2017-01-03來源：鋼鐵知識
? 金屬基復合材料是在金屬或合金基體中分散有特殊第二相的多相材料。具有特殊的物理、力學等性能的第二相極大地增強了材料的強度、硬度、耐磨、耐熱等性能，由此，這種第二相又被稱為增強相。增強相通常分為顆粒增強相和纖維（晶須）增強相兩種。由于增強體價格和復合技術等方面的原因，鑄造法制備的大多是顆粒增強的復合材料。
近年來，顆粒增強復合材料的制備方法在物理外加增強體法不斷進步的同時，研發了原位反應合成增強體法。
無論采用何種鑄造復合方法，要成功制備性能優良、質量穩定的復合材料制品，都必須在技術上解決好下面幾個問題：①基于材料的不同使用要求選擇合適的基體及增強體，②提高基體熔液對增強體的潤濕性，③控制增強體在基體中合理分布，④解決增強顆粒對基體熔液粘度影響帶來的鑄造成形工藝方面的問題。
本文就上述這些問題對顆粒增強金屬基復合材料鑄造法制備技術進行綜述，以期推動顆粒增強復合材料的鑄造生產。
1 增強體的選擇
基體、增強體的性能及增強體與基體的良好結合決定著復合材料性能，故應根據基材的種類及復合材料性能要求合理選擇增強體。選擇增強體時要考慮增強體的彈性模量、抗拉強度、硬度、熱穩定性、密度、熔點、價格等因素，同時還應滿足增強體與基體間的線膨脹系數和化學反應性相匹配要求。
以鋁為主要組元的基體，常用的增強體有石墨、Al2O3、SiC、TiC、Al3Ti、TiB、Al3Zr等等，以鋼鐵為基體的復合材料研究不如鋁基復合材料成熟，常用的增強體較少，主要有WC、VC、TiC、TiN、Al2O3、SiC等。
在增強體種類選定之后，還應通過試驗來確定增強體尺寸大小及其在基體中的體積分數。
2 提高增強體/基體潤濕性的方法
提高基體熔液對增強體的潤濕性，有助于減輕增強體的團聚，有助于基體/增強體界面結合強度的提高，對整體復合材料來說，還有助于增強體在基體中的分布均勻。通常采用下面一些措施來提高基體熔液對增強體的潤濕性。
2．1 增強體的表面被覆處理
用化學鍍或氣相沉積等方法在增強體表面被覆某種金屬或化合物可以有效地改善基體熔液對增強體的潤濕性。
研究表明，在石墨表面被覆銅衣、在Al2O3顆粒表面氣相沉積TiN都有效地改善了基體對增強體顆粒的潤濕性。
何志亮等人還以Al2O3顆粒為對象研究了陶瓷顆粒表面化學鍍鎳的問題。
2．2 附加表面活性劑
據介紹，在向鋁熔體加入石墨或二氧化硅粉的同時加入鎂塊可以改善鋁液對增強體的濕潤性。近年研究還表明，除Mg外，Ca、RE、堿金屬元素以及Ⅵ族和Ⅵa族元素都有改善鋁液對Al2O3、SiC等增強體潤濕性的作用。
2．3 加熱處理增強體
通過加熱處理除去增強體顆粒表面的油污、水分等，可以提高增強體表面能，增進熔液對增強體的潤濕性。
有人用加熱處理過的無銅衣石墨粉制備了石墨/鋁復合材料。其加熱處理方法是：將石墨粉加熱到600℃左右保溫8小時以使其表面活化，而后冷卻，在加入鋁液前重新加熱到200℃以去除水分。還有人也采用了加熱處理增強體的方法改善增強體與基體的潤濕性生產了復合材料。
2．4 高能超聲處理熔體
潘蕾等人用高能超聲處理熔體制備了SiC/ZA27復合材料。該研究認為，高能超聲在熔體中傳播時產生的空化效應清潔了增強顆粒表面，使顆粒表面張力增加，同時還降低了熔液的表面張力，顯著改善了SiC顆粒與ZA27熔體間的潤濕性。
2．5 原位反應合成增強體
應用原位反應合成技術制備含有增強顆粒的中間合金，然后向基體熔液中加入這種中間合金制備復合材料技術近年成了復合材料研究的熱點。
