在石墨基体上制备耐磨的SiC镀层研究

张效华 胡跃辉 杨 丰 辛 凤 范跃农 曾庆明 陈义川

（景德镇陶瓷学院机械电子工程学院，江西景德镇333000）

0 引言

碳化硅(SiC,Silicon Carbide)是一种人造材料，是以共价键为主要键型的化合物，碳和硅之间靠共价键结合，但硅原子和碳原子之间存在着电负性差，因而硅原子和碳原子的结合有部分的离子键性质。它具有许多优异的性能，如耐磨削、耐高温、耐腐蚀、高热导率、高化学稳定性、宽带隙以及高电子迁移率等，被广泛应用于磨料磨具、耐火材料、高温结构陶瓷、半导体材料、非线性电阻材料以及高温、大功率电子元器件等领域，所涉及到行业有冶金、石油、化工、建材、航空航天、机械、激光和微电子等领域[1,2]。

SiC最早发现的特性之一就是它的硬度和耐磨性，并且作为磨料得到了广泛的应用。其硬度和耐磨性仅次于金刚石，散状和粒状的SiC也被用作切割和磨削用精密和半精密砂轮，以及用于金属和光学玻璃的精磨和抛光[1,2]。SiC也具有非常高的化学稳定性，在室温下能抵抗任何己知的酸性蚀刻剂，同时也具有较好的抗氧化性能，这是因为在高温条件下SiC材料表面产生了一层非常薄的、连续的、致密的SiO2膜，阻止了SiC的继续氧化。

工业合成SiC的主要方法一直是Acheson固相法，其本质是大电流通过石墨质炉芯产生高温使炉芯周围按一定比例配置的碳质原料和硅质原料发生碳热还原反应生成SiC结晶。采用的原料为石英砂、石油焦、煤焦、木屑和石墨等[1-3]。在SiC的工业冶炼过程中，主要合成绿碳化硅和黑碳化硅，绿碳化硅硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，性脆而锋利，含SiC97%以上；黑碳化硅有金属光泽，含SiC95%以上，强度大于绿SiC，但硬度较低。

本实验在合成冶炼黑色SiC的过程中，采用固相反应沉积的方法，在结晶筒内放置石墨基板，制备黑色SiC镀层。SiC镀层主要成分为SiC，主要具有超硬耐磨特性，可以作为磨具使用。磨料是在磨削，研磨和抛光中起切削作用的材料，磨具是磨料和结合剂按一定形状和尺寸黏结而成用于磨削的工具，用以磨削、研磨和抛光。可以加工玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等，也可用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，汽缸套和精磨高速钢刀具以及超精加工等[4-6]。

1 实验

实验原料选用石英砂、无烟煤、天然石墨、石墨化电极粒、食盐、木屑。其中石英砂、无烟煤用作反应原料，石英砂作为硅质原料，无烟煤作为碳质原料。石英砂成分的工业分析结果表明SiO2含量为99.3%，无烟煤成分的工业分析结果表明固定碳含量为85.2%。天然石墨作为基板，电极使用。石墨化电极粒用来制备炉内高温电极。食盐的主要作用是高温下同原料中的金属氧化物杂质生成低共熔物，气化后在扩散动力的作用下，低共熔物转移到低温部位。木屑用来调节炉体的透气性。

主要的实验设备：混料机，烧成炉。采用传统的固相反应法原理进行SiC的合成，SiC合成炉包括供电系统、炉体和冷却系统三部分组成。其中供电系统由变压器、整流设备和电控系统组成。烧成炉的炉体结构如图1所示。

使用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)分析SiC镀层的晶相结构；采用隧道扫描电镜(SEM)分析了镀层的表面形貌；采用AKASHI型维氏显微硬度计，随机测试镀层硬度；采用MP-200磨损试验机测量SiC镀层的磨损特性。

2 结果与讨论

电阻炉在装炉完毕后，开始供电。炉芯温度在供电初期呈线性缓慢升高。供电约1h时，炉芯温度开始趋向恒定；供电1h后，炉芯温度稳定在2200℃范围内。SiC合成冶炼炉内的温度场分布可通过红外线测温仪和温度场的模拟进行分析，分析可知结晶筒的炉芯到外层，温度在2200℃～1600℃范围内。二氧化硅与碳的混合物在炉内被加热，温度达到1300～1350℃时，二氧化硅蒸气达到了一定的量值，与碳开始作用生成碳化硅。化学反应方程式如下式所示：

