金屬基復(fù)合材料制備工藝及結(jié)合力的研究*

戴亞春，崔沛，駱志高，吳勃

（江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

金屬基復(fù)合材料制備工藝及結(jié)合力的研究*

戴亞春，崔沛，駱志高，吳勃

（江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

根據(jù)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點和性能要求，設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案，并進行壓制成型實驗，在壓制成型過程中采用不同的壓力、溫度、時間進行實驗，制備了結(jié)合強度高的金屬基復(fù)合材料。通過拉伸試驗，研究了壓力、溫度以及時間3個工藝參數(shù)與復(fù)合材料結(jié)合性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合材料模壓成型壓力為8～9 MPa，成型溫度為320～330℃，成型時間為30～35 min時，復(fù)合材料的結(jié)合強度最佳。

金屬基復(fù)合材料；壓制成型；結(jié)合強度；成型工藝

隨著時代的快速發(fā)展，全球資源逐漸匱乏，所以對于具有自潤滑、耐沖擊、耐疲勞、耐磨損以及耐高溫等優(yōu)異性能的替代材料需求旺盛［1］。金屬基復(fù)合材料具有自潤滑、耐磨損、強度高、耐沖擊以及質(zhì)量輕等特點［2］，有的甚至具有金屬與塑料以外的優(yōu)異性能，已經(jīng)成為制造業(yè)的理想材料［3］。筆者將聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）以及二硫化鉬（MoS2）混合，將它們作為復(fù)合材料的塑料工作層，并將PPS與PES混合作為復(fù)合材料的中間結(jié)合層，采用45#鋼板作為復(fù)合材料的金屬基體，設(shè)計實驗方案并進行復(fù)合材料的壓制成型實驗。

1　實驗部分

1.1原材料

PPS：粒度為30 μm，密度為1.5 g/cm3，東莞市澤榮塑膠工程有限公司；

PES：粒度為30 μm，密度為1.2 g/cm3，東莞市澤榮塑膠工程有限公司；

PTFE：粒度為10 μm，密度為2.15 g/cm3，浙江衢州萬能達科技有限公司；

MoS2：粒度為30 μm，密度為4.8 g/cm3，市售；

45#鋼板：尺寸為29.5 mm×12 mm×3 mm，江蘇錫鋼集團有限公司。

1.2儀器及設(shè)備

真空烘干機：DZX-6050B型，上海羽通儀器儀表廠；

球型研磨機：QM-3SP4型，上海書培實驗設(shè)備有限公司；

熱壓燒結(jié)爐：SF500型，鄭州金海威科技實業(yè)有限公司；

噴砂機：BD-1312-12A型，蘇州工業(yè)園區(qū)百通噴砂機械有限公司；

靜電噴涂裝置：WL-2型，上海浦東偉隆靜電噴涂設(shè)備廠；

微機控制電子萬能試驗機：UTM4140型，濟南萬測電氣設(shè)備有限公司。

1.3試樣制備

（1）復(fù)合材料塑料工作層制備。

為了使金屬基復(fù)合材料在機械潤滑領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，復(fù)合材料表面塑料工作層要具有很好的潤滑能力［2］。由于塑料工作層由4種材料混合制備而成，所以就需要對其進行預(yù)處理，預(yù)處理工藝路線如圖1所示。復(fù)合材料塑料工作層成分按質(zhì)量分數(shù)為：PTFE 30%～40%，PPS 30%～40%，PES 20%～30%，MoS25%～10%。

圖1　復(fù)合材料塑料工作層處理工藝流程圖

將塑料工作層原料放置到真空烘干機中進行烘干處理，烘干機的溫度設(shè)置為70℃，時間為4 h［4］。

將各材料加人酒精中，并用球型研磨機對它們進行共混，球型研磨機正反交替旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為200 r /min，正反交替旋轉(zhuǎn)的時間間隔為1 h，總旋轉(zhuǎn)時間為10 h［5］。

