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1、碳化硼颗粒增强Cu基复合材料的研究Studies of B4C Particles ReinforcedCopperM atrix Composite李国禄,姜信昌,温鸣,曹晓明,吕玉申(河北工业大学材料学院,天津300130)L I Guo2lu,J I AN G Xin2chang,W EN M ing,CAO Xiao2m ing,LU Yu2shen(HebeiU niversity of Technology,T ianjin 300130,China)摘要:研究了用表面涂覆含钛金属涂层的碳化硼颗粒增强Cu基复合材料B4Cp?(T i B2+T i N)?Cu,并与未经涂覆的B4C颗
2、粒增强Cu基复合材料(B4Cp?Cu)进行了对比。实验结果表明,前者的致密度和电导率比后者好。磨损实验结果表明,使用有涂层颗粒的复合材料的耐磨性比无涂层颗粒的好。通过对复合材料界面和磨损表面的电镜观察表明,B4C颗粒经过涂覆处理后,改善了复合材料的界面粘结性能,颗粒与基体间有良好的浸润性。关键词:碳化硼;微颗粒;涂层;Cu基复合材料;耐磨性中图分类号:TB331文献标识码:A文章编号:100124381(2001)0820032204Abstract:The B4C particles containing titanium metal coating reinforced copper ma
3、trix composite(B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu)was investigated and compared w ith B4C particles reinforced coppermatrixcomposite(B4Cp?Cu)1The experimental results show that the density and conductance of the formerwere better than which of the later1Thewear experimental results show that thewear resistance of
4、the former is better than that of the later1The interface of composites and worn surface were ob2served and analyzed1The results indicate that the coating modification ofB4C particles has improvedinterfacial bonding property of composite1There is good wettability between the particle and ma2trix1Key
5、 words:boron carbide;ultrafine particles;coating;copper matrix composite;wear resistance碳化硼的硬度(HV)达到35004500,是自然界中仅次于金刚石和氮化硼而排列第三的物质,且具有恒定的高温强度(30GPa),是一种重要的磨料和耐磨材料。其密度又是陶瓷材料中最低的,仅为2152g?cm3,比金属铝(217g?cm3)还低,仅是W C密度(15172g?cm3)的1?61。铜的塑性、导电性、导热性在金属中名列前茅,又属廉价金属。液态铜在1100时,能溶解10%的硼,随着温度的提高,硼在铜中的溶解度增加,有
6、人发现铜的硼化物存在,但未得到证实2;碳化硼与大部分金属均发生B4C+M eM exBy+C石墨反应,铜又是少数不发生此类反应的金属之一。如能用坚硬的B4C与塑性好的Cu组成新材料,将获得具有高的比强度,高耐磨性的新材料。本研究制备了B4C颗粒增强Cu基复合材料,研究了颗粒经过表面金属化处理3与未处理对复合材料界面粘结性能的影响428。1实验材料及方法将粒径小于25m的B4C粉末在自制的蒸镀设备上进行涂覆,蒸镀组分主要有:T i粉,海绵钛,N aF,NH4Cl,T iCl4,T iCl3,CaCl2,盐酸等,处理温度9501000,时间36h。然后将未经涂覆的B4Cp和经涂覆的B4Cp?(T
7、iB2+T iN)颗粒,分别按不同体积百分比,与Cu粉(粒径为200目)湿混,经987M Pa压制,然后烧结。测试其致密度(实际密度?理论密度100%表示)及电导率随B4C的体积含量的变化。磨损实验在MM2200型摩擦磨损试验机上进行。将上述复合材料制成尺寸为10mm10mm6mm的试块,使之与尺寸为 3010mm的轴承钢钢环(GCr15淬火,HRC62)对摩。摩擦副的接触形式滑动接触。试验条件为干滑动磨损,载荷147N。滑动速率为0131m?s,时间10m in。利用扫描电子显微镜观察颗粒与基体界面状况,并借助能谱与元素分析考察界面结合情况。2实验结果及讨论211扫描电镜分析23材料工程?2
