不銹鋼纖維增強鐵基復合材料的制備與性能研究

1、文章編號:167121114(2009022*不銹鋼纖維增強鐵基復合材料的制備與性能研究收稿日期:2008209227第一作者:郭青(1962,女,副教授.通訊作者:王吉會(1966,男,教授,主要從事復合材料方面的研究.郭青1,王吉會2(1.天津輕工職業(yè)技術(shù)學院,天津300722;2.天津大學材料工程與科學學院,天津300072摘要:利用粉末冶金工藝制備了316L 纖維增強鐵基的復合材料,研究了纖維含量對復合材料的顯微組織、密度、力學性能及磨損性能的影響.結(jié)果表明:經(jīng)光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡分析,316L 纖維在鐵基體中分布均勻,制備過程中沒有被損傷,粉末冶金法制備的不銹鋼纖維能增強純鐵復

2、合材料的抗拉強度,硬度和耐磨性能較高,密度為7.0157.217g/cm 3,硬度HRB 為7275,復合材料的抗拉強度可達228.63MPa ,高于純鐵粉的抗拉強度.關(guān)鍵詞:金屬基復合材料;短纖維增強;粉末冶金;力學性能中圖分類號:TB331文獻標識碼:AOn preparation and properties ofstainless steel f ibre reinforced iron matrix compositesGUO Qi n g 1,W A N G J i hui2(1.Tianjin Light Industry Vocational Technical College

3、 ,Tianjin 300722,China ;2.School of Material Egineering and Science ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China 金屬基復合材料因其優(yōu)異的物理和力學性能而成為高技術(shù)新材料研究開發(fā)的重要領(lǐng)域之一,其中尤以顆粒和短纖維增強的復合材料最具生命力123.目前,金屬基復合材料的研究主要集中于鋁基、鎂基等輕金屬基復合材料,有關(guān)鐵基復合材料的研究和報道還較少4211.但是,由于鋼鐵材料具有優(yōu)良的機械性能和較低的環(huán)境影響,鐵基復合材料的研究引起了人們的廣泛關(guān)注和重視.本研究選用不銹鋼纖維與鐵粉共混設(shè)計了F

4、e 2Fe 復合材料,對不銹鋼纖維增強鐵基復合材料的制備方法以及纖維含量對復合材料密度、硬度、抗拉強度、耐磨性能的影響進行了研究.1實驗1.1實驗材料1鐵粉:采用200目、300目的還原鐵粉,其松裝密度為2.302.50g/cm 3,流動性為2734s/50g.鐵粉的化學成分見表1.表1鐵粉的主要化學成分%成分w Few Cuw 硫化物w 硫酸不溶物w 氮化物w 水溶物含量2纖維:選用直徑=0.03mm 的316L (00Cr17Ni14Mo2不銹鋼絲,密度為7.98g/cm 3,熔點為13711398,直徑為25m 的纖維斷裂第29卷第2期2009年4月天津師范大學學報(自然科學版Apr.2

5、009強度為898.85M Pa,延伸率為1.3%.其化學成分見表2.表2不銹鋼纖維的主要化學成分%成分w C w Si w Mn w P w S w Ni w Cr w Mo1.2實驗裝置1壓力機:Y41225B單柱校正壓裝液壓機,Y B322 100B四柱萬能液壓機,天津第二鍛壓機床廠.2燒結(jié)爐:合肥科晶材料技術(shù)有限公司, GSL1300X真空管式爐.1.3試樣制備1將95%200目和5%325目的鐵粉混合后備用.2將纖維剪成11.5mm長,采用堿洗+酸洗+丙酮洗的清洗方法.先用40g/L NaO H,30g/L Na2CO3和100mL水混合液堿洗,再用一定濃度的HCl溶液酸洗30min

6、,最后,用丙酮清洗干凈.3先將混合后備用的鐵粉分別倒入5個瓷研缽中,再分別加入清洗過的不銹鋼短纖維,5個瓷研缽中的不銹鋼短纖維含量分別為1%,3%,5%,7%, 9%,用手工方法進行混合,并采用濕法球磨混粉,在球磨機中球磨1h.4運用壓坯、燒結(jié)、復壓等方法制備純鐵復合材料.燒結(jié)是制備純鐵復合材料的關(guān)鍵工藝,在500M Pa,燒結(jié)溫度為1000,燒結(jié)保護氣氛為氬氣下,保溫1.5h,然后以10/min速度降溫,至200后隨爐冷卻,900M Pa下復壓.1.4測試儀器與方法采用OL YM PU S BX51M型金相顯微鏡、OL YM PU S DP12型金相照相機、P HIL IPS XL30 ES

