夏光華，查麗霞，譚訓彥，朱小鑫，謝 琳

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

成型壓力對Al2O3-TiC/Fe基金屬陶瓷材料致密度及力學性能的影響

夏光華，查麗霞，譚訓彥，朱小鑫，謝 琳

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

以TiC粉、C粉、Mn粉、Ni粉、Mo粉、Cr粉、還原Fe粉和α-Al2O3粉為主要原料，加入硬脂酸鋅、石蠟、油酸潤滑添加劑，且以酒精為溶劑，采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法來制備Al2O3-TiC/Fe基復合陶瓷材料。利用管式真空燒結爐(φ150 mm)高真空(4.2 Pa)燒結，燒成溫度為1520 ℃，保溫時間為90 min，研究成型壓力對試樣的吸水率及體積密度的影響。研究結果表明：在以上條件下，成型壓力為140 MPa時，Al2O3-TiC/Fe基復合陶瓷材料的吸水率和體積密度達到最佳值，硬度為467 HB，抗彎強度為882 MPa，相對密度為99.6%，磨損率為0.102%。

粉末冶金；真空燒結；成型壓力；力學性能

0 引 言

Al2O3-TiC/Fe基金屬復合陶瓷材料是以Fe為粘結劑，Al2O3、TiC為硬質(zhì)相的復合材料。在Fe基體中加入TiC/TiN/Ti(C,N)以及Al2O3顆粒所制備的Al2O3-TiC/Fe基金屬復合陶瓷[1-4]，既具有金屬基體的塑性和韌性，又能有效地結合陶瓷的強度和高模量，因其價格低廉和良好的性能而被廣泛應用于高溫高壓、抗輻射、抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕等環(huán)境。文獻[5-6]報導了金屬基復合材料的有關應用以及合成制備技術，范群成等[7]用自蔓延高溫合成技術結合快速加壓技術(SHSQP)合成TiC/Fe復合材料。雖然金屬基復合陶瓷材料在應用上有很多的優(yōu)勢，但是它的性能受到添加劑和成型工藝的影響非常大。比如集美大學生物工程學院的謝遠紅[8]研究的助熔劑對氧化鋁陶瓷結構及性能影響的研究中，當滑石的含量為3.5%，碳酸鋇的含量為5.5%時，瓷球吸水率、氣孔率和體積密度達到了極值，此時吸水率為0.21%，氣孔率為0.67%，體積密度為3.18 g/cm3；文獻[9]通過擠壓成型來制備大直徑棒的93W-Ni-Fe合金。而本實驗將探討成型壓力[10]對TiC-Al2O3/Fe基復合陶瓷材料的吸水率以及體積密度的影響，通過改變成型壓力，并探討其機理，來制備出最佳性能的Al2O3-TiC/Fe基金屬復合陶瓷。

1 實驗材料及方法

以C、TiC、Mn、Ni、Mo、Cr、α-Al2O3微粉和還原Fe粉(均＞99.8%，質(zhì)量分數(shù))為原料，硬脂酸鋅、石蠟、油酸為添加劑，且以酒精為溶劑。稱料混合后，放入高能球磨機中球磨。本實驗的球磨方式是間歇式球磨150 min且轉速為400 r/min。出料后，放入真空干燥箱中333 K真空干燥24 h，然后20 MPa造粒，不同壓力壓制試樣，放入真空燒結爐中煅燒。

將61wt.%Fe粉、12wt.%α-Al2O3粉、2wt.%TiC粉、12wt.%Mn粉、1wt.%Ni粉、1wt.%Mo粉、2wt.% Cr、1wt.%石墨粉按照質(zhì)量百分比配比稱料，然后外加1 wt.%硬脂酸鋅、1.5wt.%石蠟和0.1wt.%油酸進行配料，標記為TM1。

以配制好的樣TM1為研究對象，研究不同的成型壓力對TiC-wt.%/Fe基金屬復合陶瓷的吸水率和體積密度以及力學性能的影響，粉末的成型壓力分別設置為60 MPa、100 MPa、140 MPa、180 MPa和300 MPa。

2 表 征

Archimedes法測定燒結試樣的吸水率和體積密度。經(jīng)計算試樣的理論密度為6.437 g/cm3。

在D8-XRD衍射儀上檢測TM1燒結后晶相組成；在HB-200布氏硬度計上測試硬度；在YL-1107B型電子感應拉力試驗機上測試抗彎強度；在MRS-10A微機控制四球摩擦試驗機上測試磨損率。

用JEOL-JXA6400掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微形貌。

圖1 TM1的合成產(chǎn)物X衍射圖譜Fig.1 The XRD pattern of TM1

3 實驗結果與討論

3.1 XRD檢測結果分析

圖1為TM1的衍射結果，可以看出，燒結后的主要產(chǎn)物為Al2O3、TiC和Fe。文獻報道[11]，在Ti-Al-C體系中，TiC相是最穩(wěn)定的中間相，亦是合成Ti2AlC相的前提。溫度升高后，將有利于TiC相向Ti2AlC相轉變。陳新華[12]等人對TiC-x/Fe(Al,Ti)系進行分析，Ti3AlC2從760 ℃附近就開始與Fe初步發(fā)生原位反應，生成TiCx相。隨著燒結溫度達到1100 ℃，Ti3AlC2相的衍射峰完全消失，隨著溫度繼續(xù)升高到1400 ℃的燒結溫度范圍內(nèi)，所生成的復合材料物相均保持為TiCx和Fe(Al,Ti)固溶體不變。而本文的X衍射分析中，這些物質(zhì)幾乎不存在，而最終的物相主要是Al2O3、TiC和Fe。

