岳建设等：反应烧结制备多孔β-SiAlON・ 493 ・第40卷第4期网络互穿型碳化硅陶瓷/铁基复合材料制备及其耐磨性能王倩1，刘桂武1，郑开宏2，李林2，王娟2，乔冠军1(1. 西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安 710049；2. 广州有色金属研究院材料加工研究所，广州 510651)摘要：通过酚醛树脂固化、碳化及原位硅化的技术制备复杂形状SiC陶瓷，并利用金属浇注工艺制备出了以高锰钢、高铬铸铁为基体的2种网络互穿型SiC陶瓷/金属复合材料。
借助湿式橡胶轮摩擦磨损试验机和UMT-3多功能摩擦磨损试验机测试该2种复合材料及2种基体的摩擦学性能，并采用扫描电子显微镜分析了复合材料和基体磨损后的表面形貌。
结果表明：由于SiC陶瓷体的强度、硬度比金属基体高，导致在磨损过程中2种基体材料的磨损量较大，且在复合材料表面形成微凸起，使得复合材料的耐磨性能明显提高；SiC陶瓷/高铬铸铁复合材料的耐磨性优于SiC陶瓷/高锰钢复合材料，但SiC陶瓷/高锰钢复合材料的界面结合更好。
关键词：金属基复合材料；碳化硅；高锰钢；高铬铸铁；摩擦磨损中图分类号：TB333 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2012)04–0493–05网络出版时间：DOI：网络出版地址：Preparation and Wear Resistance of SiC/Fe Composites with Interpenetrating StructureWANG Qian1，LIU Guiwu1，ZHENG Kaihong2，LI Lin2，WANG Juan2，QIAO Guanjun1(1. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China; 2. Institute forMaterials Processing, Guangzhou Research Institute for Non-ferrous Metal Research, Guangzhou 510650, China)Abstract: SiC ceramic with the complex shape was prepared via the curing of phenol–formaldehyde resin, carbonization and in-situ siliconization. Two kinds of interpenetrating SiC/metal (i.e., high manganese steel and high chromium cast iron) composites were fabricated by metal casting. The tribological properties of the two composites were investigated by a wet rubber wheel grinding fric-tion tester and a UMT-3 multi-specimen test system. The surface morphologies of the two composites and the two metal matrices after abrasion were analyzed by scanning electron microscopy. The wear loss of the metal matrices was more than those of the respective composites. The micro-protrudes formed on the surfaces due to the addition of SiC ceramic, which has a higher strength and hardness, compared to the metal matrices. As a result, the wear resistances of the two composites were improved. The wear resistance of the SiC/iron composite was higher than that of the SiC/steel composite. However, the SiC/steel composite displayed a better interfacial bonding.Key words: metal matrix composite; silicon carbide; high manganese steel; high chromium cast iron; friction and wearSiC陶瓷增强金属基复合材料中SiC的均匀性及其服役过程中的可靠性是目前应用中要解决的主要难点。
SiC陶瓷颗粒或晶须作为增强体在金属基复合材料中通常存在各向异性和难以实现高体积分数等问题。
目前以三维网络结构SiC陶瓷为增强体的金属基复合材料已引起人们的关注[1–2]。
这种复合材料的增强体与基体之间相互贯穿、渗透，具有特殊的物理化学性能和机械性能。
