6期 材料研究学报 2004F 12 H CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH December 2004 三维网络SiC/Cu金属基复合材料 的凝固显微组织* 邢宏伟曹小明胡宛平赵龙志张劲松 (中国科学院金属研究所) 摘要用挤压铸造法制备了三维网络SC/Cu金属基复合材料,研究了铸造压力、网络SC骨架预热 温度、浇注温度等工艺条件对复合材料凝固显微组织的影响.结果表明,三维网络SiC陶瓷骨架在晶体生 长和结晶过程中有重要作用,在一定条件下在网孔内可形成垂直于骨架表面的枝晶网络,或形成粒度细小且 分布均匀的等轴晶组织;骨架的孔径对显微组织的影响也很大,细小的孔径有利于晶粒细化和组织均匀化, 粗大的孔径助长宏观偏析和铅的偏聚.骨架减轻了复合材料中锡的反常偏析,使锡的偏析主要发生在骨架 表面附近的微小区域,从而避免了在铸件表层的集中偏析 关键词复合材料,金属基复合材料,挤压铸造,三维网络SiC,铜,凝固显微结构 分类号TB333 文章编号1005-3093(2004)06-0597-09 Solidification microstructure of 3D-meshy SiC/Cu metal matrix composites XING Hongwei CAO Xiaoming HU Wanping ZHAO ZHANG Jinsong** nstitute of Metal Research, Chinese Academy of Scien a79 11001 Supported by Advanced Materials Project of National Hi esearch and Develop- ment of China. Manuscript received January 18, 2004; in revised form April 28, 2004 * To whom correspondence should be addressed, Tel: (024)23906640 E-mail: jshzhang@imraccn ABSTRACT 3D-meshy SiC/Cu metal matrix composite was fabricated by squeeze casting process The influence of process conditions on solidification microstructure of the composites was studied. The results showed that 3d-meshy Sic ceramic skeleton played an important role during the solidification of the matrix and the course of crystal growth and crystallization. Under the certain conditions, the dendrites perpendicular to skeleton surface appeared, and the fine and even equiaxed grains structure formed. The influence of skeleton apertures on microstructure was very remarkable. the fine aper- tures were benefit to grain refining and structure uniformity, while big apertures were apt to produce macroscopic segregation and concentration of plumbum. the tin inverse segregation was lightened for the SiC skeleton, because tin was gathered in a very narrow region near the surface of skeleton, which avoided tin mass segregation in the surface layer of the cast KEY WORDS