8、001年8期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/选择B4C颗粒较大的合金,用扫描电镜研究界面情况。图1为B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu材料的界面电镜照片及T i元素的面分布,图2为B4Cp?Cu的电镜照片及T i元素的面分布。图1B4Cp?(TiB2+TiN)?Cu材料的SEM照片及Ti元素的面分布(a)颗粒与基体的形态;(b)a中表面Ti元素面分布Fig11SEM photograph and Ti element distribution o
9、f B4Cp?(TiB2+TiN)?Cu(a)morphology of particle and matrix;(b)Ti distribution of surface in a图2B4Cp?Cu材料的SEM照片及Ti元素的面分布(a)颗粒与基体的形态;(b)a中表面Ti元素面分布Fig12SEM photograph and Ti element distribution of B4CP?Cu(a)morphology of particle and matrix;(b)Ti distribution of surface in a对比图1a与图2a的结果可见,有金属涂层的B4CP?(T
10、 iB2+T iN)与Cu的界面有明显的亮环;对比T i的面分布(图1b与图2b),在B4CP?(T iB2+T iN)与Cu的界面,钛存在明显富集层,而在B4Cp?Cu的界面上并无钛的富集层。对B4Cp?Cu界面反复进行能谱测试,均未发现能谱中有明显的T i元素峰出现。图3为B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu的边界能谱测试结果,发现有明显的含T i峰出现。以上结果表明,含钛金属涂层的B4C粒子,与Cu结合时其界面有明显的含钛区,这与X射线物相分析及差热分析的结果是相互引证的3。这层金属涂层的存在,无疑有利于B4Cp与Cu界面的结合,成为B4C图3B4Cp?(TiB2+TiN)?Cu边界
11、谱Fig13EDX spectrum of boundary ofB4Cp?(TiB2+TiN)?Cu颗粒与基体Cu之间连接的“桥梁”,将对复合材料的33碳化硼颗粒增强Cu基复合材料的研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/物理机械性能产生重要的影响。212材料的致密度和电导率图4和图5分别给出了复合材料的致密度和电导率随B4Cp和B4Cp?(T iB2+T iN)颗粒的体积分数的变化情况。图4B4C?Cu材料致密度与B4C体积分数的关系Fig14Vari
12、ation of density of compositesw ith volume fraction of B4C particles图5B4C?Cu材料电导率与B4C体积分数的关系Fig15Variation of conductance of compositesw ith volume fraction of B4C particles从图4和图5可见,B4C?Cu材料的致密度和电导率,均随B4C体积分数的增加而下降。但所加颗粒不同B4Cp与B4Cp?(T iB2+T iN),下降幅度不同。显然带有含钛金属涂层B4C粒子,不论对B4C?Cu材料的致密度还是电导率都有较大的贡献。这是因为
13、颗粒表面被金属化后,颗粒间的摩擦阻力减小,在压实的过程中颗粒易于运动,颗粒间的空隙较小,致密度较高。而颗粒表面被金属化后自然要减小界面电阻,所以电导率得以提高。这从一个侧面反应了B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu界面结合较B4Cp?Cu材料好。213磨损实验图6为不同体积分数的B4Cp?Cu材料与B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu材料的磨损试验结果,由于Cu的磨损较大,为 V=3313mm3,而未列入图中。图6磨损体积与B4Cp体积分数的关系Fig16Variation of wear volume w ith volumefraction of B4C particles从图中可
14、见,随着B4Cp的加入,材料的耐磨性比纯基体提高,有涂层的B4Cp?Cu材料比未处理的耐磨性提高310倍。这是因为在滑动摩擦条件下,在一定的正压力和摩擦力作用下而导致B4C颗粒与Cu界面处产生一相应的剪切应力。当此剪切应力小于界面的剪切强度,B4CP被基体所把持,摩擦表面为B4CP微凸体与对摩环的接触,材料表现出较好的耐磨性。当剪切应力大于界面剪切强度时,造成颗粒大量脱落,构成三体磨粒磨损,材料的耐磨性下降。因此说明基体Cu对B4Cp?(T iB2+T iN)颗粒有很高把持力,即B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu界面有良好的结合。214磨损表面的电镜观察图7为B4Cp?(T iB2+T
