陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的制備方法及研究進展

汝娟堅 賀涵

摘 要：陶瓷顆粒增強金屬基復合材料由于具有高的強度和高硬度，良好的耐磨性和塑性，以及易成形等優勢，被廣泛運用于機械設備、電力設備、建筑材料、冶金設備等行業。文章對目前國內外陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的制備方法和研究進展作了介紹，討論了其優缺點及應用情況。

關鍵詞：陶瓷顆粒；復合材料；制備方法；進展

中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A 文章編號：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

磨損是材料和工件等失效的主要原因之一，也是構成能源消耗的主要組成部分。并且現今社會進步的速度飛快，科技以及經濟水平不斷的提升，企業也因為磨損及其帶來的消耗造成成本的大量增加。傳統的金屬耐磨材料更是難以在現代工業中立足，尋求新型的耐磨材料已刻不容緩。于是新型耐磨材料便出現在大眾的視野當中，并將慢慢代替傳統耐磨材料在各種領域的使用[1]。在大型耐磨設備使用較多的行業中，如機械設備、建筑材料、冶金設備等，對于機械零部件的磨損相當嚴重。水泥行業中制粉用的磨輥、磨盤及耐磨襯板，采礦行業使用的板錘、錘頭、破碎機等均是磨損極為嚴重且集中的位置。隨著耐磨行業的不斷發展，對耐磨材料的損耗也將繼續增加。因此，提高耐磨復合材料的性能，可顯著降低設備的磨損，節約生產的成本，同時還提升生產的效率，更有利于經濟的發展，與現今的發展理念更是完美契合。

2 陶瓷顆粒增強金屬基復合材料

2.1 基體材料的選擇

在復合材料中金屬基體的作用主要是固結增強相，同時傳遞和承受載荷，從而保證耐磨材料具有一定的塑性[2]。按照金屬基體的類型可將復合材料分為鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、銅基、鋼鐵基等[3]。由于耐磨材料的強度、塑性等性能與金屬基體的種類有密切關系，因此，在進行顆粒增強金屬基復合材的設計和制備過程中需要將金屬基體與增強相的相容性作為一項重要依據。當基體與顆粒不能潤濕或者能夠發生激烈的化學反應時，將致使二者間的界面結合強度減弱；當基體與顆粒既能潤濕又能形成溫度的界面時，才是最有利的結合。另外，復合材料在實際使用時的工況、環境、介質等也需要作全面考慮。

2.2 增強體的選擇

陶瓷顆粒在復合材料中作為金屬基體的增強相，具有較高的硬度和良好的耐磨性。常用的增強體主要有ZTA、Al2O3、SiC、WC、TiB2等，其顆粒尺寸一般在2～12μm，在復合材料中的體積分數一般為15%～20%。此外，陶瓷顆粒的諸多物理性質，如硬度、彈性模量、熱膨脹系數、熱穩定性等，都是在選擇復合材料增強體時應該著重考慮的因素。若在復合材料制備過程中，陶瓷顆粒與金屬基體在界面上發生劇烈的化學反應，會導致界面上萌生裂紋。

3 陶瓷顆粒增強金屬基耐磨復合材料的制備方法

隨著現今科技的發展，具有單一性能的材料難以滿足現代工業及生產的要求，復合材料已經穩步出現在人們的視野當中，高性能復合材料的制備已經成為了一個重要的話題。陶瓷顆粒具有良好的耐磨性和熱穩定性，目前，制備陶瓷顆粒增強金屬基耐磨復合材料的常見方法包括：粉末冶金法、固體分散法、噴射沉積法和鑄滲法等。

（1）粉末冶金法

粉末冶金法的特點是將金屬基體混入到兩種材料的粉末當中去，然后進行球磨處理。之后根據不同的條件采用不同的工藝，最后再進行燒結處理。這個方法的缺點是成本高，流程較長。

（2）固體分散法

固體分散法主要包括攪拌鑄造法、流變鑄造法以及螺旋擠壓法。采用最多的是攪拌鑄造法。攪拌鑄造法是將陶瓷增強體加入到金屬基體液中，在機器中進行高速的攪拌，讓它們進行均勻混合后，再澆注到已經準備好的型腔里去。這個方法重點在于要求增強體和基體要有很好的結合力，且具有成本低，設備簡單，可以一次就形成比較復雜的工件等優點。

（3）噴射沉積法

噴射沉積法是將金屬液體流過導流管，在通過噴嘴出口時形成高速氣流，并在一定條件下撞擊到沉積表面，達到所需要求并獲得復合材料。缺點是價格非常貴，優點在于反應很快，可以控制界面的變化。