composite, metal matrix composites(MMCs), squeeze casting, 3D-meshy SiC,cop- per, solidification microstructure *先进材料专项基金资助项目.2004年1月18日收到初稿;2004年4月28日收到修改稀 本文联系人:张劲松,研究员,沈阳市110016,中国科学院佥属研究所 D1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第 卷 第 期 年 月 材 料 研 究 学 报 工 , 三维网络 金属基复合材料 的凝固显微组织 邢宏伟 曹小 明 胡宛 平 赵龙 志 张劲松 中国科学院金属研究所 摘 要 用挤压铸造法制备了三维网络 金属基复合材料 , 研究了铸造压力 、 网络 骨架预热 温度 、 浇注温度等工艺条件对复合材料凝固显微组织的影响 结果表明 , 三维网络 陶瓷骨架在晶体生 长和结晶过程中有重要作用 , 在一定条件下在网扎内可形成垂直于骨架表面的枝晶网络 , 或形成粒度细小且 分布均匀 的等轴晶组织 骨架的孔径对显微组织的影响也很大 , 细小的扎径有利于晶粒细化和组织均匀化 , 粗大的孔径助长宏观偏析和铅的偏聚 骨架减轻了复合材料 中锡的反常偏析 , 使锡的偏析主要发生在骨架 表面附近的微小区域 , 从 而避免 了在铸件表层的集中偏析 关键词 复合材料 , 金属基复合材料 , 挤压铸造 , 三维网络 , 铜 , 凝固显微结构 分类号 文章编号 一 一 一 勿 未 几 艺云”云 老 已 化 汤厄几 亡 饥 尹冼乞 呢 几 几 价 叩 卜 · , , 梦 吻件 臀号 ‘ , ‘ , 乃一 丈 丈 昌 吧 · · 煞糕沈款答爵默一 豁糕箕粼默几黑呈默篙黑 黔粼着麒瓮穿咒 亡 户 亡户 匀 亡 , , ‘ 丫 , 卜 宜 一 , · 丫 , , , 一 , , “ 币 欲沁 先进材料专项基金资助项 巳 年 月 招 日收到初稿 年 月 日收到修改稿 · 本文联系人 张劲松 , 研究员 , 沈阳市 , 中国科学院金属研究所
材料研究学报 近年来,铸造金属材料的凝固显微组织由于对性能有着非常重要的影响而被广泛关注~3, 但有关陶瓷/金属复合材料凝固显微组织的研究却并不多见SiC/Cu金属基复合材料具有良好的 导热、导电、耐磨和耐氧化等性能,因此在航空航天、电子和国防等领域有广阔的应用前景~8 三维网络SC/Cu金属基复合材料的制备工艺与粉末冶金法不同,其通过将事先制备好的SC陶 瓷骨架用挤压铸造法与铜合金进行复合,从而制备出一种具有特殊性能的三维网络连通的金属 基复合材料.三维网络siC/Cu复合材料的金属相和陶瓷相均为连续分布,与颗粒增强相的弥散 分布显著不同,陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧,金属相由于陶瓷骨架的刚性承载作 用而得到增强,两者相互依托,相互补强.因此,三维网络SC/Cu金属基复合材料在某些应用条 件下可能比颗粒增强金属基复合材料具有更大的优越性.与粉末冶金法相比,挤压铸造法不要求 所用的材料必须为粉末;同时,挤压铸造法不需要气体保护,制备时间短、效率高因此,本文采 用挤压铸造法制备三维网络SC/Cu金属基复合材料并对其凝固显微组织进行研究 1实验方法 三维网络SC/Cu金属基复合材料由基体和增强体两部分组成基体材料的成分(质量分数) 列于表1,增强体是三维网络SC骨架,采用先驱体泡沫浸渍法制备 表1SiC/Cu复合材料基体合金成分 Table 1 Composition of matrix alloy in SiC/Cu composite(mass fraction, %o) Com Content 6.1 6.1 3.2 balance 采用挤压铸造法完成基体铜合金与三维 Mould 网络SC骨架的复合,挤压铸造工艺流程如图 Cu alloy 1所示,实验前先用无水乙醇将三维网络 Sic Preheating Smelting 骨架超声潸洗20min,再用去离子水超声清洗 (400-800°c)6300℃) 0501200°C 15min,然后放入100℃的干燥箱中备用.SC骨 架与基体铜合金的复合在YH32315A型四柱液 压机上进行,压机的公称压力为3150kN将SC squeeze castin 陶瓷骨架和模具预热至一定温度,在100kW中 频感应电炉中将铜合金熔化.待合金熔化并达 composite) 到浇注温度时,将SC骨架迅速放入模具并浇注 铜合金熔液,在一定压力下加压复合成型,制备 出实验用三维网络SC/Cu金属基复合材料复 合材料中SC骨架的体积分数为20%,复合材料 金相组织取自SC骨架的网孔中心部位,骨架网 图1复合材料制备工艺流程图 Preparation process flow of the com- 孔的平均孔径为10mm 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki
材 料 研 究 学 报 卷 近年来 , 铸造金属材料的凝固显微组织 由于对性能有着非常重要的影 响而被广泛关注 ‘一 , 但有关陶瓷 金属复合材料凝固显微组织的研究却并不多见 金属基复合材料具有良好的 导热 、 导 电 、 耐磨和耐氧化等性能 , 因此在航空航天 、 电子和 国防等领域有广阔的应用前景 一 三维网络 金属基复合材料的制备工艺与粉末冶金法不同 , 其通过将事先制备好的 陶 瓷骨架用挤压铸造法与铜合金进行复合 , 从而制备出一种具有特殊性能的三维网络连通的金属 基复合材料 三维网络 复合材料的金属相和 陶瓷相均为连续分布 , 与颗粒增强相的弥散 分布显著不同 , 陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧 , 金属相 由于陶瓷骨架的刚性承载作 用而得到增强 , 两者相互依托 , 相互补强 因此 , 三维 网络 金属基复合材料在某些应用条 件下可能 比颗粒增强金属基复合材料具有更大的优越性 与粉末冶金法相 比 , 挤压铸造法不要求 所用 的材料必须为粉末 同时 , 挤压铸造法不需要气体保护 , 制备时间短 、 效率高 因此 , 本文采 用挤压铸造法制备三维网络 金属基复合材料并对其凝固显微组织进行研究 实 验 方 法 三维网络 金属基复合材料 由基体和增强体两部分组成 , 基体材料的成分 质量分数 列 于表 , 增强体是三维网络 骨架 , 采用先驱体泡沫浸渍法制备 表 复合材料基体合金成分 叮 , 采用挤 压铸造法 完 成基体铜合金 与三维 网络 骨架的复合 , 挤庄铸造工艺流程如 图 所示 实验前先用无水 乙 醇将三维 网络 骨架超声清洗 , 再用去离子水超声清洗 , 然后放入 ℃的干燥箱中备用 骨 架与基体铜合金的复合在 一 型四柱液 压机上进行 , 压机的公称压力为 将 陶瓷骨架和模具预热至一定温度 , 在 中 频感应 电炉 中将铜合金熔化 待合金熔化并达 到浇注温度时 , 将 骨架迅速放入模具并浇注 铜合金熔液 , 在一定压力下加压复合成型 , 制备 出实验用三维网络 金属基复合材料 复 合材料中 骨架的体积分数为 , 复合材料 金相组织取 自 骨架的网孔 中心部位 , 骨架网 孔的平均孔径为 以 勺 一 白 临 月 〔 图 复合材料制备工艺流程图
期 邢宏伟等:三维网络Sc/Cu金属基复合材料的凝固显微组织 用线切割机切取尺寸为12mm×12mm的金相试样依次用20m、7m和1m的SC粉 在玻璃板上加水细磨,再用1mSiC抛光膏在金相抛光机上抛光.金相试样的观察在 Venamet-2 型金相显微镜上进行.元素分布和成分分析在S360型扫描电子显微镜上进行.化学成分分析采 用ICP光谱仪等 结果与讨论 21工艺参数对凝固组织的影响 在一定范围内,铸造压力的提高不仅使晶体长大的线速度提高,也提高了液态金属中的形核 率在加压条件下,形核率的增加超过长大线速度,则加压可使宏观晶粒细化;当形核率的增加幅 度低于长大线速度时,宏观晶粒度变粗.对于无骨架金属挤压铸造,压力对液态金属的搅拌作 用使在凝固初期形成的粗大树枝晶被打碎,从而减小枝晶尺寸,细化晶粒并减轻偏析.对于三维 网络SC/Cu复合材料的挤压铸造,当SC骨架的网孔足够小时,增大压力对复合材料基体凝固 组织的晶粒度影响不明显(图2).SiC网络骨架的存在使形核变得比较容易,形核率显著提高并 占主导地位使其影响超过压力的影响.这是压力对晶粒度的影响不十分明显的原因 图2铸造压力对晶粒形态的影响 Fig 2 Influence of squeeze casting pressure on grain shape(a)80 MPa, (b)100 MPa 由图3可知,骨架预热温度为200℃时试样的平均晶粒度与骨架预热温度为40c时接近, 可见骨架预热温度的提高对晶粒尺寸的影响不显著.其原因是,无论骨架的预热温度为200℃还 是400℃,在骨架与基体Cu合金之间均能达到较好的反应润湿,形成界面反应层.