7、EM型掃描電子顯微鏡對試樣結(jié)構(gòu)進行分析;用國產(chǎn)HR1502A型洛氏硬度儀(壓頭為1.5875mm 鋼球測試硬度;用M350220KN電子萬能試驗機測試拉伸性能;采用MWF21往復摩擦磨損實驗機, 2201型表面粗糙度檢查記錄儀測試耐磨性能;燒結(jié)材料的密度采用阿基米德排水法進行測定.2結(jié)果和討論2.1金相觀察在500MPa,1000條件下燒結(jié),不同纖維含量下纖維在復合材料中的分布如圖1所示.由圖可知,當纖維含量為3%,5%,7%時,不銹鋼纖維在復合材料中呈無序、均勻分布狀態(tài),且與基體顆粒有較好的接觸,交叉分布的纖維網(wǎng)絡對裂紋擴展起到抑制作用.當不銹鋼纖維含量增加為9%時,纖維的分散難以進行,纖維

8、的接觸率增大,從而造成材料的孔隙增大 .(a3%纖維(b5% 纖維(c7%纖維(d9%纖維圖1不同含量纖維在材料中的分布不銹鋼纖維/基體界面處的表面形貌和化學成分如圖2和表3所示.從表3可以看出,界面處含O,且Cr和Mn含量較高.這是由于在材料壓制成型的過程中,不可避免地會帶入一定量的氣體,且在高溫燒結(jié)過程中,不銹鋼所含的Cr和Mn元素被氧化生成Cr2O3,MnO2所造成的 .(A界面(B纖維圖2纖維/基體界面處的表面形貌表3纖維/基體界面處的化學成分元素A(界面重量百分比原子百分比B(纖維重量百分比原子百分比Mn 6.39 3.062.2密度在相同壓制壓力和燒結(jié)溫度(500MPa,1000燒

9、結(jié),900M Pa復壓下,本研究的復合材料與純鐵相比,其密度隨纖維含量的增加呈下降的趨勢(圖3.24天津師范大學學報(自然科學版2009年4月 纖維含量/%圖3纖維含量對復合材料密度的影響2.3硬度由圖4可見,在相同壓制壓力和燒結(jié)溫度下,纖維含量在3%,5%,7%時,材料的硬度較高.本研究的復合材料與基體相比,纖維的加入提高了材料的硬度,且隨纖維含量的增加材料的硬度明顯增大.這是由于高模量、高強度、高硬度的316L 不銹鋼纖維在較軟的鐵基體中均勻分布,從而提高了復合材料的抗變形能力,使其硬度高于基體 .纖維含量/%圖4纖維含量對復合材料硬度的影響2.4抗拉強度在相同壓制壓力和燒結(jié)溫度下,纖維含

10、量在3%,5%,7%時,材料的抗拉強度見圖5.由圖可知,含3%纖維的材料抗拉強度為228.63M Pa ,優(yōu)于含5%和7%纖維材料的抗拉強度.這主要是由于500M Pa 的壓制壓力,對于纖維含量為5%和7%材料不足以使其密度提高,因而其強度較低.另外,纖維含量3%材料的抗拉強度明顯優(yōu)于純鐵粉的抗拉強度,即纖維的加入具有明顯的增強抗拉效果 .纖維含量/%圖5纖維含量對復合材料抗拉強度的影響2.5耐磨性不同纖維含量下復合材料的磨損量如圖6所示,可知含7%纖維復合材料的磨損量最低.這與前面分析硬度時是一致的,說明材料的硬度和磨損量成反比,即材料愈硬其耐磨性能愈好 .纖維含量/%圖6纖維含量對復合材料

11、磨損量的影響3結(jié)論用粉末冶金技術(shù)制備出了一種316L 纖維增強1陳劍鋒,于志強.金屬基復合材料強度的影響因素J .金屬熱處理,2003,28(3:729.2肖長發(fā).纖維復合材料纖維、基體、力學性能M.北京:中國石化出版社,1995:12214,192.3Lavoie J A ,S outis C ,Morton J.Apparent strength scaling in con 2tinuous fiber composite laminates J .C omp Sci 2T echnol ,2000,60(2:2832299.4國家自然科學基金委員會.金屬材料科學M.北京:科學出版社,1

12、995:2210.5吳人潔.金屬基復合材料的現(xiàn)狀與展望J .金屬學報,1997,33(1:78284.6張靜,潘復生,陳萬志.鐵基復合材料的現(xiàn)狀和發(fā)展J .材料導報,1995,9(1:67271.7肖志瑜,李元元,夏偉.SiC/鋼基復合材料摩擦磨損特性研究J .機械工程材料,1998,22(3:17219.8Pagounis E ,Talvitie M ,Lindroos V K.Influence of t he met 2al/ceramic interface on t he microstructure and mechanical properties of HIPed iron 2based composites J .Composites Science and Technology ,1996,56(11:132921337.9Gerald P J ,J ayashree L ,Hani H.Fundamentals of dry pow 2der blending for metal matrix compositesJ .The Internation