攪拌工藝對SiCp/A356復合材料中顆粒分布及性能的影響

程世偉 劉穎耀 孟令奇 張恒華

(省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點試驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點試驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

攪拌工藝對SiCp/A356復合材料中顆粒分布及性能的影響

程世偉 劉穎耀 孟令奇 張恒華

(省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點試驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點試驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

采用不同的半固態攪拌工藝(變化攪拌速度和攪拌時間)，制備了SiC顆粒增強A356復合材料。利用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和磨損試驗機研究了攪拌工藝參數對復合材料中SiC顆粒的分布、孔隙率以及磨損量的影響。結果表明，在攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min下，制備的SiCp/A356復合材料SiC顆粒分布均勻，孔隙率相對較低，耐磨性好。

SiCp/A356復合材料 SiC顆粒 半固態攪拌 攪拌速度 攪拌時間

目前，顆粒增強型金屬基復合材料被廣泛地應用于汽車發動機、航空航天、礦業和制造業等領域，而顆粒增強鋁基復合材料由于具有高的比強度、較好的力學性能和耐磨性能，成為近幾年新材料研究的重要方向[1]。顆粒增強鋁基復合材料的制備方法主要有粉末冶金、攪拌鑄造、擠壓鑄造和噴鑄等[2- 3]。在過去十幾年，由于攪拌鑄造法具有設備簡單、操作容易、成本低廉、對顆粒種類及尺寸適應范圍廣、工藝流程短、可用于規模化生產等優點，成為了制備顆粒增強鋁基復合材料有效的方法之一[4]。攪拌鑄造法又分為液態攪拌鑄造法和半固態攪拌鑄造法，液態攪拌鑄造法是金屬在完全液態的條件下加入顆粒，但顆粒和液體的濕潤性較差，導致顆粒很難或者需要較長時間的攪拌才能進入到液態金屬中，從而很難得到顆粒在基體金屬中均勻分布的復合材料[5- 6]。半固態攪拌技術是金屬處于半固態的情況下，由于固態金屬的存在，很好地解決了顆粒不能和液體濕潤的問題。而采用半固態攪拌鑄造法制備SiC顆粒增強鋁基復合材料，難點在于攪拌工藝參數的確定。提高攪拌速度及延長攪拌時間，雖然有利于快速制備復合材料，但可能會導致SiC和基體發生有害的界面反應、過高的孔隙率以及合金被過多氧化；攪拌速度過低及攪拌時間不足，會導致SiC顆粒不能均勻地分散于基體金屬中[7- 8]。

本試驗利用半固態攪拌鑄造技術，采用不同的攪拌速度和攪拌時間制備SiCp/A356鋁基復合材料，并研究這些參數對SiC顆粒在基體合金中的分布、材料孔隙率以及磨損量的影響，以確定出最佳的攪拌工藝參數，從而為復合材料的實際生產提供借鑒。

1 試驗材料與方法

試驗用SiC顆粒增強材料的粒徑為60 μm，顆粒加入量為15%(質量分數)，復合攪拌前對SiC顆粒進行氧化處理。基體合金為A356鋁合金，其半固態溫度范圍為583～615 ℃，化學成分如表1所示。

表1 A356鋁合金的化學成分(質量分數)

將A356放入電阻爐的坩堝內加熱到720 ℃并保溫一段時間，隨后降到600 ℃保溫，再加入預熱的SiC顆粒，調整攪拌速度分別為300、550、800 r/min，攪拌時間分別為10、20、30 min。攪拌完成后，快速升溫到720 ℃澆注。使用HITACHI SU- 1500掃描電子顯微鏡觀察顆粒的形貌和分布狀態。同時，在每個試樣上隨機拍攝9張100倍的金相照片，然后采用Image- Pro Plus軟件對金相照片進行分析。在MMS- 2A型磨損試驗機上對復合材料進行摩擦磨損性能試驗，試樣尺寸為3 mm×7 mm×10 mm，摩擦副材料為內徑16 mm、外徑40 mm、厚10 mm的合金鑄鐵圓環，硬度為55 HRC，試驗載荷為100 N，上試樣保持靜止不動，下試樣轉速為200 r/min，磨損時間為30、60、90 min。基于阿基米德原理測試基體合金、復合材料的密度，從而計算復合材料的孔隙率。