界面反应层 的存在,使网孔内部由反应层至骨架中心区域形成均匀的等轴晶组织.可见,界面反应层的存在 弱化了骨架预热温度对基体晶粒度的影响.但是骨架预热温度不能过低,否则液态金属凝固时将 在基体与S骨架之间产生较大的内应力,导致界面脱粘或产生裂纹 浇注温度的降低有细化晶粒的作用(图4),但最佳浇注温度应高于相线温度50℃左右浇注 温度过低会影响液态金属的充型和补缩,在骨架内出现缩孔或疏松,浇注温度过高导致金属熔液 严重氧化 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
卫进址一一一一卫壑瞪生丝哑丝丛鱼鱼昼基复宣材料的凝固显微组织 用线切割机切取尺寸为 火 的金相试样 , 依次用 赵 、 户 和 拜 的 粉 在玻璃板上加水细磨 , 再用 拼 抛光膏在金相抛光机上抛光 金相试样的观察在 一 型金相显微镜上进行 元素分布和成分分析在 型扫描电子显微镜上进行 化学成分分析采 用 光谱仪等 结 果 与 讨 论 工艺参数对凝固组织的影响 在一定范围内 , 铸造压力的提高木仅使晶体长大的线速度提高 , 也提高了液态金属 中的形核 率 在加压条件下 , 形核率的增加超过长大线速度 , 则加压可使宏观晶粒细化 当形核率的增加幅 度低于长大线速度时 , 宏观晶粒度变粗 对于无骨架金属挤压铸造 , 压力对液态金属 的搅拌作 用使在凝固初期形成的粗大树枝晶被打碎 , 从而减小枝晶尺寸 , 细化 晶粒并减轻偏析 对于三维 网络 复合材料的挤压铸造 , 当 骨架的网孔足够小时 , 增大压力对复合材料基体凝固 组织的晶粒度影响不明显 图 网络骨架的存在使形核变得 比较容易 , 形核率显著提高并 占主导地位使其影 响超过压力的影响 这是压力对晶粒度的影响不十分明显的原因 图 铸造压力对晶粒形态的影响 班 即 , 骥澎黔淤黝默澎淤澡 退 温度过嫌低会影响液态蒸金属 的充型擞和补缩 , 在骨雏架 内出现缩塔孔或疏松 ,襟浇注温度过翼高导致金属熔醉液 严重氧化
材料研究学报 18卷 ““ 100 图3骨架预热温度对晶粒形态的影响 Fig 3 Influence on grain shape of skeleton preheating temperature(a)200 C,(b)400C 图4浇注温度对晶粒形态的影响 Fig 4 Influence of pouring temperature on grain shape(a)1050 C,(b)1200 C 2.2骨架对凝固组织的影响 22.1骨架对铅分布的影响无论对于纯基体合金,还是对于SiC骨架增强复合材料,铅的 分布总体上是比较均匀的(图5)在中孔和小孔径复合材料中没有发现铅有严重偏析,但是在无 骨架基体的中心和大孔径复合材料(直径2.5mm)的网孔中心,出现铅的局部聚集这些结果表 明,在挤压铸造工艺条件下,铅的密度比较大(1.34×103kg/m310),虽然压力对金属熔液有搅拌 作用,使铅的偏析受到抑制,但是较长的凝固时间导致了铅的聚集和偏析.在无骨架基体和大孔 径骨架的中心凝固速度较慢,铅有足够的时间在液相中沉积,从而产生比重偏析.对于中孔或小 孔径骨架,液态合金的凝固速度较快,铅来不及偏析 222骨架对形核和结晶的作用在液态金属的凝固过程中,三维骨架的网络结构为晶体 的形核提供了基底,导致大量晶核在骨架表面形成并长大.实验结果表明,骨架在某种程度上具 有使液态金属定向结晶一形成织构的作用.当骨架与基体间不发生界面反应,即没有界面过渡层 (当骨架表面生成非常致密的反应烧结SC层时,骨架与基体铜不发生界面反应,不形成界面过 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
材 料 报 卷 图 骨架预热温度对晶粒形态的影响 且 群 叩 七 助 , ℃ 图 浇注温度对晶粒形态的影响 且 即 叩 ℃ , 骨架对凝固组织的影响 骨架 对铬分布的影响 无论对于纯基体合金 , 还是对于 骨架增强复合材料 , 铅的 分布总体上是 比较均匀的 图 在 中孔和 小孔径复合材料中没有发现铅有严重偏析 , 但是在无 骨架基体的中心和大孔径复合材料 直径 的网孔中心 , 出现铅的局部聚集 这些结果表 明 , 在挤压铸造工艺条件下 , 铅的密度 比较大 火 郭 “ , 虽然压力对金属熔液有搅拌 作用 , 使铅 的偏析受到抑制 , 但是较长的凝固时间导致了铅的聚 集和偏析 · 在无骨架基体和大孔 径骨架的 中心凝固速度较慢 , 铅有足够的时间在液相 中沉积 , 从而产生 比重偏析 对子中孔或小 孔径骨架 , 液态合金的凝固速度较快 , 铅来不及偏析 骨架对 形核和 结 晶的作用 在液态金属 的凝 固过程 中 , 三维骨架的网络结构为 晶体 的形核提供了基底 , 导致大量晶核在骨架表面形成并长大 , 实验结果表明 , 骨架在某种程度上具 有使液态金属 定向结晶 一 形成织构的作用 当骨架与基体间不发生界面反应 , 即没有界面过渡层 当骨架表面生成非常致密的反应烧结 层时 , 骨架与基体铜不发生界面反应 , 不形成界面过
