搅拌工艺对SiCp/A356复合材料中颗粒分布及性能的影响

程世伟 刘颖耀 孟令奇 张恒华

(省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点试验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点试验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

搅拌工艺对SiCp/A356复合材料中颗粒分布及性能的影响

程世伟 刘颖耀 孟令奇 张恒华

(省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点试验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点试验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

采用不同的半固态搅拌工艺(变化搅拌速度和搅拌时间)，制备了SiC颗粒增强A356复合材料。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和磨损试验机研究了搅拌工艺参数对复合材料中SiC颗粒的分布、孔隙率以及磨损量的影响。结果表明，在搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min下，制备的SiCp/A356复合材料SiC颗粒分布均匀，孔隙率相对较低，耐磨性好。

SiCp/A356复合材料 SiC颗粒 半固态搅拌 搅拌速度 搅拌时间

目前，颗粒增强型金属基复合材料被广泛地应用于汽车发动机、航空航天、矿业和制造业等领域，而颗粒增强铝基复合材料由于具有高的比强度、较好的力学性能和耐磨性能，成为近几年新材料研究的重要方向[1]。颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造和喷铸等[2- 3]。在过去十几年，由于搅拌铸造法具有设备简单、操作容易、成本低廉、对颗粒种类及尺寸适应范围广、工艺流程短、可用于规模化生产等优点，成为了制备颗粒增强铝基复合材料有效的方法之一[4]。搅拌铸造法又分为液态搅拌铸造法和半固态搅拌铸造法，液态搅拌铸造法是金属在完全液态的条件下加入颗粒，但颗粒和液体的湿润性较差，导致颗粒很难或者需要较长时间的搅拌才能进入到液态金属中，从而很难得到颗粒在基体金属中均匀分布的复合材料[5- 6]。半固态搅拌技术是金属处于半固态的情况下，由于固态金属的存在，很好地解决了颗粒不能和液体湿润的问题。而采用半固态搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料，难点在于搅拌工艺参数的确定。提高搅拌速度及延长搅拌时间，虽然有利于快速制备复合材料，但可能会导致SiC和基体发生有害的界面反应、过高的孔隙率以及合金被过多氧化；搅拌速度过低及搅拌时间不足，会导致SiC颗粒不能均匀地分散于基体金属中[7- 8]。

本试验利用半固态搅拌铸造技术，采用不同的搅拌速度和搅拌时间制备SiCp/A356铝基复合材料，并研究这些参数对SiC颗粒在基体合金中的分布、材料孔隙率以及磨损量的影响，以确定出最佳的搅拌工艺参数，从而为复合材料的实际生产提供借鉴。

1 试验材料与方法

试验用SiC颗粒增强材料的粒径为60 μm，颗粒加入量为15%(质量分数)，复合搅拌前对SiC颗粒进行氧化处理。基体合金为A356铝合金，其半固态温度范围为583～615 ℃，化学成分如表1所示。

表1 A356铝合金的化学成分(质量分数)

将A356放入电阻炉的坩埚内加热到720 ℃并保温一段时间，随后降到600 ℃保温，再加入预热的SiC颗粒，调整搅拌速度分别为300、550、800 r/min，搅拌时间分别为10、20、30 min。搅拌完成后，快速升温到720 ℃浇注。使用HITACHI SU- 1500扫描电子显微镜观察颗粒的形貌和分布状态。同时，在每个试样上随机拍摄9张100倍的金相照片，然后采用Image- Pro Plus软件对金相照片进行分析。在MMS- 2A型磨损试验机上对复合材料进行摩擦磨损性能试验，试样尺寸为3 mm×7 mm×10 mm，摩擦副材料为内径16 mm、外径40 mm、厚10 mm的合金铸铁圆环，硬度为55 HRC，试验载荷为100 N，上试样保持静止不动，下试样转速为200 r/min，磨损时间为30、60、90 min。基于阿基米德原理测试基体合金、复合材料的密度，从而计算复合材料的孔隙率。

2 试验结果与分析

2.1 搅拌工艺参数对SiC颗粒形貌和分布的影响

图1为搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min下，SiCp/A356复合材料的SEM形貌及能谱线扫描分析结果。可以看出，SiC颗粒与铝合金基体间的界面结合良好，界面比较干净，不存在有害物质，碳含量几乎为零，说明没有脆性相Al4C3生成。

图1 搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min下SiCp/A356复合材料的SEM形貌(a)及能谱分析结果(b)

