在石墨基體上制備耐磨的SiC鍍層研究

張效華 胡躍輝 楊 豐 辛 鳳 范躍農 曾慶明 陳義川

（景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院，江西景德鎮333000）

0 引言

碳化硅(SiC,Silicon Carbide)是一種人造材料，是以共價鍵為主要鍵型的化合物，碳和硅之間靠共價鍵結合，但硅原子和碳原子之間存在著電負性差，因而硅原子和碳原子的結合有部分的離子鍵性質。它具有許多優異的性能，如耐磨削、耐高溫、耐腐蝕、高熱導率、高化學穩定性、寬帶隙以及高電子遷移率等，被廣泛應用于磨料磨具、耐火材料、高溫結構陶瓷、半導體材料、非線性電阻材料以及高溫、大功率電子元器件等領域，所涉及到行業有冶金、石油、化工、建材、航空航天、機械、激光和微電子等領域[1,2]。

SiC最早發現的特性之一就是它的硬度和耐磨性，并且作為磨料得到了廣泛的應用。其硬度和耐磨性僅次于金剛石，散狀和粒狀的SiC也被用作切割和磨削用精密和半精密砂輪，以及用于金屬和光學玻璃的精磨和拋光[1,2]。SiC也具有非常高的化學穩定性，在室溫下能抵抗任何己知的酸性蝕刻劑，同時也具有較好的抗氧化性能，這是因為在高溫條件下SiC材料表面產生了一層非常薄的、連續的、致密的SiO2膜，阻止了SiC的繼續氧化。

工業合成SiC的主要方法一直是Acheson固相法，其本質是大電流通過石墨質爐芯產生高溫使爐芯周圍按一定比例配置的碳質原料和硅質原料發生碳熱還原反應生成SiC結晶。采用的原料為石英砂、石油焦、煤焦、木屑和石墨等[1-3]。在SiC的工業冶煉過程中，主要合成綠碳化硅和黑碳化硅，綠碳化硅硬度介于剛玉和金剛石之間，機械強度高于剛玉，性脆而鋒利，含SiC97%以上；黑碳化硅有金屬光澤，含SiC95%以上，強度大于綠SiC，但硬度較低。

本實驗在合成冶煉黑色SiC的過程中，采用固相反應沉積的方法，在結晶筒內放置石墨基板，制備黑色SiC鍍層。SiC鍍層主要成分為SiC，主要具有超硬耐磨特性，可以作為磨具使用。磨料是在磨削，研磨和拋光中起切削作用的材料，磨具是磨料和結合劑按一定形狀和尺寸黏結而成用于磨削的工具，用以磨削、研磨和拋光。可以加工玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等，也可用于加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃，汽缸套和精磨高速鋼刀具以及超精加工等[4-6]。

1 實驗

實驗原料選用石英砂、無煙煤、天然石墨、石墨化電極粒、食鹽、木屑。其中石英砂、無煙煤用作反應原料，石英砂作為硅質原料，無煙煤作為碳質原料。石英砂成分的工業分析結果表明SiO2含量為99.3%，無煙煤成分的工業分析結果表明固定碳含量為85.2%。天然石墨作為基板，電極使用。石墨化電極粒用來制備爐內高溫電極。食鹽的主要作用是高溫下同原料中的金屬氧化物雜質生成低共熔物，氣化后在擴散動力的作用下，低共熔物轉移到低溫部位。木屑用來調節爐體的透氣性。

主要的實驗設備：混料機，燒成爐。采用傳統的固相反應法原理進行SiC的合成，SiC合成爐包括供電系統、爐體和冷卻系統三部分組成。其中供電系統由變壓器、整流設備和電控系統組成。燒成爐的爐體結構如圖1所示。

使用X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)分析SiC鍍層的晶相結構；采用隧道掃描電鏡(SEM)分析了鍍層的表面形貌；采用AKASHI型維氏顯微硬度計，隨機測試鍍層硬度；采用MP-200磨損試驗機測量SiC鍍層的磨損特性。

2 結果與討論

電阻爐在裝爐完畢后，開始供電。爐芯溫度在供電初期呈線性緩慢升高。供電約1h時，爐芯溫度開始趨向恒定；供電1h后，爐芯溫度穩定在2200℃范圍內。SiC合成冶煉爐內的溫度場分布可通過紅外線測溫儀和溫度場的模擬進行分析，分析可知結晶筒的爐芯到外層，溫度在2200℃～1600℃范圍內。二氧化硅與碳的混合物在爐內被加熱，溫度達到1300～1350℃時，二氧化硅蒸氣達到了一定的量值，與碳開始作用生成碳化硅。化學反應方程式如下式所示：