6期 邢宏伟等:三维网络SC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织 150 150m 图5铅在纯基体(a)和复合材料基体(b)中的分布 Fig5 Distribution of Pb in pure matrix(a)and composite matrix(b) 渡层;当骨架表层含有较多残余硅时,液态铜液在铸造压力作用下与骨架表层中的残余硅反应并 形成SC与铜的过渡层)时,由于骨架表面粗糙不平,为树枝晶的形成创造了条件,因而金属 150/m (a) x Preform 图6骨架对液态金属结晶的影响 Fig 6 Influence on crystallization of liquid metal for skeleton action(a)macroscopic,(b)brim of skeleton,(c)center of mesh, (d)composite with transition la 201994-2010chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
期 邢宏伟等 三维网络 金属基复合材料的凝固显微组织 黔 铅在纯基呷 和复输 料基体 中的分布 七 二 少 渡层 形成 当骨架表层含有较多残余硅时 , 液态铜液在铸造压力作用下与骨架表层中的毕余硅反应并 与铜的过渡层 时 , 由于骨架表面粗糙不平 , 为树枝晶的形成创造了条件 七 , , 因而金属 脚 味凡尸认 卿 南 妇 和砰中 , 户咧 , 钩护抽洲嗬翘幅诀绮州 硫橄畔 甲 月 户 甲 叫 , 网曰 户脚 日韶料炉 电甲州啤 洲 脚脚 华 户 冲 , , 呛畔 , 曰‘ , 氏 二 缎 创护叼曰 , 自‘ 口 肠 目 口 ‘ 州国甲腼 翻目 以 图 骨架对液态金属结晶的影响 记 “ , 玩 〔 们
材料研究学报 液体在骨架上形核并垂直于骨架表面长大(图6a、b).随着凝固前沿向网孔的中心推进,网孔内 的基体合金形成典型的树枝晶“织构”网络(图6a).垂直生长的树枝晶取向呈现明显的规律性 发展,在网孔中心形成具有相同中心的三角形网络群(图6c).这种结构说明,骨架网孔内晶体的 形核和生长没有受到压力的影响而使枝晶碎断.可见,在加压的瞬间骨架内即充满基体熔液,压 力的保持没有破坏前期形成的凝固显微组织.与其它“织构”不同,三维网络SC/Cu复合材料 中的“织构”网络不会造成复合材料性能的各向异性,因为虽然树枝晶在每个网孔内都垂直于骨 架表面生长,但复合材料中的网络孔径分布是均匀的,因此复合材料的性能是各向同性的 当骨架中的硅与基体间发生反应时,液相金属直接进入表面多孔的S骨架表层并在骨架 内部开始形核,由于晶核在长大过程中受到SC的阻碍,因而无法长成粗大的树枝晶;同时,网孔 中心的熔液借助骨架表面作为基底形核的能力大为减弱,自发形核的趋势明显增强,这些都为形 成等轴晶创造了条件(图6d) 223骨架对晶粒及组织的影响骨架的存在使液态金属的形核更加容易,使单位体积内 的晶核数量和晶粒数目增多,有利于形成细小的晶粒和均匀的组织;同时,骨架的存在使液态金 属被分割成许多微小区域,使液态金属内部的温度均匀化,提高了结晶速度,减小了枝晶尺寸,减 轻了宏观偏析 液态金属在SC骨架网孔内形成典型的等轴晶组织,靠近骨架表面的晶粒与网孔中心的晶 粒大小相近,分布均匀(图7)有骨架时金属的凝固组织不会出现大的区域偏析,微小的显微偏析 只出现在网孔内部的细小晶粒中,这是基体在凝固过程中发生了包晶反应和非平衡结晶的结果 此外,网络孔径对晶粒形态也有影响细小的网孔有利于等轴晶的形成(图8a、b、c),而粗大的网 孔易于形成发达的树枝晶(图8d) (b). 