图2为不同搅拌工艺制备的SiCp/A356铝基复合材料的典型SEM形貌。可以看出当搅拌速度为300 r/min或550 r/min时，随着搅拌时间的增加，SiC颗粒的团聚或集中分布的现象逐渐减少，颗粒空白区域也逐渐减少，SiC颗粒在A356铝合金基体中的分布越来越均匀。这主要是由于搅拌时间增加，搅拌器对SiC颗粒的搅拌混合时间增长，使SiC颗粒受到搅拌器较长时间的剪切力而均匀地分布在基体中，但SiC颗粒并不总是会随着搅拌时间的增加而分布越均匀。图2(e)、2(f)是搅拌速度800 r/min、搅拌时间10、30 min时SiC颗粒的分布状态，可见SiC颗粒并不是随着搅拌时间的增加而分布地更均匀。因为此时的搅拌速度过高，使合金溶液形成较大的漩涡，产生飞溅，导致熔液吸气、氧化严重，气孔和夹杂增加，这些都不利于浇注成型，进而影响SiC颗粒的分布。对比图1(a)、1(e)和1(b)、1(d)可以看出，随着搅拌速度的提升，SiC颗粒的团聚现象减少，分布也越来越均匀。这主要是因为随着搅拌速度的增大，剪切冲击作用随之加强，SiC颗粒的链、环以及团聚体将会被打碎，从而有利于SiC颗粒在铝合金液中的分散，SiC颗粒在较大的作用力下趋于均匀分散[9]。进一步对比图1(d)、1(f)发现，当搅拌速度增加到800 r/min时，SiC颗粒的分布状况并没有明显改善，反而更差，正如前文所述，此时的搅拌速度过大，对SiC颗粒的分布影响不利。只有当搅拌速度和搅拌温度都适中时，才可以有效控制铸造缺陷如夹渣、气孔等的生成，还可以避免飞溅等现象，最终获得颗粒分布均匀、气孔和夹渣极少的铝基复合材料。从图2中可以看出，当搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min时，SiC颗粒在基体合金中的分散最为均匀，由此得出搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min是最佳的搅拌工艺参数。

图2 不同搅拌工艺制备的SiCp/A356铝基复合材料的典型SEM形貌

通过ImagePro Plus软件对金相照片进行分析，从而计算得出SiCp/Al复合材料中SiC颗粒的体积分数如表2所示，将实际加入SiC颗粒的质量分数15%换算成体积分数为11.2%。由表2可以看出，不同搅拌工艺下SiC颗粒的体积分数与实际加入的体积分数相近；当搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min时，SiC颗粒的最大体积分数与最小体积分数之间的差值最小，而其他搅拌工艺下的差值较大，差值越大说明颗粒分布越不均匀，这也很好地验证了图2中的结果。

表2 SiC/A356复合材料中SiC颗粒的体积分数

2.2 搅拌工艺参数对复合材料孔隙率的影响

图3为不同搅拌工艺制备的SiCp/A356铝基复合材料的孔隙率，之所以制备的SiCp/A356铝基复合材料的实际密度低于理论密度，主要是由于气孔的存在[10]。气孔的来源主要有：(1)凝固过程中压力梯度不足以使形成的枝晶得到较好的补缩而形成孔洞[11]；(2)SiC增强颗粒与基体合金的热膨胀系数差别较大，复合材料凝固时在SiC颗粒和基体合金间形成一定的微间隙[12-13]；(3)搅拌复合时，卷入的气体在凝固过程中析出。由图3可以看出，SiCp/A356铝基复合材料的孔隙率随着搅拌速度的增大和搅拌时间的延长而增大，这主要是因为搅拌速度增大，合金液就会受到越来越大的剪切力，合金液表面波动增大，翻滚程度加重，搅拌速度过大时，合金液会随着搅拌器的高速转动而整体转动、翻滚，这样就会导致被卷入到合金液的气体越来越多；搅拌时间越长，气体会更多地被卷入到合金液中，同样会使合金中的气体增多，孔隙率较高[14]。结合图2可知，当搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min时，SiC颗粒在铝合金基体中分布最均匀，而在此参数下，由于搅拌速度较高，搅拌时间较长，使得复合材料中有过多的气体卷入，导致孔隙率相对较高，为4.23%。