但比较明显的反应则要有较高的温度。1800℃时二氧化硅的蒸气压达到10mm汞柱，这时反应才相当激烈。在炉内的温度下，碳的蒸气压很低，实际上是以固体状态参与反应的。二氧化硅蒸气不断地侵入到碳粒的内部，侵蚀碳粒，渐渐反应直至把碳粒消耗完毕，因此碳粒表面及其微孔表面积的大小，在相当大程度上影响着某温度下的反应速度。同样原理，在石墨基板上也会生成SiC镀层，随着供电时间的增加，SiC镀层逐渐变厚，成为连续致密的镀层。

在出炉后，可以发现石墨基板上附有SiC镀层，随机取SiC镀层的三个部分进行物相分析，图2为SiC镀层的XRD分析图谱。测试条件：Cu靶(Kα)，加速电压：48Kv，管流：120mA，狭缝10100.6mm,扫描角度30～900，扫描速度：100/m。从图2可知，镀层三个部分的随机测试表明物相均为SiC高温相，镀层中也有SiO2，Fe3Si杂相出现，这是由原料的杂质所促使，实验中所有原料均为工业原料。

图3为SiC镀层的SEM图。测试仪器：日本理学公司JCXA-733型电子扫描显微镜。测试条件：加速电压20Kv，电流70μm，工作距离15mm。图3为镀层不同位置的随机测试效果。图3(a)放大倍数为52倍，可以发现镀层SiC在石墨基板上呈现片状生长，有少量空隙出现，镀层表面不平整。图3(b)放大倍数为250倍，也伴随少量空隙出现，整体来说此位置比较平整。图3(c)放大倍数为1000倍，可以发现镀层呈现出片状SiC晶体生长，片与片之间具有明显界限，图中针状为晶界。图3(d)放大倍数为1200倍，这是以一定的倾角去观察镀层的微观结构，从图中可以看到，镀层一层一层以堆垛的形式生长在基板上面。晶界也相当明显。比较(a)(b)(c)(d)四幅图来看，呈现出形态各异的状况，但是实为连续致密的SiC镀层。从镀层的断面也可以观察到镀层与基板结合紧密，这是由于与石墨基板的化学反应。镀层的厚度约为2mm，不过随着反应时间的增加，可以影响镀层的厚度。

采用AKASHI型维氏显微硬度计，随机测试镀层硬度。由于镀层的形成过程是高温下反应沉积，主要成分就是SiC，所以测试结果基本为SiC晶体的硬度。随机测试镀层的三个区域，硬度的平均值为1120HV，当然镀层的硬度与晶体的缺陷，厚度，致密度，纯度都有很大的关系。

SiC镀层不仅有优良的抗氧化性，抗高温特性，也具有优良的耐磨特性。采用MP-200磨损试验机测量SiC镀层的磨损特性。镀层的不同位置磨损测试表明：磨损面磨损均匀，没有出现剥落现象。磨损机制为硬质颗粒的磨粒磨损，这主要归因于镀层中SiC晶粒的生长，呈现出良好的耐磨能力。

3 结论

本文在合成冶炼黑色SiC的过程中，采用固相反应沉积的方法，在石墨基板上制备SiC镀层，获得的C镀层连续致密。XRD结果表明物相均为SiC高温相，镀层中也有SiO2，Fe3Si杂相出现。镀层的厚度约为2mm，镀层以堆垛的形式在基板上生长，具有明显晶界。镀层硬度的平均值为1120HV，磨损机制为颗粒磨损。具有良好的耐磨能力。

1杨斌.多热源多向流合成电工碳化硅的中试实验研究.西安:西安科技大学,2005

2樊子民.电致发热多孔陶瓷的制备及其性能研究.西安:西安科技大学

3张效华.碳化硅电热元件制备工艺的优化.工业加热,2007,36 (3):60～64

4余历军,田林海,朱玲菊,朱晓东,张秀成.表征硬质镀层力学性能的方法.机械工程材料,2005,29(7):4～6

5黄鹤,何家文.刀具的抗磨和减摩镀层.机械工程材料,2002,38 (7):155～157

6赵夕,徐强,丁飞,刘兴江.石墨基体上电沉积铜成核机理的研究.电镀与精饰,2010,32(10):1～4