將共混后的材料再次放人真空烘干機中烘干以去除酒精，烘干機的溫度設(shè)置為70℃，時間為2 h。

將混合后的塑料材料放置到熱壓燒結(jié)爐中的模腔中，加熱并壓制成型胚，熱壓燒結(jié)爐溫度為200～220℃，壓力為5～6 MPa，壓制時間為30 min［6］。

（2）復(fù)合材料中間結(jié)合層制備及金屬板材表面預(yù)處理。

金屬基復(fù)合材料的中間結(jié)合層作用是連接金屬基體與表面工作層，通過設(shè)計中間層作為過渡層，可以使得金屬基體和表面工作層牢固結(jié)合［7］。金屬基復(fù)合材料中間結(jié)合層制備以及金屬基體表面預(yù)處理工藝流程圖如圖2所示。

圖2　中間結(jié)合層制備與金屬基表面處理工藝流程圖

中間結(jié)合層成分按質(zhì)量分數(shù)PES為40%～50%，PPS為50%～60%。

將中間結(jié)合層原料放置到真空烘干機中進行烘干，烘干機的溫度設(shè)置為70℃，時間為4 h。

將各PES，PPS加人酒精中，并用球型研磨機對它們進行正反交替旋轉(zhuǎn)共混，球型研磨機的轉(zhuǎn)速為200 r/min，正反交替旋轉(zhuǎn)的時間間隔為1 h，總旋轉(zhuǎn)時間為5 h。

將共混后的材料再次放人真空烘干機中烘干以去除酒精，烘干機的溫度設(shè)置為70℃，時間為2 h。

清洗金屬基體具體步驟為：堿洗除油→去離子水清洗→酸洗除銹→中和→去離子水清洗→表調(diào)→表面磷化→去離子水清洗→烘干箱烘干→備用［8］。

采用皮帶輸送式噴砂機對金屬板材表面噴砂粗化處理。噴砂機的工作壓力為0.5～0.6 MPa，噴射角度40°～70°，鋼砂洛氏硬度為40～60，鋼砂的型號為1號，噴砂速度為70 m/s，噴砂距離控制在300 mm左右，噴砂后平均谷深為7 μm［9］。

金屬基體預(yù)熱溫度設(shè)置在90～120℃，采用靜電噴涂裝置對金屬基體表面噴涂，靜電噴涂的電流壓力為10～20 μA，電壓50～90 kV，流速壓力0.30～0.60 MPa，供粉壓力0.1～0.3 MPa，霧化壓力0.3～0.5 MPa，噴槍口距金屬基體表面100～300 mm，靜電噴涂的厚度為50 μm左右［10］。

（3）金屬基復(fù)合材料壓制成型。

將模具安裝在熱壓燒結(jié)爐上，在熱壓燒結(jié)過程中控制熱壓燒結(jié)爐參數(shù)設(shè)定，采用不同的壓力、溫度以及時間對金屬基復(fù)合材料進行壓制成型，壓制成型的工藝流程圖如圖3所示。

圖3　壓制成型工藝流程圖

將復(fù)合材料放人熱壓燒結(jié)爐中，將熱壓燒結(jié)爐的溫度在5 min內(nèi)升高到70℃對復(fù)合材料預(yù)熱處理［11］。

首先將熱壓燒結(jié)爐的壓力提高到5 MPa，對復(fù)合材料進行預(yù)壓處理，預(yù)壓5 min后將熱壓燒結(jié)爐內(nèi)的壓力卸載掉，然后熱壓燒結(jié)爐再繼續(xù)對復(fù)合材料加熱處理，并重新對復(fù)合材料加壓到5 MPa。通過預(yù)壓處理，復(fù)合材料的密度可以達到成品的80%左右［12］。