2 試驗結果與分析

2.1 攪拌工藝參數對SiC顆粒形貌和分布的影響

圖1為攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min下，SiCp/A356復合材料的SEM形貌及能譜線掃描分析結果。可以看出，SiC顆粒與鋁合金基體間的界面結合良好，界面比較干凈，不存在有害物質，碳含量幾乎為零，說明沒有脆性相Al4C3生成。

圖1 攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min下SiCp/A356復合材料的SEM形貌(a)及能譜分析結果(b)

圖2為不同攪拌工藝制備的SiCp/A356鋁基復合材料的典型SEM形貌。可以看出當攪拌速度為300 r/min或550 r/min時，隨著攪拌時間的增加，SiC顆粒的團聚或集中分布的現象逐漸減少，顆粒空白區域也逐漸減少，SiC顆粒在A356鋁合金基體中的分布越來越均勻。這主要是由于攪拌時間增加，攪拌器對SiC顆粒的攪拌混合時間增長，使SiC顆粒受到攪拌器較長時間的剪切力而均勻地分布在基體中，但SiC顆粒并不總是會隨著攪拌時間的增加而分布越均勻。圖2(e)、2(f)是攪拌速度800 r/min、攪拌時間10、30 min時SiC顆粒的分布狀態，可見SiC顆粒并不是隨著攪拌時間的增加而分布地更均勻。因為此時的攪拌速度過高，使合金溶液形成較大的漩渦，產生飛濺，導致熔液吸氣、氧化嚴重，氣孔和夾雜增加，這些都不利于澆注成型，進而影響SiC顆粒的分布。對比圖1(a)、1(e)和1(b)、1(d)可以看出，隨著攪拌速度的提升，SiC顆粒的團聚現象減少，分布也越來越均勻。這主要是因為隨著攪拌速度的增大，剪切沖擊作用隨之加強，SiC顆粒的鏈、環以及團聚體將會被打碎，從而有利于SiC顆粒在鋁合金液中的分散，SiC顆粒在較大的作用力下趨于均勻分散[9]。進一步對比圖1(d)、1(f)發現，當攪拌速度增加到800 r/min時，SiC顆粒的分布狀況并沒有明顯改善，反而更差，正如前文所述，此時的攪拌速度過大，對SiC顆粒的分布影響不利。只有當攪拌速度和攪拌溫度都適中時，才可以有效控制鑄造缺陷如夾渣、氣孔等的生成，還可以避免飛濺等現象，最終獲得顆粒分布均勻、氣孔和夾渣極少的鋁基復合材料。從圖2中可以看出，當攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min時，SiC顆粒在基體合金中的分散最為均勻，由此得出攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min是最佳的攪拌工藝參數。

圖2 不同攪拌工藝制備的SiCp/A356鋁基復合材料的典型SEM形貌

通過ImagePro Plus軟件對金相照片進行分析，從而計算得出SiCp/Al復合材料中SiC顆粒的體積分數如表2所示，將實際加入SiC顆粒的質量分數15%換算成體積分數為11.2%。由表2可以看出，不同攪拌工藝下SiC顆粒的體積分數與實際加入的體積分數相近；當攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min時，SiC顆粒的最大體積分數與最小體積分數之間的差值最小，而其他攪拌工藝下的差值較大，差值越大說明顆粒分布越不均勻，這也很好地驗證了圖2中的結果。