图3 搅拌工艺对SiCp/A356复合材料孔隙率的影响

2.3 搅拌工艺参数对复合材料磨损量的影响

图4、图5为不同搅拌工艺制备的复合材料的磨损量随磨损时间的变化。由图可以看出，随着磨损时间的增加，磨损试样的磨损量均呈现逐渐增加的趋势。由图4可知，相同搅拌时间(30 min)下，搅拌速度550 r/min制备的复合材料的磨损量最小，搅拌速度800 r/min制备的复合材料的磨损量最大。因此适当增加搅拌速度可以提高颗粒的均匀性，且孔隙率增加不大，但搅拌速度过高时，颗粒均匀性变差，孔隙率增大。搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min制备的复合材料的颗粒分布较为均匀，其硬度值较为均一，一般来说，材料耐磨性随材料硬度的增加而增加[15]，故此工艺制备的复合材料的磨损量较低，耐磨性较好。

图5 搅拌速度550 r/min制备的SiC/A356复合材料磨损量随磨损时间的变化

由图5可知，同一搅拌速度(550 r/min)下，随着搅拌时间的增加，材料的磨损量逐渐减小。在适宜的搅拌速度下，搅拌时间的增加，有助于SiC颗粒在基体中均匀的分布，材料的磨损量就会减少，耐磨性则会增加。

3 结论

(1)随着搅拌速度的适当增加和搅拌时间的适当延长，SiC颗粒在基体中的分布情况逐渐改善，但搅拌速度过高，SiC颗粒分布均匀性反而变差；在搅拌速度550 r/min、搅拌时间30 min的搅拌工艺下制备的SiCp/A356复合材料，其SiC颗粒在基体中的分布最为均匀。

(2)随着搅拌速度的增加和搅拌时间的延长，SiCp/A356铝基复合材料的孔隙率不断增加。

(3)SiCp/A356复合材料中颗粒分布越均匀，孔隙率相对较低，则复合材料的磨损量越小，其耐磨性越好。

致谢：

本文得到“上海大学金属材料工程卓越工程师”项目的资助，在此表示感谢！

[1] AKHLAGHI F, LAJEVARDI A, MAGHANAKI H M. Effects of casting temperature on the microstructure and wear resistance of compocast A356/SiCp composites: a comparison between SS and SL routes[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 155(1): 1874- 1880.

[2] 许珞萍,邵光杰,李麟,等.汽车轻量化用金属材料及其发展动态[J].上海金属,2002,24(3):1- 7.

[3] KACZMAR J W, PIETRZAK K, WLOSIMSKI W. The production and application of metal matrix composite materials[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 106(1): 58- 67.

[4] 李明伟,韩建民,李卫京,等.搅拌铸造SiCp/ZL101复合材料孔隙率的研究[J].北方交通大学学报, 2004, 28(1): 100- 103.

[5] 刘海.机械搅拌法制备SiC颗粒增强铝基复合材料技术研究[D].重庆：重庆大学, 2007.

[6] 赵宇，吴婉. SiC颗粒增强铝基复合材料的制备及组织分析[J].热加工工艺, 2016, 45(2): 98- 99.

[7] SURAPPA M K. Synthesis of fly ash particle reinforced A356 Al composites and their characterization [J].Materials Science and Engineering: A, 2008, 480(1): 117- 124.

[8] 卢健,高文理,苏海,等.搅拌铸造法制备SiCp/A356铝基复合材料的研究[J].铸造设备研究, 2009(4): 15- 17.

[9] ZHANG H W, GENG L, GUAN L N, et al. Effects of SiC particle pretreatment and stirring parameters on the microstructure and mechanical properties of SiCp/Al- 6.8 Mg composites fabricated by semi- solid stirring technique[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 528(1): 513- 518.

[10] SOLTANI S, KHOSROSHAHI R A, MOUSAVIAN R T, et al. Stir casting process for manufacture of Al- SiC composites[J]. Rare Metals,2015: 1- 10.

[11] PRABU S B, KARUANMOORTHY L, KATHIRESAN S, et al. Influence of stirring speed and stirring time on distribution of particles in cast metal matrix composite[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 171(2): 268- 273.

[12] 张雪囡，耿林，王桂松.热挤压对SiCw·SiCp/2024Al组织与性能的影响[J]. 材料科学与工艺, 2004, 12(5): 482- 485.

[13] 王开，刘昌明，陈绪宏，等.复合铸造SiCp/ZL104复合材料组织性能研究[J].热加工工艺, 2008, 37(15): 30- 33.

[14] KHOSRAVI H, BAKHSHI H, SALAHINEJAD E. Effects of compocasting process parameters on microstructural characteristics and tensile properties of A356- SiCp composites[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(8): 2482- 2488.

[15] 齐海波，樊云昌. 活塞用SiCp/Z109复合材料的磨损性能研究[J]. 汽车工艺与材料, 1998 (11): 15- 18.

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

程世伟，男，主要从事金属基复合材料的研究，Email：chengshiweicl@163.com