100 图7骨架边缘与网孔中心的晶粒形态 Fig 7 Grain shape of skeleton brim and mesh center(a) skeleton brim,(b)mesh center 比较而言,无骨架挤压铸造的基体形成典型的树枝晶组织.铸件的近表层枝晶细小,分布较 为均匀(图&e);而远表层枝晶发达、粗大,最长枝晶接近600μm,枝晶间距明显加宽,宏观偏析 较为严重(图8f).说明整个铸件的温度分布不均匀,表层温度低而靠近中心处的温度高.因此 骨架的存在使铸件内外温度分布趋于均匀从而偏析程度显著减轻 2.24骨架对元素偏析的影响反偏析是锡青铜铸件中常见的铸造缺陷铸件发生反偏析 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse,Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
材 且福翌二鱼遗色鱼红‘一 ‘ 一 竺鱼一 液体在骨架上形核并垂直于骨架表面长大 图 、 随着凝固前沿向网孔的中心推进 , 网孔 内 的基体合金形成典型的树枝晶 “ 织构 ” 网络 图 垂直生长的树枝晶取向呈现 明显的规律性 发展 , 在网孔中心形成具有相同中心的三角形 网络群 图 这种结构说叽 骨架网孔内晶体的 形核和生长没有受到压力的影响而使枝 晶碎断 · 可见 , 在加压的瞬间骨架 内即充满基体熔液 , 压 力的保持没有破坏前期形成的凝固显微组织 与其它 。 织构 ” 不同 , 三维网络 。 复合材料 中的 “ 织构 ’‘ 网络不会造成复合材料性能的各向异性 , 因为虽然树枝晶在每个 网孔 内都垂直于骨 架表面生长 , 但复合材料 中的 网络孔径分布是均匀的 , 因此复合材料的性能是各向同性的 · 当骨架 中的硅与基体间发生反应时 , 液相金属直接进入表面多孔的 骨架表层并在骨架 内部开始形核 , 由于 晶核在长大过程中受到 的阻碍 , 因而无法长成粗大的树枝晶 同时 , 网孔 中心的熔液借助骨架表面作为基底形核 的能力大为减弱 , 自发形核的趋势明显增强 , 这些都为形 成等轴晶创造了条件 图 骨架 对 晶拉及组 织 的 影响 骨架的存在使液态金属 的形核更加容易 使单位体积 内 的晶核数量和 晶粒数 目增多 , 有利于形成细 小的晶粒和均匀的组织 同时 , 骨架的存在使液态金 属被分割成许多微小区域 , 使液态金属 内部的温度均匀化 , 提高了结晶速度 , 减小了枝晶尺寸 , 减 轻了宏观偏析 液态金属在 骨架网孔 内形成典型的等轴晶组织 , 靠近骨架表面的晶粒与网孔中心的晶 粒大小相近 , 分布均匀 图 有骨架时金属 的凝固组织不会出现大的区域偏析 , 微小的显微偏析 只 出现在 网孔内部的细 小晶粒中 , 这是基体在凝固过程中发生了包晶反应和非平衡结晶的结果 此外 , 网络孔径对晶粒形态也有影响 , 细小的网孔有利于等轴晶的形成 图 、 邵 , 而粗大的网 孔易于形成发达的树枝晶 图 图 骨架边缘与网孔中心的晶粒形态 七 , 比较而言 , 无骨架挤压铸造的基体形成典型 的树枝晶组织 , 铸件的近表层枝晶细小 , 分布较 为均匀 图 沁而远表层枝晶发达 、 粗大 , 最长枝晶接近 户城 枝晶间距明显加宽 , 宏观偏析 较为严重 图 说明整个铸件的温度分布不均匀 , 表层温度低而靠近 中心处的温度高 因此 , 骨架的存在使铸件 内外温度分布趋于均匀 , 从而偏析程度显著减轻 骨架对元 素偏析 的影响 反偏析是锡青铜铸件中常见 的铸造缺陷 铸件发生反偏析
期 邢宏伟等:三维网络SC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织 b)图 100 ( cI 变况 100m(2 (e) 150m 150m 图8宏观偏析与显微偏析 Fig8 Macroscopic segregation and microscopic segregation(a-c)matrix of fine apertures com osite( 1.0 mm),()matrix of larger apertures composite( 2.0 mm),(e)pure matrix near surface layer, (f)pure matrix away from surface layer 时,虽然结晶是由外向内进行的,但在表层的一定范围内,溶质浓度的分布是由外向内逐步降低 的反偏析通常在凝固区较宽的条件下易于出现在这种条件下各个柱晶只有尖端深入正面液 体中,正面界面较小,但柱晶之间仍有大量液体残留着,柱晶的成长,主要依靠柱晶之间液体中的 横向(与柱晶轴相垂直)扩散;导致正常偏析的纵向(与柱晶长轴相平行)扩散作用为次,这样,柱 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse,Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