但比較明顯的反應則要有較高的溫度。1800℃時二氧化硅的蒸氣壓達到10mm汞柱，這時反應才相當激烈。在爐內的溫度下，碳的蒸氣壓很低，實際上是以固體狀態參與反應的。二氧化硅蒸氣不斷地侵入到碳粒的內部，侵蝕碳粒，漸漸反應直至把碳粒消耗完畢，因此碳粒表面及其微孔表面積的大小，在相當大程度上影響著某溫度下的反應速度。同樣原理，在石墨基板上也會生成SiC鍍層，隨著供電時間的增加，SiC鍍層逐漸變厚，成為連續致密的鍍層。

在出爐后，可以發現石墨基板上附有SiC鍍層，隨機取SiC鍍層的三個部分進行物相分析，圖2為SiC鍍層的XRD分析圖譜。測試條件：Cu靶(Kα)，加速電壓：48Kv，管流：120mA，狹縫10100.6mm,掃描角度30～900，掃描速度：100/m。從圖2可知，鍍層三個部分的隨機測試表明物相均為SiC高溫相，鍍層中也有SiO2，Fe3Si雜相出現，這是由原料的雜質所促使，實驗中所有原料均為工業原料。

圖3為SiC鍍層的SEM圖。測試儀器：日本理學公司JCXA-733型電子掃描顯微鏡。測試條件：加速電壓20Kv，電流70μm，工作距離15mm。圖3為鍍層不同位置的隨機測試效果。圖3(a)放大倍數為52倍，可以發現鍍層SiC在石墨基板上呈現片狀生長，有少量空隙出現，鍍層表面不平整。圖3(b)放大倍數為250倍，也伴隨少量空隙出現，整體來說此位置比較平整。圖3(c)放大倍數為1000倍，可以發現鍍層呈現出片狀SiC晶體生長，片與片之間具有明顯界限，圖中針狀為晶界。圖3(d)放大倍數為1200倍，這是以一定的傾角去觀察鍍層的微觀結構，從圖中可以看到，鍍層一層一層以堆垛的形式生長在基板上面。晶界也相當明顯。比較(a)(b)(c)(d)四幅圖來看，呈現出形態各異的狀況，但是實為連續致密的SiC鍍層。從鍍層的斷面也可以觀察到鍍層與基板結合緊密，這是由于與石墨基板的化學反應。鍍層的厚度約為2mm，不過隨著反應時間的增加，可以影響鍍層的厚度。

采用AKASHI型維氏顯微硬度計，隨機測試鍍層硬度。由于鍍層的形成過程是高溫下反應沉積，主要成分就是SiC，所以測試結果基本為SiC晶體的硬度。隨機測試鍍層的三個區域，硬度的平均值為1120HV，當然鍍層的硬度與晶體的缺陷，厚度，致密度，純度都有很大的關系。

SiC鍍層不僅有優良的抗氧化性，抗高溫特性，也具有優良的耐磨特性。采用MP-200磨損試驗機測量SiC鍍層的磨損特性。鍍層的不同位置磨損測試表明：磨損面磨損均勻，沒有出現剝落現象。磨損機制為硬質顆粒的磨粒磨損，這主要歸因于鍍層中SiC晶粒的生長，呈現出良好的耐磨能力。

3 結論

本文在合成冶煉黑色SiC的過程中，采用固相反應沉積的方法，在石墨基板上制備SiC鍍層，獲得的C鍍層連續致密。XRD結果表明物相均為SiC高溫相，鍍層中也有SiO2，Fe3Si雜相出現。鍍層的厚度約為2mm，鍍層以堆垛的形式在基板上生長，具有明顯晶界。鍍層硬度的平均值為1120HV，磨損機制為顆粒磨損。具有良好的耐磨能力。

1楊斌.多熱源多向流合成電工碳化硅的中試實驗研究.西安:西安科技大學,2005

2樊子民.電致發熱多孔陶瓷的制備及其性能研究.西安:西安科技大學

3張效華.碳化硅電熱元件制備工藝的優化.工業加熱,2007,36 (3):60～64

4余歷軍,田林海,朱玲菊,朱曉東,張秀成.表征硬質鍍層力學性能的方法.機械工程材料,2005,29(7):4～6

5黃鶴,何家文.刀具的抗磨和減摩鍍層.機械工程材料,2002,38 (7):155～157

6趙夕,徐強,丁飛,劉興江.石墨基體上電沉積銅成核機理的研究.電鍍與精飾,2010,32(10):1～4