原位反應合成法通常是在中間合金中加入某些純金屬、合金、化合物或鹽類物質，通過加入物之間或加入物與中間合金組元之間發生化學反應而獲得增強體。由于增強體是原位反應生成，表面清潔無污染，熱穩定性好，很好地解決了基體熔液對增強體的潤濕性問題，增強體與基體結合非常牢固，增強效果較好。
龍春光等將Al、Ti、C粉末按一定比例混合球磨后壓成小塊，將這種小塊在高溫擴散爐中真空燒結得到了TiC/Al中間合金，并用該中間合金制備了TiC/2618復合材料。
還有人也應用原位反應合成法成功制備了增強顆粒均勻分布、性能優良的復合材料。
3 增強體分布控制技術
控制基體中增強體的分布，充分發揮增強體對基體的有效強化作用，是制備符合一定性能要求復合材料制品的根本保證。
3．1 增強體非均勻分布的控制方法
對于耐磨/減磨材料，要求其工作面有高的抗磨損性能，而其余部分有較好的綜合機械性能以保證工作面得到有效的支撐。因此，這類需局部強化的制品，要求增強體分布在制品工作面附近的一定范圍內。常用的方法有下面幾種：
3．1．1 預置增強體法
預置增強體法是外加法制備表面強化復合材料的主要方法之一，是鑄滲法表面改性技術在復合材料制備中的一個應用，這種方法主要適用于制備耐磨復合材料制品。其具體方法是：將增強體以涂料或粘貼膏塊形式預先放置在制品需要強化的部位，然后澆入基體合金液，基體合金液借助毛細管虹吸作用及合金液的壓力滲入增強體間隙中，凝固后即形成增強體與基體緊密結合的表面強化復合材料制品。
袁緒華等人對這一技術做過深入研究，楊貴榮等對此也做過論述，認為預置增強體表面復合技術的關鍵在于：①適當的增強體粒度及基體熔液對增強體的良好潤濕性，②粘結劑的選擇及涂料、涂膏的配制和涂刷工藝，③澆注溫度控制及澆注工藝。
預置增強體法具有工藝簡單、成本低廉、效果優良的特點，是目前應用較成功的一種表面復合技術，有著非常廣闊的應用前景。
3．1．2 離心控制法
基于增強體與基體熔液比重不同，借助離心力的作用，使增強體沿徑向呈梯度偏聚分布的方法稱為離心控制法，這種方法現已成為制備梯度復合材料的一個重要發展方向。
有人采用離心控制法制備了石墨呈梯度分布的石墨/鋁復合材料。
上海交通大學王渠東等人離心鑄造Al-Fe合金，獲得了初生Fe相沿徑向呈梯度分布的自生梯度復合材料鑄管。覆砂金屬型離心鑄造Al-Fe合金自生梯度復合材料中指出：①隨著增強體數量的增加，增強體沿徑向的分布梯度逐漸減小，在徑向的分布范圍逐漸擴大；②轉速在0～2000r/min范圍內，隨轉速的增大，增強體沿徑向的分布梯度逐漸增大，而在徑向的分布范圍逐漸縮小。
3．1．3 電磁攪拌控制法
李英民對凝固過程中的（Mg2Si）20Al80合金熔體施加強烈的交流電磁攪拌，制備了外表面富集Mg2Si的梯度復合材料。據分析，當進行電磁攪拌時，金屬熔體在交變磁場中會受到指向軸心的電磁力作用。由于增強體（初生Mg2Si）導電性較低，基本不受指向軸心的電磁力作用，而施加在熔體上的電磁力卻較大，造成在增強體周圍的力場不均衡，增強體受到金屬熔體施加的離開軸心的擠壓力作用而沿徑向向外部遷移，從而獲得了外表面富集增強體的梯度復合材料。
研究指出，電磁攪拌器所加的三相交流電的電壓越大，液/固界面與熔體之間的剪切力越大，初生Mg2Si顆粒越容易被推到試件的外表面，偏聚層越厚。
3．2增強體均勻分布的控制方法