通过制作不同几何形状的网络结构陶瓷增强体，可提高复合材料中增强体的体积分数，获得与金属良好的润湿性，抵制由于润湿性不好而导致的裂纹扩展[3–5]。
由于网络结构中陶瓷增强体与金属基体材料相互渗透、包覆，在磨损时高硬度的陶瓷增强体对基体起到屏蔽保护作用，使其不会首先被磨掉。
同时，金属基体会对收稿日期：2011–11–19。
修订日期：2011–12–26。
基金项目：国家自然科学基金(51172177)；广东豪美铝业有限公司特派员工作站项目(2010B09050034)；广东省重大科技专项(2010A080407007；2009A080304010)资助。
第一作者：王倩(1987—)，女，硕士研究生。
通信作者：刘桂武(1976—)，男，副教授。
Received date:2011–11–19. Revised date: 2011–12–26.First author: WANG Qian (1987–), female, Master candidate.E-mail: wang.q@Correspondent author: LIU Guiwu (1976–), male, associate professor. E-mail: gwliu76@第40卷第4期2012年4月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 40，No. 4April，20122013-02-28 09:59/kcms/detail/11.2310.TQ.20130228.0959.201204.493_001.html硅酸盐学报・ 494 ・2012年陶瓷增强相起到支撑作用，避免陶瓷增强相过早脱落。
这种相互作用使得复合材料能达到整体磨损以提高摩擦磨损性能[6]。
刘志伟等[7]利用纸制三维模型，通过浸渍树脂等一系列工艺成功制备出三维管状SiC陶瓷体，并用铸渗法制备了SiC 陶瓷增强金属基复合材料。
张志金等[8]以中间相沥青为原料，利用反应烧结制备出了SiC多孔陶瓷体，再用挤压铸造工艺制备了SiC多孔陶瓷增强铝基复合材料。
冯胜山等[9]采用常压铸渗工艺制备了三维连续网络SiC/铸铁复合材料。
在以上研究的基础上，利用石蜡熔模成型，借助酚醛树脂固化、碳化及原位硅化的技术，制备具有三维网络结构、形状复杂的SiC增强体，然后采用金属浇注工艺制备出2种不同耐磨基体的网络互穿型碳化硅陶瓷/金属复合材料，并对其耐磨性能进行了对比研究。
1 试验材料及方法1.1网络互穿型陶瓷/金属基复合材料的制备首先利用石蜡制备所需三维陶瓷骨架阴模，再将加有一定量造孔剂(乙二醇和淀粉)和固化剂(苯磺酰氯)的酚醛树脂注入阴模，借助树脂的塑性流动和热固化，形成树脂三维网络结构；然后，将三维结构树脂碳化，借助酚醛树脂的高残碳率和热固性，转化为三维网络多孔炭材料；最后，将形成的三维网络碳素坯体进行原位渗硅处理，最终形成具有三维网络结构的碳化硅陶瓷(见图1a)[10–11]。
使用无水乙醇将上述得到的三维网络SiC陶瓷体进行超声波清洗以去除表面油污及其它黏附和吸附物质，然后放入100℃恒温恒湿保温箱内干燥。
将预处理过的三维网络SiC陶瓷体固定在浇注砂型的底部，然后分别浇注高铬铸铁和高锰钢(浇注温度均控制在1400℃左右)，待凝固冷却后，即可获得网络互穿陶瓷/金属复合材料(见图1b)。
两种浇注金属材料的化学组成如表1。
1.2耐磨性能测试采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机，分别图1 网络互穿型SiC/Fe复合材料Fig. 1 Interpenetrating SiC/Fe composite对2种不同基体的复合材料及其金属基体进行磨损试验。
橡胶轮转速为180～240r/min，橡胶轮Shore 硬度为43.3，直径为178mm，载荷为24.5N，磨损时间为30min，砂浆中水和砂质量比为1:1，试样尺寸为57mm×25.5mm×6mm。
试样和橡胶轮组成一对摩擦副。
按试样要求尺寸准备高铬铸铁基体材料、SiC/高铬铸铁复合材料、高锰钢基体材料和SiC/高锰钢复合材料各3个，在磨损前每个试验均进行5min 预磨，用超声波清洗后称其质量，磨损前质量记为M1。
然后进行30min磨损，清洗后再称其质量，磨损后质量记为M2，每种试样取3个数据的平均值进行评价。
另外，采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机分别对两种不同基体的复合材料及其金属基体进行销盘表1高铬铸铁与高锰钢的化学组成Table 1 Chemical compositions of high chromium cast iron and high manganese steelComposition in mass/%SampleFe C Si Mn P S Cr Ni Mo High chromium cast iron 70.300 2.720 0.640 0.749 0.021 0.021 25.000 0.180 0.370High manganese steel 85.370 1.090 0.460 11.430 0.035 0.003 1.610王 倩 等：网络互穿型碳化硅陶瓷/铁基复合材料制备及其耐磨性能・ 495 ・第40卷第4期式干摩擦磨损试验。