3.2 不同成型壓力對復合陶瓷材料性能的影響

通過上述實驗所得測試數(shù)據(jù)結果如表1和表2所示。繪制成曲線如圖2和圖3所示。

如圖2所示，在60～140 MPa的壓力下，試樣的吸水率緩慢下降到最低值，體積密度快速增大到最大值。當成型壓力為140～300 MPa時，試樣的吸水率反而迅速升高了，體積密度逐漸地減小了。結果表明，當成型壓力為140 MPa時，吸水率與體積密度都達到最佳狀態(tài)，分別為0.008%和6.437 g/cm3。圖3表明，隨著壓力的增加，燒結試樣的硬度、抗彎強度、相對密度都呈先增后減的趨勢，試樣的磨損率則是先減后增，且在140 MPa時都達到最佳狀態(tài)。

表1 成型壓力對TiC-Al2O3/Fe基金屬復合陶瓷的吸水率及體積密度的影響Tab.1 The infuence of molding pressure on water absorption and bulk density of TiC-Al2O3/Fe composite cermets

表2 成型壓力對TiC-Al2O3/Fe基金屬復合陶瓷的力學性能的影響Table 2 The Infuence of molding pressure on mechanical properties of TiC-Al2O3/Fe composite cermets

圖2 成型壓力與吸水率及體積密度的關系Fig.2 The infuence of molding pressure on water absorption and bulk density of the sintered TiC-Al2O3/Fe composite

圖3 成型壓力對力學性能的影響Fig.3 The infuence of molding pressure on mechanical properties

TiC-Al2O3/Fe基金屬復合粉末顆粒在壓力的作用下發(fā)生滑移與重排，而實驗所加入的潤滑劑硬脂酸鋅、石蠟、油酸添加劑[13-14]能夠降低顆粒與顆粒之間以及顆粒與模壁之間的摩擦，使得壓模過程中均勻的傳遞壓制壓力，顆粒之間可以均勻的壓實。壓力過低時，顆粒之間的結合比較疏松，顆?；婆c重排占主導作用；壓力較大時，顆粒之間的結合比較致密，此時占主導作用的是塑性變形，使得成型坯體中的氣孔被排出坯體外，殘余孔洞獲得最大限度的填充，疏松的顆粒間得到緊密的結合；壓力過大，試樣的性能反而降低(如圖2、圖3)，因為過大壓力會導致坯體開裂，顆粒的形狀結構也可能遭到破壞。

3.3 成型壓力對金屬復合陶瓷顯微結構的影響

采用SEM觀察了成型壓力分別為60 MPa、140 MPa、300 MPa試樣燒成后的顯微結構，三個試樣的斷口的SEM形貌如圖4所示。

由圖4可知，在相同條件下，對試樣施加不同的成型壓力對晶粒大小有直接影響。壓力太小，顆粒間的結合較弱，氣孔和殘余空洞較多，晶粒比較粗糙，致密性很差，圖4a明顯可以看出晶粒結構非常的疏松，顆粒大小不一，氣孔稍多而且孔隙直徑較大；若壓力過大，壓制完成脫模后，會由于內(nèi)應力作用壓坯發(fā)生彈性膨脹，壓力越大，彈性膨脹越大，這種彈性膨脹在壓坯內(nèi)是各向異性的，容易引起坯體開裂。并且過大的壓力還會破壞晶粒的結構，影響燒結后的性能，圖4c即為施加過大壓力的顯微圖，此時的試樣吸水率增加是因為氣孔增加了，故而它的體積密度減小了；當施加140 Mpa的成型壓力時，由圖4b可看出，顆粒尺寸均化程度最好，晶界分明，顆粒之間達到最佳的結合，真空燒結后的試樣致密性較好。

圖4 不同成型壓力TM1的SEM照片F(xiàn)ig.4 The SEM photos of sintered TM1 samples prepared under different molding pressure: a. 60 Mpa; b. 140 Mpa; c. 300 MPa

4 結 論

采用粉末冶金法制備高性能的TiC-Al2O3/Fe基金屬復合陶瓷材料，通過高真空1520 ℃燒結試樣。結果表明，隨著成型壓力的增加，壓制試樣的密度增大，因而燒結后基體的吸水率降低，但當壓力過大時，會引起燒結試樣的開裂。在成型壓力為140 MPa時，燒結試樣不會產(chǎn)生裂紋同時吸水率與體積密度都達到最佳狀態(tài)，分別為0.008%和6.437 g/cm3；此時硬度達到了467 HB，抗彎強度為882 MPa，相對密度為99.6%，磨損率為0.102%。

[1] LI Feng, LI Zhenhua. Study on improvement of hard phase morphology and properties of hypoeutectic Fe-C-B alloy.Journal of Alloys and Compounds, 2013, 587: 267-272..

