2024年5月6日发(作者：休鸿博)
复合材料学报
文章编号:
第17卷 第2期 5月 2000年
ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICAVol.17 No.2 May2000
1000-3851(2000)02-0038-04
SiC
颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究
袁广江,章文峰,王殿斌,桂满昌,吴洁君
(北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095)
摘 要: 采用真空搅拌铸造法制备了20vol%SiC颗粒增强A356基复合材料。SiC颗粒在基体中分布均匀,材料
抗拉强度319
MPa
,弹性模量98.9
GPa
,延伸率1.4%。采用聚晶金刚石-
PCD
刀具,在切削速度
v
=30～40
m
/
min
时,复合材料对刀具损耗最小,工件表面粗糙度良好。
关键词: 真空搅拌铸造;切削性能;SiC颗粒增强;铝基复合材料
中图分类号: TB331;TG711 文献标识码:A
PREPARATIONANDCUTTINGPROPERTYOFSiCPARTICLES
REINFORCEDALUMINUMMATRIXCOMPOSITE
YUANGuang-jiang,ZHANGWen-feng,WANGDian-bin,GUIMan-chang,WUJie-jun
(NationalKeyLaboratoryofAdvancedComposites,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095)
Abstract: TheA356matrixcompositesreinforcedby20vol%SiCparticulateswerefabricatedby
e
%.
Basedonstrengthofthecompositeis
319
MPa
,
elasticmodulusis
98.9
MPa
,
andelongationis
1.4
thetestofPCDtoolcuttingSiCparticlesreinforcedaluminummatrixcomposite
,
thearticlepointsout
thatthebesttotalefficiencycanbeobtainedwhenthecuttingvelocityis30～40m/min.
Keywords: vacuumstirringcasting;cuttingperformance;SiCparticlesreinforced;aluminumma-
trixcomposites
碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强
度、比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等
优良特性,而且还具有各向同性,并能适用于不同
的加工方法,如挤压、锻造和轧制成各种型材等
[1]
,
在航天航空和汽车工业上有广阔的应用前景。然而
℃以下
SiC
颗粒与铝液之间的湿润性较差,在1000
基本不润湿
[2,3]
,给制备
SiC
颗粒增强复合材料带来
一定的困难。本文采用真空搅拌铸造法成功解决了
SiC颗粒与铝液润湿问题,制备了SiC颗粒在基体
中弥散分布的复合材料,并获得了优异复合材料最
终性能。此外,本文作者对SiC颗粒增强铝基复合材
料机械加工性能进行了研究,优化出了
PCD
刀具加
工颗粒复合材料最佳切削速度范围。
SiC
98.0
min
.
呈多角形态,化学成分如表1所示。基体合金为
A
356,其化学成分如表2所示。最终制备复合材料
为20
vol
%
SiC
颗粒增强
A
356基体复合材料。
表1
SiC
颗粒化学成分(
wt
%)
ChemicalcompositionofSiCparticulates
(
wt
%)
Table
1
FreeSi
0.3
max
.
FreeSiO
2
0.5
max
.
FreeC
0.2
max
.
Fe(total)
0.2
max
.
表2 基体A356化学成分(wt%)
Table2 Chemicalcompositionof
matrixA356alloy(wt%)
SiFeCuMnMgZnTi
Allother
elements
Al
6.50～0.150.200.100.30～0.100.200.15tot.
.
7.50
max
.
max
.
max
.0.45
max
.
max
.0.05
max
.
REM
1 实验研究方法
1.1 实验材料
实验所用
SiC
颗粒为
T
型,尺寸为10～14
μm
,
收稿日期:1998-09-01;收修改稿日期:1999-03-08
基金项目:国家863项目资助
作者介绍:袁广江(1971),男,硕士,工程师,从事复合材料研究。
1.2 真空搅拌铸造技术
SiC颗粒增强铝基复合材料的制备示意图如图
1所示。
袁广江,等:
SiC
颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究
·39·
实验中,铝熔体中加入了8%Mg、2%Ce等活性
元素,另外还加入了3%的无机化合物使其在
SiC
颗粒表面生成界面反应层,从而改善
SiC
颗粒与铝
液间的润湿性能,再通过机械搅拌提供的机械力将
团聚SiC颗粒弥散分布于铝熔体中。
实验中,保持10
Torr
的真空度,以避免搅拌时
卷入气体。
2.2 SiC颗粒增强铝基复合材料显微组织
图2为20
vol
%
SiC
/
A
356复合材料的显微组
1—;2—crucible;3—heater;4—shell;5—lining;
6—impeller;7—cover;8—motorsupport
图1 真空搅拌铸造炉结构示意图
Fig
.1
Schematicdrawingofvacuumstirringcastingequipment
织。可以看出,
SiC
颗粒均匀弥散在基体上,分布是
随机的没有明显的成堆聚集出现。由图3复合材料
的TEM组织可以看出,SiC颗粒与基体之间的界面
清晰,结合良好,没有脱开的现象。这表明,使用真
空搅拌铸造法,能使铝液与SiC颗粒润湿复合,得到
致密的SiC颗粒增强铝基复合材料。
