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【摘 要】SiC颗粒增强铝基复合材料耐磨性强、散热性好，是制造汽车刹车毂的先进高性能材料。本文采用组织分析的方法，研究了液态机械搅拌铸造法制备铝基复合材料中颗粒分散均匀度的影响因素。结果表明：随着温度的升高，SiC颗粒在铝液中的分散均匀度呈抛物线状分布，温度高于775℃后会有较多的界面产物生成，阻碍了SiC颗粒的分散。优化后的工艺能数为：搅拌时间25min，搅拌温度750～775℃。
【关键词】SiC颗粒；复合材料；刹车毂
目前汽车刹车系统有碟刹和毂刹两大类，碟刹比毂刹的散热好，在高速状态下制动效果好。而相对低速且需要制动力大的卡车、巴士等，大多仍采用毂刹，它的优点是所使用的装置比刹车碟小，还可以安装手动刹车机构，制动力大，安全性好。为了改善毂刹散热性差的缺点，人们开始研究利用散热性好的铝合金、镁合金等导热性好的材料制造刹车毂，但这些材料的耐磨性较差，不适于制造对耐磨性要求极高的刹车毂。为了改变这一现状，科技工作者提出了利用比强度和比刚度高的颗粒增强铝基复合材料的方法，是目前广泛研究的热点。SiC颗粒增强铝基复合材料的耐疲劳性好、密度小、热膨胀系数低、硬度大，具有极好的耐磨性，用它制造的刹车毂，可以综合碟刹和毂刹的优点，并大大降低零部件的重量，有利于节能减排，是制造高性能汽车刹车毂的优质材料。常用的液态机械搅拌铸造法会使SiC颗粒团聚和偏聚，造成在基体中分散不均匀[1-6]，降低了材料的力学性能。本文研究了改变搅拌温度和搅拌时间，使SiC颗粒与铝液发生适度的界面反应，促进与基体铝液的润湿，有效改善SiC颗粒的分散均匀度，取得了明显的效果，为工业生产提供了科学依据。
1、实验方法
基体材料选用含Si量7%～8%的铝硅合金，增强相为SiC颗粒（加入量为铝合金体积分数的10%～15%）。熔炼过程为：通入氩气进行保护→铝锭熔化→添加合金元素→熔炼→用氩氣输入SiC颗粒→搅拌→静置→浇注，通入氩气不但可以造成保护气氛，还能将SiC颗粒输送到基体合金熔液中。搅拌时间及温度如表1所示。使用JSM7500F场发射扫描电镜观察SiC颗粒与基体的界面反应并进行能谱分析。
2、结果与讨论
不同搅拌时间下的SiC颗粒分布情况如图1所示，从图1中可以看出，搅拌时间为25min时的分散度最佳，搅拌时间为15min和35min时效果均不理想，这说明并不是时间越长分散度越好。
综合观察图2中不同温度下的SiC颗粒分散均匀度，可以看出：SiC颗粒在铝液中的均匀度呈一条抛物线状分布，725℃时分散度很差，750℃时较好，775℃时又变稍差，800℃时更差。这说明随着温度的变化，界面反应的轻重影响着SiC颗粒的分散均匀度。当搅拌温度为725℃时，SiC颗粒与铝液之间界面反应小，出现团聚现象。随着搅拌温度的升高，SiC颗粒的分散均匀度逐渐变好，随后反而呈下降趋势。造成这种现象的原因是：随着温度的升高，界面反应越来越强烈，有利于SiC颗粒的分散均匀。但由于随之而来的界面反应产物的生成，反而会造成团聚现象的出现，图2c中甚至出现了偏析。
综合考虑，取750～775℃为最佳搅拌温度，此时SiC颗粒与铝液之间有一定的界面反应，但并不严重，反应产物较少，SiC颗粒的分散均匀度最好。
以及两者间界面反应产物（A、B点）的能谱
由能谱分析可以确定，SiC颗粒与铝液之间界面反应的产物为AlXCY相，这种界面产物，具有模糊的正六方片状结构，有点类似氧化锌的形貌。正是这种界面反应产物的生成，使其在某一处优先形核，阻碍了SiC颗粒在基体铝液中的分散，造成在较高的温度下SiC颗粒均匀度反而下降的结果。