在10 min內(nèi)將熱壓燒結(jié)爐的壓力提高到6 MPa，溫度提高到240℃，在塑料熔融前進行排氣處理，卸壓排氣5 s，排氣動作要進行兩次，在排氣結(jié)束后，熱壓燒結(jié)爐繼續(xù)對復(fù)合材料加熱加壓［13］。

在30 min內(nèi)，將熱壓燒結(jié)爐內(nèi)的壓力和溫度提高到設(shè)定值，并保溫到設(shè)定的時間，在這段時間內(nèi)復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生了交聯(lián)固化反應(yīng)［14］。

卸載掉熱壓燒結(jié)爐內(nèi)的壓力，將復(fù)合材料隨爐冷卻到70℃左右脫模。

通過壓制成型得到的金屬基復(fù)合材料成型樣品如圖4所示。

圖4　金屬基復(fù)合材料樣品

1.4性能測試

采用微機控制電子萬能試驗機對復(fù)合材料進行性能測試，根據(jù)拉伸試驗的要求，首先制作一對圓柱鋼試柱，試柱的高度為100 mm，直徑為25 mm。首先用砂紙對試柱的一端與復(fù)合材料金屬基體一側(cè)進行打磨處理，然后對試柱的兩表面進行酸洗以除去表面的氧化層與銹跡，堿洗以除去試柱表面的油，最后將試柱放人酒精中清洗，清洗結(jié)束將試柱放人烘干機中進行烘干處理。所選用的粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，首先在金屬基復(fù)合材料的上、下表面分別粘上試柱，并保證兩個試柱保持在同一條直線上，然后將它們放在室溫下固化24 h，固化結(jié)束后將它們放人干燥箱中，干燥箱內(nèi)的溫度設(shè)置為80℃，時間為2 h，最后對試樣進行3次性能測試，并取3次試驗的平均值作為最后的測試結(jié)果［15］。試驗的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　金屬基復(fù)合材料的結(jié)合強度測試圖

2　結(jié)果與討論

2.1成型壓力對金屬基復(fù)合材料結(jié)合強度的影響

在金屬基復(fù)合材料制備過程中，成型壓力對復(fù)合材料結(jié)合強度的影響很大。為了分析成型壓力與結(jié)合強度之間的關(guān)系，將溫度與時間設(shè)為固定值，所設(shè)定的成型溫度為310℃，成型時間為30 min，并對熱壓燒結(jié)爐設(shè)定不同的成型壓力對復(fù)合材料進行成型試驗，然后依次進行結(jié)合強度的性能測試。成型壓力與復(fù)合材料結(jié)合強度間的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6　金屬基復(fù)合材料成型壓力與結(jié)合強度的關(guān)系

由圖6可知，金屬基體與塑料工作層間的結(jié)合強度隨成型壓力的增大先增大然后緩慢減小。這是因為當(dāng)成型壓力開始由小增大時，塑料工作層內(nèi)部的致密度逐漸增大，因此提高了復(fù)合材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效率，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部的凹坑與氣穴現(xiàn)象不斷減少，所以金屬基體與塑料工作層間的結(jié)合強度隨成型壓力的增大而增大。但是當(dāng)成型壓力增大到無法克服材料內(nèi)部變形的阻力時，會導(dǎo)致塑料工作層內(nèi)部的致密度不再提高，同時成型壓力過大會導(dǎo)致塑料工作層內(nèi)部材料不能充分流動混合，還可能會讓邊界的塑料被過大的壓力擠壓溢出，因此成型壓力再增加時反而會導(dǎo)致金屬基體與塑料工作層結(jié)合強度的下降。最佳的成型壓力為8～9 MPa。

