Fe/Al?O?金屬陶瓷復(fù)合材料的研究進展前言 鐵基金屬陶瓷是以金屬鐵為基體，加入一種或幾種陶瓷相而組成的非均質(zhì)復(fù)合材料。這類材料不僅具有金屬的高導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和韌性，還具備陶瓷的高硬度、耐磨性、良好的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性。因此，鐵基金屬陶瓷被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電環(huán)境中的耐高溫部件、機械密封環(huán)和農(nóng)業(yè)潛水泵密封部件等領(lǐng)域。此外，在高溫高負荷條件下，鐵基金屬陶瓷還表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦性能和機械強度，使其成為航空、汽車及工程機械等重載或超重載剎車或離合器中的重要材料。 本文介紹了Fe/Al?O?金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，重點從粉末冶金的角度闡述了Fe/Al?O?金屬陶瓷復(fù)合材料制備過程中鐵基和陶瓷相的結(jié)合機理、制備工藝和材料性能的優(yōu)化措施，并展望了Fe/Al?O?金屬陶瓷復(fù)合材料的未來研究方向。 Fe/Al?O?金屬陶瓷的研究現(xiàn)狀 歷史背景 1959年，Gatti首次通過粉末冶金法將Fe與Al?O?制備成鐵基金屬陶瓷，使Al?O?顆粒在鐵基體中分散分布，顯著提高了鐵基體的抗蠕變性能。此后，科研工作者進一步探討了Fe/Al?O?金屬陶瓷的結(jié)合機理，優(yōu)化了工藝和成分，使得粉末冶金技術(shù)在Fe/Al?O?金屬陶瓷制備中的應(yīng)用日趨成熟。
結(jié)合機理 在Fe/Al?O?金屬陶瓷的制備過程中，F(xiàn)eAl?O?的生成對金屬Fe相和Al?O?陶瓷相之間的結(jié)合起著關(guān)鍵作用。研究表明，尖晶石相FeAl?O?的生成能夠改善金屬和陶瓷相的潤濕性。此外，通過熱力學分析發(fā)現(xiàn)，在1600℃以下，F(xiàn)eAl?O?會生成并穩(wěn)定存在，溫度高于1600℃時，F(xiàn)eAl?O?會溶解部分Al?O?，但不會溶解FeO。 文獻指出，Al?O?含量越多、燒結(jié)溫度越高，越有利于FeAl?O?的形成。此外，F(xiàn)e/Al?O?金屬陶瓷的斷裂韌性取決于Fe含量及燒結(jié)過程中FeAl?O?的形成。燒結(jié)過程中，鐵顆粒周圍會形成主要由FeO和FeAl?O?組成的殼體，這些殼體與鐵顆粒之間形成的微裂紋缺陷有助于提升金屬陶瓷的韌性。
燒結(jié)工藝 為了探究Fe/Al?O?金屬陶瓷的最佳燒結(jié)工藝，研究人員對燒結(jié)溫度、保溫時間、彌散相含量、彌散相粒度、燒結(jié)氣氛等因素進行了全面研究。最佳燒結(jié)溫度通常為1300℃，最佳保溫時間為1小時。細小的彌散相分布以及還原性的氫氣氛圍對促進燒結(jié)產(chǎn)品的致密化和提高力學性能具有重要意義。 此外，氧化鋁粉末的彈性后效也影響燒結(jié)樣品的性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著成型壓力增大和保溫時間延長，制得的Fe/Al?O?金屬陶瓷成品的硬度先升高后降低。優(yōu)化后的工藝參數(shù)包括兩相配比為25% Al?O?粉+75% Fe粉，成型壓力設(shè)定在30MPa并持續(xù)保壓10分鐘，在1000℃下燒結(jié)，得到密度4.38g/cm3的金屬陶瓷復(fù)合材料。 性能優(yōu)化 通過調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)和原料配比，可以顯著優(yōu)化Fe/Al?O?金屬陶瓷的性能。例如，提高燒結(jié)溫度和延長保溫時間有利于FeAl?O?的形成，而彌散分布的FeAl?O?可以提高復(fù)合材料的致密度、硬度和斷裂韌性。此外，原料Al?O?的含量也對性能有顯著影響。在較低的Al?O?含量下（如5%），F(xiàn)eAl?O?的形成可以大大降低材料表面的總磨損量，并改善不同載荷下的磨損性質(zhì)。 總結(jié) 制備關(guān)鍵：Fe/Al?O?金屬陶瓷的制備核心在于改善Fe與Al?O?的潤濕性，通過增強兩相結(jié)合來提升斷裂韌性并維持或提高整體強度。引入促進兩相反應(yīng)的物質(zhì)和降低燒結(jié)溫度是有效手段。 制備方法：粉末冶金法因其簡單、低成本、環(huán)保等優(yōu)勢，成為主要制備方法。結(jié)合原位反應(yīng)以改善潤濕性是重要研究方向。 化學反應(yīng)利用：利用FeAl?O?生成和Al還原反應(yīng)，通過Fe粉與適量Fe?O?的原位反應(yīng)，有效改善潤濕性。 燒結(jié)溫度優(yōu)化：通過成分優(yōu)化，如添加廉價氧化物SiO?、CaO，以降低燒結(jié)溫度并控制成本。 環(huán)保與資源利用：利用冶金固體廢棄物中的Fe?O?、SiO?、CaO等成分，為Fe/Al?O?金屬陶瓷的制備提供新途徑，促進資源循環(huán)利用。 參考文獻： 【Fe/Al?O?金屬陶瓷復(fù)合材料的研究進展】 文章編號: 0253-6099(2023)01-0129-04 |
