賀戰(zhàn)文，王明智

(1.武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430023;2.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004)

碳化硅具有很高的硬度和熔點(diǎn)［1］。在我國(guó)主要用做磨料，而Cu是塑性材料。在塑性材料Cu中加入適量的SiC，一方面可以改進(jìn)金剛石制品的自銳性，另一方面也能提高其制品的結(jié)合強(qiáng)度。這些性能的改善都可以通過(guò)高能球磨的方式來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)高能球磨后，Cu在SiC表面溶解包裹使得Cu與SiC之間形成原子級(jí)的結(jié)合，從而使SiC與結(jié)合劑具有良好的相容性，提高了結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度和磨削工具的使用壽命。本實(shí)驗(yàn)用機(jī)械合金化原理，按常規(guī)粉末冶金工藝制備了SiC/Cu復(fù)合材料，并研究該材料經(jīng)高能球磨后的組織和形貌，為該類(lèi)復(fù)合材料的球磨工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

按Cu30-SiC70的比例(重量比)計(jì)算出各罐需裝入的 Cu、SiC的質(zhì)量，精確到0.1 g，并混合均勻。其中Cu和SiC粉末的平均粒度分別為40.62 μm，28 μm。將混合均勻的粉末按球料比10：1(即選取鋼球?yàn)?00 g，試樣為10 g)裝入球磨罐中。鋼球的直徑分別為8.0 cm和9.5 cm，兩種鋼球按1：1的重量百分比配制。時(shí)間參數(shù)見(jiàn)表1，轉(zhuǎn)速為250 r/min。

表1 行星式球磨機(jī)制備樣品參數(shù)

將按預(yù)訂時(shí)間取出的樣品放在KYKY——2800型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形成包裹程度的分析。

2 結(jié)果與討論

復(fù)合粉末在機(jī)械球磨的過(guò)程中塑性材料和脆性材料互相碰撞、擠壓，不斷地破碎，產(chǎn)生了許多新表面。新表面又發(fā)生粘結(jié)、焊合，如此反復(fù)使粉末的內(nèi)部缺陷和表面發(fā)生了很大地變化［3］。通過(guò)對(duì)球磨10 h后Cu30SiC70復(fù)合粉末進(jìn)行形貌分析可以得到如圖1所示的形貌照片。從圖1(a)可以看出，球磨10 h后的粉末顆粒均勻性很差，大小不一，大顆粒與小顆粒相差甚遠(yuǎn)，大顆粒粒度在30—40 μm左右，小顆粒在0.1—10 μm左右。大顆粒的形狀很不規(guī)則。從圖1(b)可以看出，粉末顆粒的表面出現(xiàn)了粘結(jié)現(xiàn)象，表面有大量空洞，凸凹不平，但粘結(jié)的程度差。

圖1 球磨10 h Cu30SiC70復(fù)合粉末的形貌照片

圖2是球磨20 h后Cu30SiC70復(fù)合粉末的形貌圖。與球磨10 h后的照片相比，粉末顆粒的粒度明顯增大，大顆粒粒度平均達(dá)到50 μm左右。小顆粒的數(shù)目減少，粒度有所增大，多在15—20 μm之間。從圖2(b)可以看出，顆粒表面與圖1(b)相比更加平滑，表面的粘結(jié)物更加均勻和細(xì)化。

圖2 球磨20 h后Cu30SiC70復(fù)合粉末的形貌照片

為了準(zhǔn)確的分析出不同球磨條件下塑性材料Cu對(duì)脆性材料SiC的包裹情況，利用掃描電鏡對(duì)Cu30SiC70復(fù)合粉末進(jìn)行了Cu和Si的面分布分析。如圖3為球磨20 h后的Cu和Si的面分布圖樣。從圖3中看出，球磨20 h后Cu的面分布圖象中亮的區(qū)域較大，說(shuō)明視場(chǎng)表面大部分被Cu覆蓋，而在Si的面分布中大部分區(qū)域較暗，僅在右面的邊緣有幾個(gè)亮點(diǎn)。說(shuō)明視場(chǎng)表面SiC的含量較少。對(duì)比兩幅圖，Cu的亮區(qū)域與Si的暗區(qū)域相對(duì)，說(shuō)明SiC已較大程度的被Cu包裹。

圖3 球磨20 h Cu30SiC70復(fù)合粉末Cu和Si的面分布情況

圖4 球磨50 h Cu30SiC70復(fù)合粉末Cu和Si的面分布情況

圖4是球磨50 h后的Cu和Si的面分布。從圖中可以看出Si的在整個(gè)視場(chǎng)的含量明顯比球磨20 h后增加，而且分布開(kāi)始均勻化，Cu的含量有所降低，分布仍然比較均勻。這說(shuō)明，并不是球磨時(shí)間越長(zhǎng)Cu對(duì)SiC包裹效果越好，而是存在一個(gè)最佳球磨時(shí)間。這是因?yàn)闄C(jī)械合金化是一個(gè)破碎和焊合反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程。球磨到一定階段，Cu對(duì)SiC進(jìn)行了包裹后，如果再繼續(xù)球磨就會(huì)使被包裹的SiC顆粒重新破碎，使SiC顯露出來(lái)。球磨50 h后Si的面分布情況就說(shuō)明了這一點(diǎn)。

3 結(jié)論

Cu30SiC70復(fù)合粉體球磨20 h后Cu對(duì)SiC顆粒有了較大程度的包裹。從包裹情況來(lái)看，在本實(shí)驗(yàn)條件下，最佳球磨時(shí)間在20-50 h之間。

［1］ 孫毓超.金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999：212.

［2］ 張念東.碳化硅磨料工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：1-15.

［3］ 韋世強(qiáng)，殷士龍，劉文漢，等.機(jī)械合金化Fe-Cu系統(tǒng)的EXAFX研究［J］.物理學(xué)報(bào).1994，43(10)：1630-1637.