Cu/SiC高能球磨后的形貌組織研究

賀戰文，王明智

(1.武漢工業學院機械工程學院，湖北武漢430023;2.燕山大學材料科學與工程學院，河北秦皇島066004)

碳化硅具有很高的硬度和熔點［1］。在我國主要用做磨料，而Cu是塑性材料。在塑性材料Cu中加入適量的SiC，一方面可以改進金剛石制品的自銳性，另一方面也能提高其制品的結合強度。這些性能的改善都可以通過高能球磨的方式來加以實現。通過高能球磨后，Cu在SiC表面溶解包裹使得Cu與SiC之間形成原子級的結合，從而使SiC與結合劑具有良好的相容性，提高了結合劑的結合強度和磨削工具的使用壽命。本實驗用機械合金化原理，按常規粉末冶金工藝制備了SiC/Cu復合材料，并研究該材料經高能球磨后的組織和形貌，為該類復合材料的球磨工藝優化提供依據。

1 實驗

按Cu30-SiC70的比例(重量比)計算出各罐需裝入的 Cu、SiC的質量，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(即選取鋼球為100 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。時間參數見表1，轉速為250 r/min。

表1 行星式球磨機制備樣品參數

將按預訂時間取出的樣品放在KYKY——2800型掃描電子顯微鏡上進行結構和形成包裹程度的分析。

2 結果與討論

復合粉末在機械球磨的過程中塑性材料和脆性材料互相碰撞、擠壓，不斷地破碎，產生了許多新表面。新表面又發生粘結、焊合，如此反復使粉末的內部缺陷和表面發生了很大地變化［3］。通過對球磨10 h后Cu30SiC70復合粉末進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，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則。從圖1(b)可以看出，粉末顆粒的表面出現了粘結現象，表面有大量空洞，凸凹不平，但粘結的程度差。

圖1 球磨10 h Cu30SiC70復合粉末的形貌照片

圖2是球磨20 h后Cu30SiC70復合粉末的形貌圖。與球磨10 h后的照片相比，粉末顆粒的粒度明顯增大，大顆粒粒度平均達到50 μm左右。小顆粒的數目減少，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，表面的粘結物更加均勻和細化。

圖2 球磨20 h后Cu30SiC70復合粉末的形貌照片

為了準確的分析出不同球磨條件下塑性材料Cu對脆性材料SiC的包裹情況，利用掃描電鏡對Cu30SiC70復合粉末進行了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域較大，說明視場表面大部分被Cu覆蓋，而在Si的面分布中大部分區域較暗，僅在右面的邊緣有幾個亮點。說明視場表面SiC的含量較少。對比兩幅圖，Cu的亮區域與Si的暗區域相對，說明SiC已較大程度的被Cu包裹。

圖3 球磨20 h Cu30SiC70復合粉末Cu和Si的面分布情況

圖4 球磨50 h Cu30SiC70復合粉末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的在整個視場的含量明顯比球磨20 h后增加，而且分布開始均勻化，Cu的含量有所降低，分布仍然比較均勻。這說明，并不是球磨時間越長Cu對SiC包裹效果越好，而是存在一個最佳球磨時間。這是因為機械合金化是一個破碎和焊合反復進行的過程。球磨到一定階段，Cu對SiC進行了包裹后，如果再繼續球磨就會使被包裹的SiC顆粒重新破碎，使SiC顯露出來。球磨50 h后Si的面分布情況就說明了這一點。

3 結論

Cu30SiC70復合粉體球磨20 h后Cu對SiC顆粒有了較大程度的包裹。從包裹情況來看，在本實驗條件下，最佳球磨時間在20-50 h之間。

［1］ 孫毓超.金剛石工具與金屬學基礎［M］.北京：中國建材工業出版社，1999：212.

［2］ 張念東.碳化硅磨料工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1982：1-15.

［3］ 韋世強，殷士龍，劉文漢，等.機械合金化Fe-Cu系統的EXAFX研究［J］.物理學報.1994，43(10)：1630-1637.