采用搅拌时间25min，搅拌温度750～775℃的工艺条件，利用液态机械搅拌铸造法，制造出颗粒增强铝基复合材料，通过与铸钢、铝合金等常用刹车毂材料进行耐磨性、散热性的工况模拟对比实验，发现SiC颗粒增强铝基复合材料用来制造刹车毂具有明显的综合优势。
3、结论
（1）SiC颗粒增强铝基复合材料耐磨性强、散热性好，是制造汽车刹车毂的先进高性能材料。
（2）随着温度的升高，SiC颗粒在铝液中的分散均匀度呈抛物线状分布，温度高于775℃后会有较多的界面产物AlXCY生成，阻碍了SiC颗粒的分散。
（3）液态机械搅拌铸造法优化后的工艺能数为：搅拌时间25min，搅拌温度750～775℃。
参考文献：
[1] GEIGER A L，WALKER R J A. The processing and properties of discontinuously reinforced aluminum composites[J]. JOM，1991（8）： 8-15.
[2] Hashim J， Looney L， Hashmi M S J. Metal Matrix Composites： Production by the Stir Casting Method[J]. J. Mater. Proc. Technol.， 92/93（1999）： 1-7.
[3] Tee KL， Lu L， Lai MO. Synthesis of in Situ Al-TiB2 Composites Using Stir Cast Route[J]. Comp. Struc.， （47）（1999）： 589-593.
[4] 吴人洁. 金属基复合材料的现状与展望[J].金属学报， 33（1）（1， 1997）： 78-84.
[5] D.J. Lloyd， Particle reinforced aluminum and magnesium matrix composites[J]. Inter. Mater. Rev.， 39（1）（2001）： 1-23.
[6] 王乐军.液态机械搅拌铸造法制备SiCp/6061Al复合材料[D].郑州：郑州大学，2008.
基金项目：
河南省重点科技攻关项目：112102210174
【关键词】SiC颗粒；复合材料；刹车毂
目前汽车刹车系统有碟刹和毂刹两大类，碟刹比毂刹的散热好，在高速状态下制动效果好。而相对低速且需要制动力大的卡车、巴士等，大多仍采用毂刹，它的优点是所使用的装置比刹车碟小，还可以安装手动刹车机构，制动力大，安全性好。为了改善毂刹散热性差的缺点，人们开始研究利用散热性好的铝合金、镁合金等导热性好的材料制造刹车毂，但这些材料的耐磨性较差，不适于制造对耐磨性要求极高的刹车毂。为了改变这一现状，科技工作者提出了利用比强度和比刚度高的颗粒增强铝基复合材料的方法，是目前广泛研究的热点。SiC颗粒增强铝基复合材料的耐疲劳性好、密度小、热膨胀系数低、硬度大，具有极好的耐磨性，用它制造的刹车毂，可以综合碟刹和毂刹的优点，并大大降低零部件的重量，有利于节能减排，是制造高性能汽车刹车毂的优质材料。常用的液态机械搅拌铸造法会使SiC颗粒团聚和偏聚，造成在基体中分散不均匀[1-6]，降低了材料的力学性能。本文研究了改变搅拌温度和搅拌时间，使SiC颗粒与铝液发生适度的界面反应，促进与基体铝液的润湿，有效改善SiC颗粒的分散均匀度，取得了明显的效果，为工业生产提供了科学依据。
1、实验方法
基体材料选用含Si量7%～8%的铝硅合金，增强相为SiC颗粒（加入量为铝合金体积分数的10%～15%）。熔炼过程为：通入氩气进行保护→铝锭熔化→添加合金元素→熔炼→用氩氣输入SiC颗粒→搅拌→静置→浇注，通入氩气不但可以造成保护气氛，还能将SiC颗粒输送到基体合金熔液中。搅拌时间及温度如表1所示。使用JSM7500F场发射扫描电镜观察SiC颗粒与基体的界面反应并进行能谱分析。