對于整體強化復合材料來說，增強體在基體中均勻分布至關重要，加強對熔體的攪拌是實現增強體均勻化目標的根本手段。下面是幾種有效的攪拌方法：
3．2．1 機械攪拌
機械攪拌是對熔體實施攪拌最傳統的方法。由于受攪拌器葉片材料的限制，機械攪拌法用于鋼鐵合金的實例較少。
對熔體實施機械攪拌應注意：①合理選擇攪拌器葉片材質及形式：攪拌器葉片直接與熔體接觸，極易對合金造成污染。對非鐵基合金，宜選用非鐵質葉片或對鋼葉片進行外涂涂層處理（如外涂一層白陶土）。且應根據增強體顆粒密度大小選擇葉片旋向 .②良好的攪拌：攪拌器葉片的浸入深度應控制適當，以便產生平穩的漩渦。攪拌棒的晃動或攪拌器葉片不合適都會增加增強體受熔體排斥的幾率，從而使增強體在基體中的分布情況變壞。③攪拌時間：加入增強體后，攪拌時間要盡量長，停攪后的等待澆注時間應盡可能短。
有一項“把固體顆?；烊胍后w的裝置”的美國專利，稱用此裝置生產的復合材料“克服了顆粒增強復合材料常出現的缺陷，且攪拌時間短、生產率高、成本低。”
3.2.2 氣體攪拌
通過外加氣流或熔體反應產生的大量氣體攪動熔體也可達到增強體均勻分布于熔體的目的。
趙玉濤、李忠華等人利用原位反應生成的大量氣體對熔體進行攪動，分別制備了增強體均勻分布的Al3Zr（p）.Al2O3（p）/A356和 （TiB2+TiAl3）/AlSi6Cu4復合材料。
3.2.3 高能超聲處理
潘蕾等人將SiC顆粒加在600℃的ZA27合金熔體表面，用高能超聲處理熔體60～90s，得到熔體-顆粒懸浮液，制得了（鑄態）顆粒分布總體較為均勻的SiCp/ZA27復合材料。該研究認為，高能超聲在熔體中的有限振幅衰減使熔體內形成一定的聲壓梯度，從而形成一個流體的噴射，此噴射流直接離開超聲變幅桿的端面，在整個熔體中形成環流（即聲流效應），聲流的流速可達熔體對流速度的10～103倍。在聲流將雜質排離增強顆粒表面的同時，也將顆粒送入熔體深處，并使之分散均勻。
4 復合熔體性能特點及成形工藝要點
復合熔體與普通熔體最大的不同就在于引入了增強體固相粒子。由于固相粒子的引入，復合熔體粘度將突然顯著增加微量TiC、TiB2引起鋁熔體粘度的突變現象。李慶春教授指出鑄件形成理論，液態金屬的粘滯性對于金屬在鑄型中的流動特性，對于鑄型的充填，對于液態金屬中的氣體上浮，以至于對金屬的補縮，均有明顯的影響。
為了獲得健全的制品，粘度突然增加的復合熔體的成形工藝必須處理好以下兩個問題：
?、俑纳迫垠w的流動性，提高其充型能力；②防止熔體吸氣并加強熔體中氣體的排除。
桂滿昌等人開發了由過濾網和直澆道組成的真空壓差澆注工藝。復合熔體經過過濾網后直接充填鑄型。由于金屬液充型后，直澆道始終存在壓力作用，而且是最后凝固，因此能對鑄件起補縮作用。這種鑄造過程特點具體表現在：
?、購谋举|上消除了氣體的來源，基本上消除了澆注過程中產生的氣孔缺陷；②簡化了澆注系統，澆注系統重量和鑄件重量比從非真空自由澆注的（5～10）：1降到（0.5～1.5）：1；③克服了復合熔體流動性差的缺點，可澆注復雜薄壁的復合材料鑄件。
5 展望
鑄造法是最有發展前途的復合材料制備方法之一，將來的研究重點應放在下面幾個方面：
① 針對黑色金屬基體，根據復合材料的使用性能要求優選增強體；② 開發出更易實現更易運用于工業生產的制備方法；③ 大幅降低復合材料制品的材料和制造成本；④ 研究復合材料廢料的回收再利用技術。