期 些醚登三鳖噢络 金属基复合材料的凝固显微组织 图 宏观偏析与显微偏析 罗 。。 。 。 二 。 。 即 。 。 价 , 价 · 。 , , 叮 址 众二 日 袋潺滩翼疑鳝蒸嫩翼影
604 材料研究学报 晶之间的溶质浓度必然逐步增大,熔点越来越低,凝固时间延长,使凝固区越来越宽1.在实验 所用的基体合金中,锡是容易产生反偏析的元素,其在铸锭中的分布表明,锡在先凝固的外层含 量较高,而且愈往铸件中心,锡含量愈低;在常压铸造时,锡的反偏析多集中在表层附近5mm左 右,严重时可伸入到表皮下25~30mm,特别严重时在铸件表面会冒出“锡汗”12 表2元素锡在纯基体和复合材料中的化学分析结果 Table 2 Chemical analysis results of tin in pure matrix and composite(mass fraction) Material Distribution of tin / Surface layer Center Pure copper alloy matrix 3D-meshy SiC/Cu composite 对挤压铸造无骨架基体铜合金的研究表明,铸件的冷却过程与常压模铸类似因而表层锡 的集中偏析仍然存在表2)加入骨架后,锡的集中偏析显著减轻.沿复合材料SC骨架网孔边 缘至网孔中心对锡的线扫描分析发现,在SC骨架表层附近锡有一微小区域的积聚,但宽度小 于20pm(图9.虽然每个网孔内锡的分布是不均匀的,但三维网络SC骨架的网络结构在复合 材料中的分布是较为均匀的,因而锡在整个复合材料铸件中的分布也是相对均匀的.可见,骨架 的存在总体上改变了锡元素的分布状况,使其在网孔边缘的骨架表层分散分布,减轻了集中偏 析,使元素分布更为均匀、合理 SnLg1 270 MMw 图9Sn在复合材料中分布的线扫描分析 Fig 9 Line scanning analysis of tin element distribution in the composite 3结论 用挤压铸造法制备的三维网络SiC/Cu复合材料的凝固显微组织总体上是均匀的,以等轴晶 为主.三维网络SC陶瓷骨架对细化晶粒、均匀组织和减轻偏析的笑出作用削弱了铸造压力、浇 注温度等工艺参数对凝固显微组织的影响.液态合金在致密的反应烧结SiC骨架中易形成垂直 于骨架表面生长的发达的树枝晶交叉网络,而在表层疏松多孔或含有较多残余硅的骨架中则易 形成均匀的等轴晶组织.骨架孔径的减小有细化晶粒、减轻偏析和抑制铅的偏聚等作用.骨架的 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
替 料皿 ‘丛三崖止韭二一品一一一一一一二燮狙 晶之 间的溶质浓度必然逐步增大 , 熔点越来越低 , 凝固时间延长 , 使凝固区越来越宽 在实验 所用 的基体合金 中 , 锡是容易产生反偏析的元素 , 其在铸锭中的分布表 明 , 锡在先凝固的外层含 量较高 , 而且愈往铸件中心 , 锡含量愈低 在常压铸造时 , 锡的反偏析多集中在表层附近 左 右 , 严重时可伸入到表皮下 、 , 特别严重时在铸件表面会 冒出 “ 锡汗 ” 表 元素锡在纯基体和复合材料中的化学分析结果 几 。 一一一 , ‘‘ , 一 , ‘ 一一 一 一 , 甲一一 一一一‘一卫竺竺竺望竺些 一一扁 议 一 坤 对挤压铸造无骨架基体铜合金的研究表 明 , 铸件的冷却过程与常压模铸类似 , 因而表层锡 的集中偏析仍然存在 表 加入骨架后 , 锡的集中偏析显著减轻 沿复合材料 骨架 网孔边 缘至 网孔 中心对锡的线扫描分析发现 , 在 骨架表层 附近锡有一微小区域的积聚 , 但宽度小 于 娜 图 虽然每个网孔内锡的分布是不均匀的 , 但三维 网络 骨架的网络结构在复合 材料中的分布是较为均匀的 , 因而锡在整个复合材料铸件中的分布也是相对均 匀的 可见 , 骨架 的存在总体上改变了锡元素的分布状况 , 使其在 网孔边缘的骨架表层分散分布 , 减轻了集中偏 析 , 使元素分布更为均匀 、 合理 , , 图 在复合材料中分布的线扫描分析 结 论 用挤压铸造法制备的三维 网络 复合材料的凝固显微组织总体上是均匀的 , 以等轴晶 为主 三维网络 陶瓷骨架对细化晶粒 、 均匀组织和减轻偏析的突 出作用削弱 了铸造压力 、 浇 注温度等工艺参数对凝固显微组织 的影 响 液态合金在致密的反应烧结 骨架 中易形成垂直 于骨架表面生长 的发达的树枝晶交叉 网络 , 而在表层疏松多孔或含有较多残余硅的骨架中则 易 形成均匀的等轴晶组织 骨架孔径的减小有细化晶粒 、 减轻偏析和抑制铅的偏聚等作用 骨架的