2、结果与讨论
不同搅拌时间下的SiC颗粒分布情况如图1所示，从图1中可以看出，搅拌时间为25min时的分散度最佳，搅拌时间为15min和35min时效果均不理想，这说明并不是时间越长分散度越好。
综合观察图2中不同温度下的SiC颗粒分散均匀度，可以看出：SiC颗粒在铝液中的均匀度呈一条抛物线状分布，725℃时分散度很差，750℃时较好，775℃时又变稍差，800℃时更差。这说明随着温度的变化，界面反应的轻重影响着SiC颗粒的分散均匀度。当搅拌温度为725℃时，SiC颗粒与铝液之间界面反应小，出现团聚现象。随着搅拌温度的升高，SiC颗粒的分散均匀度逐渐变好，随后反而呈下降趋势。造成这种现象的原因是：随着温度的升高，界面反应越来越强烈，有利于SiC颗粒的分散均匀。但由于随之而来的界面反应产物的生成，反而会造成团聚现象的出现，图2c中甚至出现了偏析。
综合考虑，取750～775℃为最佳搅拌温度，此时SiC颗粒与铝液之间有一定的界面反应，但并不严重，反应产物较少，SiC颗粒的分散均匀度最好。
以及两者间界面反应产物（A、B点）的能谱
由能谱分析可以确定，SiC颗粒与铝液之间界面反应的产物为AlXCY相，这种界面产物，具有模糊的正六方片状结构，有点类似氧化锌的形貌。正是这种界面反应产物的生成，使其在某一处优先形核，阻碍了SiC颗粒在基体铝液中的分散，造成在较高的温度下SiC颗粒均匀度反而下降的结果。
采用搅拌时间25min，搅拌温度750～775℃的工艺条件，利用液态机械搅拌铸造法，制造出颗粒增强铝基复合材料，通过与铸钢、铝合金等常用刹车毂材料进行耐磨性、散热性的工况模拟对比实验，发现SiC颗粒增强铝基复合材料用来制造刹车毂具有明显的综合优势。
3、结论
（1）SiC颗粒增强铝基复合材料耐磨性强、散热性好，是制造汽车刹车毂的先进高性能材料。
（2）随着温度的升高，SiC颗粒在铝液中的分散均匀度呈抛物线状分布，温度高于775℃后会有较多的界面产物AlXCY生成，阻碍了SiC颗粒的分散。
（3）液态机械搅拌铸造法优化后的工艺能数为：搅拌时间25min，搅拌温度750～775℃。
参考文献：
[1] GEIGER A L，WALKER R J A. The processing and properties of discontinuously reinforced aluminum composites[J]. JOM，1991（8）： 8-15.
[2] Hashim J， Looney L， Hashmi M S J. Metal Matrix Composites： Production by the Stir Casting Method[J]. J. Mater. Proc. Technol.， 92/93（1999）： 1-7.
[3] Tee KL， Lu L， Lai MO. Synthesis of in Situ Al-TiB2 Composites Using Stir Cast Route[J]. Comp. Struc.， （47）（1999）： 589-593.
[4] 吴人洁. 金属基复合材料的现状与展望[J].金属学报， 33（1）（1， 1997）： 78-84.
[5] D.J. Lloyd， Particle reinforced aluminum and magnesium matrix composites[J]. Inter. Mater. Rev.， 39（1）（2001）： 1-23.
[6] 王乐军.液态机械搅拌铸造法制备SiCp/6061Al复合材料[D].郑州：郑州大学，2008.
基金项目：
河南省重点科技攻关项目：112102210174