所以，可以相信，鑄造法在耐磨、耐熱復合材料制品生產方面將大有作為?！ 〗饘倩鶑秃喜牧鲜窃诮饘倩蚝辖鸹w中分散有特殊第二相的多相材料。具有特殊的物理、力學等性能的第二相極大地增強了材料的強度、硬度、耐磨、耐熱等性能，由此，這種第二相又被稱為增強相。增強相通常分為顆粒增強相和纖維（晶須）增強相兩種。由于增強體價格和復合技術等方面的原因，鑄造法制備的大多是顆粒增強的復合材料。
近年來，顆粒增強復合材料的制備方法在物理外加增強體法不斷進步的同時，研發了原位反應合成增強體法。
無論采用何種鑄造復合方法，要成功制備性能優良、質量穩定的復合材料制品，都必須在技術上解決好下面幾個問題：①基于材料的不同使用要求選擇合適的基體及增強體，②提高基體熔液對增強體的潤濕性，③控制增強體在基體中合理分布，④解決增強顆粒對基體熔液粘度影響帶來的鑄造成形工藝方面的問題。
本文就上述這些問題對顆粒增強金屬基復合材料鑄造法制備技術進行綜述，以期推動顆粒增強復合材料的鑄造生產。
1 增強體的選擇
基體、增強體的性能及增強體與基體的良好結合決定著復合材料性能，故應根據基材的種類及復合材料性能要求合理選擇增強體。選擇增強體時要考慮增強體的彈性模量、抗拉強度、硬度、熱穩定性、密度、熔點、價格等因素，同時還應滿足增強體與基體間的線膨脹系數和化學反應性相匹配要求。
以鋁為主要組元的基體，常用的增強體有石墨、Al2O3、SiC、TiC、Al3Ti、TiB、Al3Zr等等，以鋼鐵為基體的復合材料研究不如鋁基復合材料成熟，常用的增強體較少，主要有WC、VC、TiC、TiN、Al2O3、SiC等。
在增強體種類選定之后，還應通過試驗來確定增強體尺寸大小及其在基體中的體積分數。
2 提高增強體/基體潤濕性的方法
提高基體熔液對增強體的潤濕性，有助于減輕增強體的團聚，有助于基體/增強體界面結合強度的提高，對整體復合材料來說，還有助于增強體在基體中的分布均勻。通常采用下面一些措施來提高基體熔液對增強體的潤濕性。
2．1 增強體的表面被覆處理
用化學鍍或氣相沉積等方法在增強體表面被覆某種金屬或化合物可以有效地改善基體熔液對增強體的潤濕性。
研究表明，在石墨表面被覆銅衣、在Al2O3顆粒表面氣相沉積TiN都有效地改善了基體對增強體顆粒的潤濕性。
何志亮等人還以Al2O3顆粒為對象研究了陶瓷顆粒表面化學鍍鎳的問題。
2．2 附加表面活性劑
據介紹，在向鋁熔體加入石墨或二氧化硅粉的同時加入鎂塊可以改善鋁液對增強體的濕潤性。近年研究還表明，除Mg外，Ca、RE、堿金屬元素以及Ⅵ族和Ⅵa族元素都有改善鋁液對Al2O3、SiC等增強體潤濕性的作用。
2．3 加熱處理增強體
通過加熱處理除去增強體顆粒表面的油污、水分等，可以提高增強體表面能，增進熔液對增強體的潤濕性。
有人用加熱處理過的無銅衣石墨粉制備了石墨/鋁復合材料。其加熱處理方法是：將石墨粉加熱到600℃左右保溫8小時以使其表面活化，而后冷卻，在加入鋁液前重新加熱到200℃以去除水分。還有人也采用了加熱處理增強體的方法改善增強體與基體的潤濕性生產了復合材料。
2．4 高能超聲處理熔體
潘蕾等人用高能超聲處理熔體制備了SiC/ZA27復合材料。該研究認為，高能超聲在熔體中傳播時產生的空化效應清潔了增強顆粒表面，使顆粒表面張力增加，同時還降低了熔液的表面張力，顯著改善了SiC顆粒與ZA27熔體間的潤濕性。
2．5 原位反應合成增強體
應用原位反應合成技術制備含有增強顆粒的中間合金，然后向基體熔液中加入這種中間合金制備復合材料技術近年成了復合材料研究的熱點。