15、iN)?Cu磨损表面的电镜观察结果。与基体界面结合良好的B4C颗粒,对与其对摩的淬火轴承钢摩环,先是产生犁削作用,后将犁削下来的轴承钢磨屑,压碾到已被磨掉基体Cu的复合材料的界面上,产生了轴承钢磨屑向复合材料表面上的转移,图7a中SEM像可见压碾到表面的严重形变的钢屑,图7b为磨损表面Fe元素的面分布,图7c为Cu元素的面分布,对比可见,磨损表面上几乎被Fe占据了,Fe少处Cu多,Fe多处Cu少。图8为磨损表面的能谱分析结果,可见明显的Fe元素峰。由于这种转移,实际上摩擦副已由复合材料与GCr15对摩变成附着在复合材料表面上的高形变的GCr15转移层和B4C颗粒与钢环的对摩,B4Cp?(T i
16、B2+T iN)体积分数越大,刮削并压碾到B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu上的GCr15磨屑越多,以至铜(红)色的磨损面变成铁(白)色的磨损面,由于B4Cp?(T iB2+T iN)与Cu结合良好,支承磨面的B4Cp?(T iB2+T iN)颗粒磨损极微,使B4Cp?(T iB2+T iN)?Cu的磨损极小。43材料工程?2001年8期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图7B4Cp?(TiB2+TiN)?Cu的磨损形貌与元素面分布(700)(a)
17、磨损表面形貌;(b)磨损表面Fe的面分布;(c)磨损表面Cu的面分布Fig17Worn morphology of B4Cp?(TiB2+TiN)?Cu and element distribution of Fe2Cu on worn surface(a)worn surface morphololgy;(b)Fe distribution on worn surface;(c)Cu distribution on worn surface图8B4Cp?(TiB2+TiN)?Cu磨损表面的能谱Fig18EDX spectrum of worn surfaceof B4Cp?(TiB2+TiN
18、)?Cu3结论(1)经颗粒表面金属化处理后,碳化硼颗粒增强Cu基复合材料的界面状况得到改善。(2)使用经涂覆的碳化硼颗粒所获得的复合材料的致密度和电导率都得到提高。(3)碳化硼颗粒增强Cu基复合材料(B4Cp的体积百分数35%)的耐磨性可比Cu提高75倍。参考文献1唐国宏等 1 碳化硼超硬材料综述J 1 材料导报,1994,4:6912李荣久主编 1 陶瓷2金属复合材料M 1 北京:冶金工业出版社,199513师昌绪 1 材料科学生长点J 1 材料科学进展,1992,2:10214洪若瑜等1 超细颗粒流态化CVD包覆研究进展及面临的重要课题J 1 自然科学进展,1996,3:27615田明波等
19、1 薄膜科学与技术手册M 1 北京:机械工业出版社,199116小石真纯 1?化法微粉体表面改性技术效用J 1 化学工学,1982,46(10):5471 7Sanjurjo A,M ckubreM C H,Craig GD1Chem ical vapor depo2sition coatings in fluidized bed reactors J 1Surface and CoatingTechnology,1989,39(40):69118Wood B J,Sanjurjo A,Tong G T et al1Coating particles bychem ical vapor dep
20、osition in fluidized bed reactors J 1Surfaceand Coating Technology,1991,49:2281收稿日期:2000205210作者简介:李国禄(19662),男,黑龙江人,汉族,1999年在清华大学获得博士学位,现在河北工业大学材料学院工作,主要从事的研究领有:智能材料,复合材料和材料表面工程等,联系地址:天津市红桥区丁字沽一号路河北工业大学材料学院(300130)。33 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3(上接第31页)acterization of Eu,Dy codoped SrO2
21、A l2O3phosphorsJ 1J CeramSoc Jpn,1996,104:322232616Jia W Y,Yuan H B,Yen W M1Phosphoresent dynam ics inSrA l2O4single crystal fibers J 1J Lum inescence,1998,(76):42424261 7M atsuzawa T,Nabae T,et al1Effects of composition on the longphosphorescence SrA l2O4:Eu,Dy phosphor crystals J 1J ofElectrochem Soc,1997,144(9):L 2432L 2451基金项目:国家自然科学基金(59872016)收稿日期:2000202218作者简介:林元华(19732),男,清华大学材料系在读博士生,主要从事纳米功能陶瓷及发光材料方面的研究工作,联系地址:清华大学材料科学与工程系(100084),E2mail:ZZT mail1tsing hua1edu1cn。53碳化硼颗粒增强Cu基复合材料的研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/