6期邢宏伟等三维网络SC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织 存在使锡均匀分散于复合材料网孔边缘SiC骨架表层附近的微小区域」 考文献 1 W.R. Osorio C A Santos, J M.VQuaresma, AGarcia, Journal of Materials Processing Technology 143~144,703(2003) 2 A Frenk, W. Kurz, Wear, 174, 81(1994) 3 L. Anestiev, Journal of Crystal Growth, 140, 175(1994) 4 Kuen-Ming Shu, G CTu, Materials Science and Engineering, A349, 236(2003) 5 P Yih, DD L Chung, Journal of Materials Science, 34, 359(1999) 6 Yongzhong Zhan, Guoding Zhang, Journal of Materials Science Letters, 22, 1087(2003) S C. Tjong, K.C. Lau, Materials Letters, 43, 274(2000) 8 Joshua Pelleg, M. Ruhr. M.Ganor, Materials Science and Engineering, A212, 139(1996) 9 QI Pixiang, Squeeze Casting(Beijing, Defence Industry Press, 1984)p 27 齐丕疆、挤压铸(北京,国防工业出版社,1984)p.27) 10 FAN Dongli, Heat Treatment Technical Data Manual(Beijing Mechanical Industry Press, 2000)p 6 √(樊东黎,热处理技术数据手册(北京机械工业出版社,20006) SONG Weixi, Metallic(Beijing, Metallurgical Industry Press, 1989)p 124 (宋维锡,全属学,第二版,(北京,冶金工业出版社,1989)p.24) 12 "Cast Nonferrous Alloy and Its Smelting"Unite Compile Group, Cast Nonferrous Alloy and Its Smelting 《铸造有色合金及其熔炼》联合编写组,铸造有色合金及其熔炼(北京,国防工业出版社,1980)p.130) 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse,Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
期 邢宏伟等 三维网络 金属基复合材料的凝固显微组织 存在使锡均匀分散于复合材料网孔边缘 骨架表层附近 的微小区域 参 考 文 献 , 八 , ‘ , , , 、 , , , 叭毛 , , , , , 一 , , , , 一 , , , , , , , , , , , 、 , , , , , , , 口。 “ 亡 。夕 , , 济不骏 , 挤压 铸造 北京 , 国防工业出版社 , , 乃 ℃ 二 几 。 二 , 七 樊东黎 , 热处理技术毅据 手册 北京 , 机械工业 出版社 , , 、 , , , 宋维锡 , 金属学 , 第二版 , 北京 , 冶金工业出版社 , · “ ” , , , 《铸造有色合金及其熔炼 》联合编写组 , 铸造 有 色合金及 其熔炼 北京 , 国防工业 出版社 , 曰冲巴