2.2成型溫度對金屬基復(fù)合材料結(jié)合強度的影響

在金屬基復(fù)合材料制備過程中，成型溫度對于壓制成型非常重要，成型溫度可以直接決定最終成品性能。溫度升高過快會導(dǎo)致塑料工作層材料內(nèi)部膨脹不均勻?qū)е聝?nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，內(nèi)應(yīng)力過大會出現(xiàn)裂紋與斷裂現(xiàn)象。而溫度升高太慢又會導(dǎo)致成型效率低，并提高成本，因此在壓制成型過程中需要控制好成型溫度。經(jīng)過結(jié)合強度的性能測試，最終得到成型溫度與復(fù)合材料結(jié)合強度之間的關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可知，金屬基體與塑料工作層間的結(jié)合強度隨成型溫度的增大先快速增大后緩慢減小。這是因為當(dāng)成型溫度開始由低變高時，復(fù)合材料塑料工作層內(nèi)部材料流動性逐漸增大，使材料內(nèi)部的混合越來越好，同時也使塑料工作層與金屬基體之間的結(jié)合面積增大，因此結(jié)合強度隨著成型溫度的增大迅速增大，當(dāng)成型溫度為323℃時結(jié)合強度達到最大值8.61 MPa。但是當(dāng)成型溫度增大到一定程度后，塑料工作層材料間的融合程度開始下降，溫度過高甚至?xí)?dǎo)致材料的分解，因此成型溫度再增加時反而導(dǎo)致金屬基體與塑料工作層結(jié)合強度下降。

圖7　金屬基復(fù)合材料成型溫度與結(jié)合強度關(guān)系

2.3成型時間對金屬基復(fù)合材料結(jié)合強度的影響

在金屬基復(fù)合材料制備過程中，成型時間對復(fù)合材料結(jié)合強度的影響很大。成型時間過短，會導(dǎo)致塑料工作層材料沒有充分的混合，并會導(dǎo)致充模量不足。成型時間過長，塑料工作層的致密度過高，同時會降低成型的效率。當(dāng)成型溫度比較高時，再增加成型時間會導(dǎo)致復(fù)合材料分解。經(jīng)過結(jié)合強度的性能測試，繪制成型時間與復(fù)合材料結(jié)合強度的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8　金屬基復(fù)合材料成型時間與結(jié)合強度關(guān)系

由圖8可知，在30～35 min時間內(nèi)成型的金屬基復(fù)合材料的結(jié)合強度最好，在該時間段內(nèi)成型的效率較高，成型的成本也較低。

3　結(jié)論

（1）金屬基體與塑料工作層間的結(jié)合強度隨成型壓力的增大先增大然后緩慢減小，最佳的成型壓力為8～9 MPa。

（2）金屬基體與塑料工作層間的結(jié)合強度隨成型溫度的增大先快速增大然后緩慢減小，最佳的成型溫度為320～330℃。

（3）金屬基體與塑料工作層間的結(jié)合強度隨成型時間的增加先增大然后保持平衡，最佳的成型時間為30～35 min。

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Study on Preparation Technology of Metal Matrix Composites and Its Bonding Strength

Dai Yachun， Cui Pei， Luo Zhigao， Wu Bo
（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

According to the structural characteristics and performance requirements of the metal matrix composite， the corresponding experimental program was designed，and the experiment of press forming was carried out. In the press forming，the experiments with different pressure，temperature，time were carried out， a metal matrix composite with high bonding strength was prepared. The relationships between the pressure，temperature and time of the three process parameters and the bonding strength of the composite were studied by tensile test. The results show that when the pressure of the composite is between 8 MPa and 9 MPa，the forming temperature is between 320℃ and 330℃， and the forming time is between 30 min and 35 min， the bonding strength of the composite is the best.

metal matrix composite； press forming； bonding strength； forming process

TQ325.4

A

1001-3539（2016）10-0067-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.014

*鎮(zhèn)江市產(chǎn)學(xué)研項目（1721110159）

聯(lián)系人：駱志高，教授，工學(xué)博士，主要從事自潤滑復(fù)合材料成型、模具設(shè)計與制造、旋轉(zhuǎn)機械故障診斷等方而的研究

2016-07-12