腐蚀性和耐磨性。
（2）金属基体合金化处理，通过加入适当的合金元素使基体改性来改善界面反应，在增强体为Al2O3的铝基复合材料中，镁的加入可以和Al2O3颗粒反应，在界面上生成类似尖晶石结构的nMgO·mAl2O3，而nMgO·mAl2O3可与Al和Al2O3颗粒形成结合性较强大的界面。经过实验研究，当Al-Mg-Si与Al2O3进行复合时，添加3-5%Mg时，使液态铝合金的表面能下降。因此，在铝中加入一定量的镁可以起到增加浸润性和提高界面结合的双重效果。
（3）优化制备工艺参数，通过合理的调整工艺参数，可以起到改善界面的作用。其中温度对反应影响最大，复合材料一般在高温下制备，其增强体与高溫金属液之间很多元素活性增加，并进行扩散发生强烈的界面反应，因此要避免过高的制备温度或在高温下进行长时间的保温。
5 结束语
综上所述，陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料由于既具备金属材料的高强度、良好塑性和冲击韧性、易成形等特点，又具备陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性等一系列优点，从而成为替代传统钢铁耐磨材料的首选材料。
参考文献：
[1]高义民.陶瓷颗粒增强铁基表面复合材料的研究现状与最新进展[J].铸造，2012，61（9）：985-990.
[2]张国赏.颗粒增强钢铁基复合材料[M].科学出版社，2013.
[3]贺毅强.颗粒增强金属基复合材料的研究进展[J].热加工工艺，2012，41（2）：133-136.
[4]李祖来，蒋业华，周荣.铸渗法制备金属基表面耐磨复合材料的发展现状[J].昆明理工大学学报（理工版），2003，28（5）：56-59.
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