熔渗工艺制备金属基复合材料

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熔渗工艺制备金属基复合材料前言一般情况下,金属基复合材料中增强相与基体的复合需要借用外力,如压力铸造中熔体在外压驱使下进入多孔颗粒预制坯件。提供这类外力通常需要复杂工艺条件下的昂贵设备，制品在尺寸和形状上又有诸多限制。熔体自发渗入颗粒预制坯件是一项制备金属基复合材料的古老工艺。熔渗就是熔体在无外力作用下，借助浸润现象导致的毛细管压力自发进入颗粒多孔预制坯件。熔体自发渗入并充满预制成所需要形状和尺寸的坯体，冷却凝固后获得颗粒在连续基体中均匀分布的复合材料。若组分间匹配得当、复合良好，可得到具有理想性能的复合材料。1、浸润性与熔渗浸润是固体表面上的气体被液体取代的过程，在一定的温度和压力下，液滴接触到固体表面时，浸润过程便开始。浸润推动力源于液、固体系统总的表面吉布斯自由能降低。f=-κ=σsg-σLg-σLscosθ(t)式中：κ是含量纲的比例系数；r是液固圆形界面的半径；θ(t)是液滴的接触角。液固界面的水平线与气液界面在0点的切线之间的夹角为θ，称为浸润角或接触角，见图1：图1固-液界面的浸润角示意图（或接触角）σsg、σLg和σLs分别是固气、液气及液固界面的表面张力。达到平衡时f=0,θ(t)=θ,即为液滴在固相表面的平衡接触角。在一定的温度和压力下，可用平衡接触角的大小来衡量浸润性的优劣，接触角θ愈小，浸润性能愈好。通常θ=900作为浸润性好坏的判据：当θ＞900时不浸润；当θ＜900时浸润；当θ趋近于0时，完全浸润。浸润性好的液体将会覆盖更多的固-气界面，直至完全平铺固体表面，浸润性差的液体的浸润过程将终止于较大的平衡接触角。毛细管现象是弯曲液面具有附加压力的结果。据资料介绍：半径为r的毛细管，液面上下的压力差即为毛细管压力。忽略重力的作用，液体渗入毛细管的高度h与时间t呈抛物线关系：[1]熔体接触到多孔预制坯件时的毛细管压力为：[2]式中：D是硬质颗粒的平均粒度，ρ 是预制坯件的相对密度。熔渗深度h和时间t的关系为：h=t[3][4]式中：K为多孔预制件的渗透率，C为一几何因子，一般取5。浸润性是由多种因素决定的，固液系统本身的性质是关键因素。在熔体中加入适当的合金元素或称为添加剂成分，可以改善固液系统的浸润性。在一特定的系统中,固相表面氧化层、气氛、杂质甚至表面粗糙度都可能改变浸润情况。2、金属基复合材料的熔渗制备工艺2．1熔渗体系由浸润原理可知，实现自发渗入的理想熔体及固体颗粒需满足下列条件：（1）金属熔体对固体颗粒浸润。金属基体与增强相之间的浸润性能是决定金属基复合材料熔渗入工艺成败的关键因素。金属熔体的表面能通常为103mJ/㎡量级[5]。若该熔体对固体的浸润角为零，在与颗粒度为0.1微米的粉体压成的预制件接触时，所受到的毛细管压力达数百个大气压。这一压力足以使该熔体自发渗入并充满预制件中所有的孔隙。浸润性还能保证颗粒与基体间的牢固结合，充分发挥颗粒增强增韧效应。（2）粉体预制坯件具有相互连通的渗入通道。在整个浸渗的过程中，粉体预制坯件是固体颗粒的网络组成，它应该有连通孔隙，孔隙大小不得阻碍毛细管力作用。粉体预制坯件不得有封闭孔隙，在普通条件下，液态金属不能渗入到封闭孔隙中。除化学成分和杂质含量外，颗粒形状、尺寸及分布是粉体的重要参数。需采取适当的工艺措施，使预制坯件内作为渗入通道的孔隙尺寸分布均匀，互相连通，熔体能匀渗入，达到完全致密、消除缺陷的效果。（3）体系组分性质须匹配。渗体相必须有比颗粒相低得多的熔点，两者无化学反应或不互溶。（4）固体颗粒相要占据一定量的比值，以确保产品外形尺寸和熔渗过程的顺利进行。熔渗必须在熔体熔点以上温度完成，以保证熔体足够的流动性。熔渗还需非氧化气氛环境，如还原性气氛、惰性气氛或真空条件。2．