表2 SiC/A356復合材料中SiC顆粒的體積分數

2.2 攪拌工藝參數對復合材料孔隙率的影響

圖3為不同攪拌工藝制備的SiCp/A356鋁基復合材料的孔隙率，之所以制備的SiCp/A356鋁基復合材料的實際密度低于理論密度，主要是由于氣孔的存在[10]。氣孔的來源主要有：(1)凝固過程中壓力梯度不足以使形成的枝晶得到較好的補縮而形成孔洞[11]；(2)SiC增強顆粒與基體合金的熱膨脹系數差別較大，復合材料凝固時在SiC顆粒和基體合金間形成一定的微間隙[12-13]；(3)攪拌復合時，卷入的氣體在凝固過程中析出。由圖3可以看出，SiCp/A356鋁基復合材料的孔隙率隨著攪拌速度的增大和攪拌時間的延長而增大，這主要是因為攪拌速度增大，合金液就會受到越來越大的剪切力，合金液表面波動增大，翻滾程度加重，攪拌速度過大時，合金液會隨著攪拌器的高速轉動而整體轉動、翻滾，這樣就會導致被卷入到合金液的氣體越來越多；攪拌時間越長，氣體會更多地被卷入到合金液中，同樣會使合金中的氣體增多，孔隙率較高[14]。結合圖2可知，當攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min時，SiC顆粒在鋁合金基體中分布最均勻，而在此參數下，由于攪拌速度較高，攪拌時間較長，使得復合材料中有過多的氣體卷入，導致孔隙率相對較高，為4.23%。

圖3 攪拌工藝對SiCp/A356復合材料孔隙率的影響

2.3 攪拌工藝參數對復合材料磨損量的影響

圖4、圖5為不同攪拌工藝制備的復合材料的磨損量隨磨損時間的變化。由圖可以看出，隨著磨損時間的增加，磨損試樣的磨損量均呈現逐漸增加的趨勢。由圖4可知，相同攪拌時間(30 min)下，攪拌速度550 r/min制備的復合材料的磨損量最小，攪拌速度800 r/min制備的復合材料的磨損量最大。因此適當增加攪拌速度可以提高顆粒的均勻性，且孔隙率增加不大，但攪拌速度過高時，顆粒均勻性變差，孔隙率增大。攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min制備的復合材料的顆粒分布較為均勻，其硬度值較為均一，一般來說，材料耐磨性隨材料硬度的增加而增加[15]，故此工藝制備的復合材料的磨損量較低，耐磨性較好。

圖5 攪拌速度550 r/min制備的SiC/A356復合材料磨損量隨磨損時間的變化

由圖5可知，同一攪拌速度(550 r/min)下，隨著攪拌時間的增加，材料的磨損量逐漸減小。在適宜的攪拌速度下，攪拌時間的增加，有助于SiC顆粒在基體中均勻的分布，材料的磨損量就會減少，耐磨性則會增加。

3 結論

(1)隨著攪拌速度的適當增加和攪拌時間的適當延長，SiC顆粒在基體中的分布情況逐漸改善，但攪拌速度過高，SiC顆粒分布均勻性反而變差；在攪拌速度550 r/min、攪拌時間30 min的攪拌工藝下制備的SiCp/A356復合材料，其SiC顆粒在基體中的分布最為均勻。

(2)隨著攪拌速度的增加和攪拌時間的延長，SiCp/A356鋁基復合材料的孔隙率不斷增加。

(3)SiCp/A356復合材料中顆粒分布越均勻，孔隙率相對較低，則復合材料的磨損量越小，其耐磨性越好。

致謝：

本文得到“上海大學金屬材料工程卓越工程師”項目的資助，在此表示感謝！

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收修改稿日期：2016- 09- 01

Effect of Stirring Process on the Particle Distribution and Properties of SiCp/A356 Composites

Cheng Shiwei Liu Yingyao Meng Lingqi Zhang Henghua

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

SiC particle reinforced A356 composite material was prepared by semi- solid stirring process with different stirring speeds and different stirring times. The effects of stirring parameters on the distribution of SiC particles, porosity and wear loss in the composites were investigated using metallographic microscope(OM), scanning electron microscopy (SEM) and wear testing machine. The results showed that the SiCp/A356 composites which was prepared by the mixing speed of 550 r/min and mixing time of 30 min, possessed a uniform distribution of SiC particles, relatively low porosity and good wear resistance.

SiCp/A356 composite，SiC particle，semi- solid stirring，stirring speed，stirring time

程世偉，男，主要從事金屬基復合材料的研究，Email：chengshiweicl@163.com