原位反應合成法通常是在中間合金中加入某些純金屬、合金、化合物或鹽類物質，通過加入物之間或加入物與中間合金組元之間發生化學反應而獲得增強體。由于增強體是原位反應生成，表面清潔無污染，熱穩定性好，很好地解決了基體熔液對增強體的潤濕性問題，增強體與基體結合非常牢固，增強效果較好。
龍春光等將Al、Ti、C粉末按一定比例混合球磨后壓成小塊，將這種小塊在高溫擴散爐中真空燒結得到了TiC/Al中間合金，并用該中間合金制備了TiC/2618復合材料。
還有人也應用原位反應合成法成功制備了增強顆粒均勻分布、性能優良的復合材料。
3 增強體分布控制技術
控制基體中增強體的分布，充分發揮增強體對基體的有效強化作用，是制備符合一定性能要求復合材料制品的根本保證。
3．1 增強體非均勻分布的控制方法
對于耐磨/減磨材料，要求其工作面有高的抗磨損性能，而其余部分有較好的綜合機械性能以保證工作面得到有效的支撐。因此，這類需局部強化的制品，要求增強體分布在制品工作面附近的一定范圍內。常用的方法有下面幾種：
3．1．1 預置增強體法
預置增強體法是外加法制備表面強化復合材料的主要方法之一，是鑄滲法表面改性技術在復合材料制備中的一個應用，這種方法主要適用于制備耐磨復合材料制品。其具體方法是：將增強體以涂料或粘貼膏塊形式預先放置在制品需要強化的部位，然后澆入基體合金液，基體合金液借助毛細管虹吸作用及合金液的壓力滲入增強體間隙中，凝固后即形成增強體與基體緊密結合的表面強化復合材料制品。
袁緒華等人對這一技術做過深入研究，楊貴榮等對此也做過論述，認為預置增強體表面復合技術的關鍵在于：①適當的增強體粒度及基體熔液對增強體的良好潤濕性，②粘結劑的選擇及涂料、涂膏的配制和涂刷工藝，③澆注溫度控制及澆注工藝。
預置增強體法具有工藝簡單、成本低廉、效果優良的特點，是目前應用較成功的一種表面復合技術，有著非常廣闊的應用前景。
3．1．2 離心控制法
基于增強體與基體熔液比重不同，借助離心力的作用，使增強體沿徑向呈梯度偏聚分布的方法稱為離心控制法，這種方法現已成為制備梯度復合材料的一個重要發展方向。
有人采用離心控制法制備了石墨呈梯度分布的石墨/鋁復合材料。
上海交通大學王渠東等人離心鑄造Al-Fe合金，獲得了初生Fe相沿徑向呈梯度分布的自生梯度復合材料鑄管。覆砂金屬型離心鑄造Al-Fe合金自生梯度復合材料中指出：①隨著增強體數量的增加，增強體沿徑向的分布梯度逐漸減小，在徑向的分布范圍逐漸擴大；②轉速在0～2000r/min范圍內，隨轉速的增大，增強體沿徑向的分布梯度逐漸增大，而在徑向的分布范圍逐漸縮小。
3．1．3 電磁攪拌控制法
李英民對凝固過程中的（Mg2Si）20Al80合金熔體施加強烈的交流電磁攪拌，制備了外表面富集Mg2Si的梯度復合材料。據分析，當進行電磁攪拌時，金屬熔體在交變磁場中會受到指向軸心的電磁力作用。由于增強體（初生Mg2Si）導電性較低，基本不受指向軸心的電磁力作用，而施加在熔體上的電磁力卻較大，造成在增強體周圍的力場不均衡，增強體受到金屬熔體施加的離開軸心的擠壓力作用而沿徑向向外部遷移，從而獲得了外表面富集增強體的梯度復合材料。
研究指出，電磁攪拌器所加的三相交流電的電壓越大，液/固界面與熔體之間的剪切力越大，初生Mg2Si顆粒越容易被推到試件的外表面，偏聚層越厚。
3．2增強體均勻分布的控制方法