2熔渗工艺实践介绍熔渗原理的资料很多，重要的是在实践中的正确运用。实际生产中，金属熔体对固体颗粒浸润、体系组分性质须匹配以及加入改善固液浸润性的微量成分等这些要求，一般都能充分的满足。但是由于原材料性质、设备能力、工艺方面的原因容易造成熔渗变得困难。金属对金属的浸润一般较易实现。低熔点金属熔体自发渗入高熔点金属粉体预制坯件成功的例子很多，成功的例子如W-Cu和W-Ag。银钨产品是触头行业中很重要的一类产品，生产银钨产品可以采用固相烧结、液相烧结，但现在主要是采用熔渗工艺，因为后者制备的产品性能明显优于前两者生产的产品。行业内用熔渗工艺生产银钨材料时，一般都在粉体预制坯料中加有起诱导作用的银粉，加入银粉还可以起到增强坯体强度的作用，银粉的加入量有较大的波动范围。银钨产品用熔浸工艺生产时，熔渗失败主要表现为：产品金相组织中气孔偏大；产品在熔渗过程中起泡。一段时间内，我厂在生产银钨产品时，常出现产品起泡。银钨触头产品熔浸起泡原因较多。结合浸渗原理和本单位生产实际情况进行分析，运用质量管理中的鱼刺图来表示引起浸渗起泡的可能原因。如图二： 操作者工艺钨粉还原不充分不按工艺操作责任心不强混合粉配比不当浸渍工艺不合理润滑剂配比不当银钨混合粉热处理不当产品为什么钨粉形貌不合理钨粉氧含量高浸渍成型设备精度差环境湿度大，粉末氧化起泡？银粉杂质高烧结设备温差大工艺卫生差，引入灰尘原料设备环境图二银钨产品起泡原因分析因为在先前的试验中已排除成型工艺方面，故没有将其列入原因分析中。经过分析，确定主要原因：1、钨粉形貌不合理；2、钨粉氧含量高；3、诱导银含量不合理；4、浸烧工艺不合理。根据确定的主要原因，进行调查分析，制定针对性对策。表一要因调查表序号要因项目现状（存在的问题）标准对策1钨粉形貌取易浸渗起泡的钨粉在金相显微镜放大观察，发现大量钨粉颗粒呈不规则的多棱体状，且表面不光滑钨粉形貌呈规则的几何体，且表面光滑采用正交试验确定量化值，2诱导银含量在现有配方下，坯体强度大，空隙率小，影响充分脱脂；保证成材率的情况下，有合理的诱导银含量调整银钨配料3钨粉含氧量分析生产现场钨粉，发现钨粉有氧化现象钨分呈灰白色，不得氧化1、提高钨粉还原温度；2、用试验确定钨粉的氧含量4浸烧工艺脱脂关键区不合理合理用正交试验确定脱脂温度和时间的最佳组合为了验证上述分析是否正确，我们对钨粉形貌、氧含量（主要由还原温度控制）、银钨配比、浸烧工艺（本试验主要控制脱脂温度和时间）四因素的影响规律采取正交试验进行试验和验证，通过大量的实验，取得了较多的实验数据。下面是相关实验数据。表二正交表（四因素二水平）因素钨粉形貌（A）脱脂时间（B）还原温度（C）银钨配比（D）1形状规则、表面光滑的钨粉颗粒占g（wt%）ahc(℃)e2形状规则、表面光滑的钨粉颗粒占h（wt%）bhd(℃)f表三正交试验表L8（24） 因素脱脂时间（A）钨粉形貌（B）还原温度（C）银钨配比（D）废品率（%）111123.32212217.53122215.24221229.0511211.06211114.17121113.28222131.0Ⅰ35.932.759.659.3Ⅱ89.182.364.765.7R54.249.65.16.4从正交试验表中可以看出：采用A1B1C2D1方案效果较好，但通过计算可以看出，还原温度这一因素的影响作用较小，考虑到节能和现有设备组成情况，采用A1B1C1D1方案的综合效益最佳，为了不因此而降低成品率，通过提高原料钨粉的氧含量要求来加以控制。制定方案后，又进行了小批到批量的试验和生产中的证实性跟踪，证实了上述分析和措施的有效性。现已将相关措施吸纳入工艺规程中。3、结论采用熔渗工艺生产金属基复合材料是一项古老而有效的工艺，对于一个特定的系统来说，如何根据生产厂家的原材料情况、设备情况，制定合理的工艺是采用这一工艺的重点。[1]～[5]:<<粉末冶金成形和烧结原理>>蒋正典、张汝珍编