（4）鑄滲法

對于陶瓷顆粒增強金屬基復合材料而言，鑄滲法由于具有對工藝設備要求低、生產流程短、成本低等顯著優點，被廣泛用于復合材料的制備。該法的原理是利用高溫金屬液對陶瓷預制體的熔滲實現陶瓷顆粒在金屬基體中的彌散分布[4]。目前常用的方法有無壓鑄滲法、壓力鑄滲法和負壓鑄滲法等。無壓鑄滲法是利用毛細管力的作用，從而使金屬液鑄滲進入到預制體中形成復合材料的過程，該法無需外部施加壓力，具有流程短、成本低、預制體形狀可復雜化等優點。但是，該法對金屬基體和增強體間的潤濕性具有較高要求。壓力鑄滲法則是需要外界對金屬液施加壓力才能夠使金屬液體進入預制體中，此法制備出的材料組織致密，幾乎無鑄造缺陷。負壓鑄滲法是通過抽真空處理使預制體內部氣壓低于外部氣壓，從而加快金屬液在預制體中的浸滲過程，因此需要在砂箱中裝入能通氣的濾網或蛇形管。在各種鑄滲方法中，無壓鑄滲已逐漸成為生產大型復合耐磨件的主要方法，因此無壓鑄滲技術則顯得尤為重要。

4 界面反應及優化

以鑄滲法為例，在鑄造的過程中，增強顆粒在遇到高溫的金屬液時，極易發生界面反應，發生溶解、擴散和元素偏聚等問題。界面反應的劇烈程度和最終反應生成的產物對復合材料界面最終的結構和性能影響很大，主要有以下幾點：

（1）損傷增強顆粒并改變金屬基體的化學成分，比如在制備SiC顆粒增強鋁鎂基復合材料過程中，SiC及其表面的SiO2將會和Al、Mg金屬發生化學反應，從而使得金屬基體中的Si和Mg的含量發生改變，并且使基體中的增強相有相應的減少，使得基體不能充分發揮其原有的性能，此外，界面元素偏聚以及由此形成的新相Mg17Al12也會對復合材料界面的性能產生很大的影響。

（2）界面反應既有其有利的一面又有其不利的一面，一方面界面反應可以提高增強顆粒與金屬液潤濕性；另一方面，由于發生化學反應而析出脆性相反應產物時，會對增強顆粒有所損傷。例如，WC在高溫下發生分解反應生成W2C，W2C是脆性相，對鋼基復合材料的韌性和耐磨性都有不好的影響。

在高溫條件下，元素化學活性一般都會有所增加，進而界面更容易發生各種復雜化學反應而形成復合材料界面結構，但是增強體與金屬基體之間差異較大的物理化學性質增加了復合材料界面研究的難度。目前調整和優化復合材料界面結構和性能的方法大致可以分為三類：

（1）增強體表面涂覆涂層，在增強體表面鍍覆或噴涂等方式進行涂層的涂覆，既可以提高增強體與基體間的浸潤性，又可以改善界面處的化學成分組成，比如在陶瓷表面利用化學鍍的方法鍍覆一層Ni-Cu合金鍍層，不僅可以提高陶瓷與金屬液的潤濕性，又使界面擁有Ni-Cu合金獨特的腐蝕性和耐磨性。

（2）金屬基體合金化處理，通過加入適當的合金元素使基體改性來改善界面反應，在增強體為Al2O3的鋁基復合材料中，鎂的加入可以和Al2O3顆粒反應，在界面上生成類似尖晶石結構的nMgO·mAl2O3，而nMgO·mAl2O3可與Al和Al2O3顆粒形成結合性較強大的界面。經過實驗研究，當Al-Mg-Si與Al2O3進行復合時，添加3-5%Mg時，使液態鋁合金的表面能下降。因此，在鋁中加入一定量的鎂可以起到增加浸潤性和提高界面結合的雙重效果。

（3）優化制備工藝參數，通過合理的調整工藝參數，可以起到改善界面的作用。其中溫度對反應影響最大，復合材料一般在高溫下制備，其增強體與高溫金屬液之間很多元素活性增加，并進行擴散發生強烈的界面反應，因此要避免過高的制備溫度或在高溫下進行長時間的保溫。

5 結束語

綜上所述，陶瓷顆粒增強金屬基耐磨復合材料由于既具備金屬材料的高強度、良好塑性和沖擊韌性、易成形等特點，又具備陶瓷顆粒的高硬度、高耐磨性等一系列優點，從而成為替代傳統鋼鐵耐磨材料的首選材料。

參考文獻：

[1]高義民.陶瓷顆粒增強鐵基表面復合材料的研究現狀與最新進展[J].鑄造，2012，61（9）：985-990.

[2]張國賞.顆粒增強鋼鐵基復合材料[M].科學出版社，2013.

[3]賀毅強.顆粒增強金屬基復合材料的研究進展[J].熱加工工藝，2012，41（2）：133-136.

[4]李祖來，蔣業華，周榮.鑄滲法制備金屬基表面耐磨復合材料的發展現狀[J].昆明理工大學學報（理工版），2003，28（5）：56-59.