對于整體強化復合材料來說，增強體在基體中均勻分布至關重要，加強對熔體的攪拌是實現增強體均勻化目標的根本手段。下面是幾種有效的攪拌方法：
3．2．1 機械攪拌
機械攪拌是對熔體實施攪拌最傳統的方法。由于受攪拌器葉片材料的限制，機械攪拌法用于鋼鐵合金的實例較少。
對熔體實施機械攪拌應注意：①合理選擇攪拌器葉片材質及形式：攪拌器葉片直接與熔體接觸，極易對合金造成污染。對非鐵基合金，宜選用非鐵質葉片或對鋼葉片進行外涂涂層處理（如外涂一層白陶土）。且應根據增強體顆粒密度大小選擇葉片旋向 .②良好的攪拌：攪拌器葉片的浸入深度應控制適當，以便產生平穩的漩渦。攪拌棒的晃動或攪拌器葉片不合適都會增加增強體受熔體排斥的幾率，從而使增強體在基體中的分布情況變壞。③攪拌時間：加入增強體后，攪拌時間要盡量長，停攪后的等待澆注時間應盡可能短。
有一項“把固體顆粒混入液體的裝置”的美國專利，稱用此裝置生產的復合材料“克服了顆粒增強復合材料常出現的缺陷，且攪拌時間短、生產率高、成本低?！?/span>
3.2.2 氣體攪拌
通過外加氣流或熔體反應產生的大量氣體攪動熔體也可達到增強體均勻分布于熔體的目的。
趙玉濤、李忠華等人利用原位反應生成的大量氣體對熔體進行攪動，分別制備了增強體均勻分布的Al3Zr（p）.Al2O3（p）/A356和 （TiB2+TiAl3）/AlSi6Cu4復合材料。
3.2.3 高能超聲處理
潘蕾等人將SiC顆粒加在600℃的ZA27合金熔體表面，用高能超聲處理熔體60～90s，得到熔體-顆粒懸浮液，制得了（鑄態）顆粒分布總體較為均勻的SiCp/ZA27復合材料。該研究認為，高能超聲在熔體中的有限振幅衰減使熔體內形成一定的聲壓梯度，從而形成一個流體的噴射，此噴射流直接離開超聲變幅桿的端面，在整個熔體中形成環流（即聲流效應），聲流的流速可達熔體對流速度的10～103倍。在聲流將雜質排離增強顆粒表面的同時，也將顆粒送入熔體深處，并使之分散均勻。
4 復合熔體性能特點及成形工藝要點
復合熔體與普通熔體最大的不同就在于引入了增強體固相粒子。由于固相粒子的引入，復合熔體粘度將突然顯著增加微量TiC、TiB2引起鋁熔體粘度的突變現象。李慶春教授指出鑄件形成理論，液態金屬的粘滯性對于金屬在鑄型中的流動特性，對于鑄型的充填，對于液態金屬中的氣體上浮，以至于對金屬的補縮，均有明顯的影響。
為了獲得健全的制品，粘度突然增加的復合熔體的成形工藝必須處理好以下兩個問題：
?、俑纳迫垠w的流動性，提高其充型能力；②防止熔體吸氣并加強熔體中氣體的排除。
桂滿昌等人開發了由過濾網和直澆道組成的真空壓差澆注工藝。復合熔體經過過濾網后直接充填鑄型。由于金屬液充型后，直澆道始終存在壓力作用，而且是最后凝固，因此能對鑄件起補縮作用。這種鑄造過程特點具體表現在：
①從本質上消除了氣體的來源，基本上消除了澆注過程中產生的氣孔缺陷；②簡化了澆注系統，澆注系統重量和鑄件重量比從非真空自由澆注的（5～10）：1降到（0.5～1.5）：1；③克服了復合熔體流動性差的缺點，可澆注復雜薄壁的復合材料鑄件。
5 展望
鑄造法是最有發展前途的復合材料制備方法之一，將來的研究重點應放在下面幾個方面：
?、?針對黑色金屬基體，根據復合材料的使用性能要求優選增強體；② 開發出更易實現更易運用于工業生產的制備方法；③ 大幅降低復合材料制品的材料和制造成本；④ 研究復合材料廢料的回收再利用技術。
所以，可以相信，鑄造法在耐磨、耐熱復合材料制品生產方面將大有作為。