[2] 趙子鵬, 湯愛濤, 劉勝明, 等. Al2O3-TiC-Me系金屬陶瓷的設計原則與研究進展[J]. 材料導報A:綜述篇, 2013, 27(06): 54-59.

ZHAO Zipeng, et al. Mater Rev: Rev,2013, 27(06): 54-59.

[3] 章林, 劉芳, 李志友, 等. 顆粒增強型鐵基粉末冶金材料的研究現(xiàn)狀[J]. 粉末冶金工業(yè), 2005, 15(01): 33-38.

ZHANG Lin, et al. Powder Metarallurgy Industry, 2005,15(01): 33-38.

[4] LIU J, LI J, XU C Y. Interaction of the cutting tools and the ceramic-reinforced metal matrix composites during micromachining: A review. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2014, 7(02): 55-70.

[5] MAZAHERY A, SHABANI M O. Application of the extrusion to increase the binding between the ceramic particles and the metal matrix: Enhancement of mechanical and tribological properties. J. Mater. Sci. Technol., 2013, 29(5): 423-428.

[6] MAILLE L, LE BER S, DOURGES M A, et al. Manufacturing of ceramic matrix composite using a hybrid process combining TiSi2active filler infiltration and preceramic impregnation and pyrolysis. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(2): 189-195.

[7] FAN C Q, CHAI H F, JIN Z H. Mechanism of combustionsynthesis of TiC-Fe cermet. J. Mater. Sci., 1999, 34(1): 115-122.

[8] 謝遠紅. 助熔劑對氧化鋁陶瓷結構及性能影響的研究[J]. 陶瓷學報, 2007, 28(3): 177-180.

XIE Yuanhong. Journal of ceramic, 2007, 28(3): 177-180.

[9] LIU W S, CAI Q S, MA Y Z, et al. Fabrication of 93W-Ni-Fe alloy large-diameter rods by powder extrusion molding.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2014, 42: 233-239.

[10] 李方文, 吳建鋒, 徐曉虹, 等. 成型壓力對基體體積密度、吸水率和顯氣孔率影響的探討[J]. 中國陶瓷, 2007, 43(4): 25-27.

LI Fangwen, et al. China Ceramics, 2007, 43(4): 25-27.

[11] 艾桃桃, 馮小明. Ti-Al-C體系的原位反應過程研究[J]. 鑄造技術, 2010, 31(01): 69-71.

AI Taotao,et al. Journal of Casting Technology, 2010, 31(01): 69-71.

[12] 陳新華, 翟洪祥, 黃振鶯. TiC-x/Fe(Al,Ti)復合材料的常壓制備及性能[J]. 北京交通大學學報, 2011, 35(06): 117-120.

CHEN Xinhua, et al. Journal of Beijing Jiaotong University, 2011, 35(06): 117-120.

[13] ENNETI R K, LUSIN A, KUMAR S, et al. Effects of lubricant on green strength, compressibility and ejection of parts in die compaction process. Powder Technology, 2013, 233: 22-29.

[14] SHI X L, ZHAI W Z, WANG M, et al. Tribological behaviors of NiAl Based self-lubricating composites containing different solid lubricants at elevated temperatures. Wear, 2014, 310(1-2): 1-11.

The Infuence of Moulding Pressure on Density and Mechanical Properties of Al2O3-TiC/Fe Metal-Base Ceramic Composites

XIA Guanghua, ZHA Lixia, TAN Xunyan, ZHU Xiaoxin, XIE Lin
(School of Material Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Al2O3-TiC/Fe metal-base ceramic composite materials were prepared by means of powder metallurgy method with TiC, C, Mn, Ni, Mo, Cr, reduced Fe and α-Al2O3powders as main raw materials, zinc stearate, paraffn wax and oleic acid as lubricating additives, and alcohol as a solvent. The samples were sintered in vacuum sintering furnace in high vacuum atmosphere of 4.2 Pa at 1520 ℃ and heat-soaked for 90 min. The infuence of moulding pressure on water absorption and bulk density was investigated. The results show that the water absorption and bulk density of the sintered Al2O3-TiC/Fe cermets under the moulding pressure of 140 MPa are optimal with the hardness of 467 HB, the fexural strength of 882 MPa, the relative density of 99.6%, and the wearing rate of 0.102%.

powder metallurgy; vacuum sintering; moulding pressure; mechanical properties

TQ174.75

A

1000-2278(2014)05-0512-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.05.012

2014-06-18.。

2014-07-20。

江西省科技支撐計劃項目資助(編號：20132BB150014)；景德鎮(zhèn)陶瓷學院研究生創(chuàng)新專項資金項目資助(編號：JYC1307)；景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料學院研究生創(chuàng)新專項資金項目資助。

夏光華(1962-), 男, 教授。

Received date: 2014-06-18. Revised date: 2014-07-20.

Correspondent author:XIA Guanghua(1962-), male, Professor.

E-mail:xiagh6565@163.com