首先将A356铸锭放入坩埚内熔化,N
2
除气
5min,之后将300℃干燥8h的SiC粉注入坩埚内铝
液上部,盖上炉盖,放入搅拌器,搅拌2
h
后浇铸。复
合材料进行T6热处理,在540℃固溶处理保温12h
后,在70～80℃水中淬火。在170℃时效保温6h后
空冷。
1.3 切削复合材料实验条件
试件为航天用产品。实验刀具用美国通用公司
生产的粗颗粒PCD复合片制成,其几何参数及机械
物理性能参数分别如表3、表4所示
[4～6]
。
表3 PCD刀具的几何参数
GeometryparametersofPCDtoolsTable
3
frontangle
-6°
backanglemaindipanglearcradiusoftooltip
6°70°0.1mm
图2 20vol%SiC/A356复合材料显微组织
OMmicrographof
20
vol
%
SiC
/
A
356
compositeFig
.2
实验在CKM6132精密型车床上进行。测力时,
采用了Kister测力仪、Kistler电荷放大器及SC16
型光线示波器组成的测力系统。
2 实验结果和分析
2.1
SiC
颗粒与铝液间润湿的影响因素
[7]
SiC
和铝液的接触角
θ
=118°
>90°,说明
SiC
颗粒和铝液润湿不好,倾向于自我团聚,这将引发许
多问题,如造成复合困难,晶间易形成显微孔洞,力
学性能下降等。本文利用真空搅拌铸造法成功地解
决了
SiC
颗粒与铝液的润湿问题。
表4
PCD
刀具的机械物理性能
Hardness
HV
6500～8000
Bending
strength
/
MPa
2800
Compressive
strength
/
MPa
4200
图3 20vol%SiC/A356复合材料TEM组织
Fig.3 TEMmicrographof20vol%SiC/A356composite
PropertiesofPCDtoolsTable
4
Elastic
modulus
/
GPa
560
CTE
/10
-6
·
F
-1
3～3.6
Thermalconductivity
/
W
·(
cm
·
K
)
-1
100～109
·40·
复 合 材 料 学 报
2.3 SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能
20
vol
%
SiC
颗粒增强
A
356基复合材料室温力
学性能如表5所示。
表5 20vol%SiC颗粒增强A356基
复合材料室温力学性能
Table5 Mechanicalpropertiesof
20vol%SiC/A356composite
Materials
A356
20vol%SiC/A356
e
b
e
0.2
E
/MPa/MPa/GPa
276
319
200
290
75.2
98.9
W
/%
6.0
1.4
Fracture
strain/%
—
0.78
这些因素导致F
z
较小。
图5所示为切削速度对切削复合材料时动态力
的影响。可以看出,切削复合材料时,振动现象十
分明显,这是由于F
y
是影响振动的主要因素。在切
削复合材料时,F
y
又远大于其它两个分力,从而导
致系统产生振动。复合材料中硬度分布不均匀,在
一定程度上也加剧了振动。
由表中可知,与基体性能相比较,复合材料拉伸
强度提高了12%,屈服强度提高了45%,延伸率急
剧下降到1.4%。这主要是由于细小SiC颗粒在基
体弥散分布,严重阻碍了位错运动,强化了基体造成
的。
2.4 切削速度对加工SiC颗粒增强复合材料影响
2.4.1 切削速度对切削力的影响
图5 切削速度与动态力的关系曲线
Fig.5 Relationshipbetweencuttingvelocityanddynamicstress
Tool:PCD;Workpiece:20vol%SiC/A356composite;
Coolingliquid:Emulsionf=0.12mm/r,a
p
=0.10mm
2.4.2 切削速度与切削长度、刀具耐用度的关系
PCD
刀具的硬度随温度升高而降低。当温度到
达700℃时,PCD刀具开始石墨化,硬度迅速下降,
刀具失效。PCD刀具在切削SiC增强铝基复合材料
过程中,随着切削速度的提高,切削温度明显升高。
当切削速度大于40m/min时,切削温度达到500℃,
刀具磨损加剧,已不能继续切削。这是由于所测温度
图4 切削速度与静态力的关系曲线
Fig.4 Relationshipbetweencuttingvelocityandstaticstress
:
PCD
;
Workpiece
:20
vol
%
SiC
/
A
356
composite
;
Tool
Coolingliquid:Emulsionf=0.12mm/r,a
p
=0.10mm
为距刀尖2mm以上的温度,当测量点温度达到
500℃时,刀尖温度已达到700℃,刀具开始石墨化,
所以切削复合材料时切削速度不能大于40mm/
min。
图6所示为切削速度与切削长度及刀具耐用度
的关系曲线。从图中可以看出,刀具寿命随着切削速
度的升高急剧下降。刀具磨损主要表现为刃口上的
微小晶粒在切削力作用下首先脱落,在刃口附近出
现凹凸不平的脱落痕迹,形成刀具刃口磨损。由于车
削SiC增强铝基复合材料时刀具所受径向切削力较
大,复合材料中又存在较多的SiC硬质相,两者共同
作用造成刀具后面磨损。刀具磨损到一定程度刃口
变钝,切削力剧增,继续切削,则将出现刀尖崩刃,最
终导致刀具报废。
因此,加工SiC颗粒增强铝基复合材料时切削
速度存在最佳范围,低于或者高于这个范围,刀具
的寿命都会急剧降低,较低的切削速度还会导致表
图4为进给量
f
=0.12
mm
/
r
,切削深度
a
p
=
0.10
mm
,采用乳化液作为切削液时切削速度与静
态力之间的关系曲线。从图中可以看出,三向切削力
F
x
、F
y
、F
z
均随切削速度v的增大而增大。这是因为
随着切削速度的增加,材料的应变率增大,单位时
间内的切削体积增大,导致切削力随切削速度的增
大而增大。另外F
y
远远大于F
x
和F
z
,这与金属切
削情况截然不同,之所以出现这种情况,一般认为
由于此复合材料含有高体积百分数高硬度
SiC
所
致。另外,复合材料的抗压强度大于抗拉强度也导
致F
y
远大于其它两个分力。在切削过程中产生崩碎
切屑,且集中在刀具附近,切屑与前刀面的接触面
积小,磨擦力较小,切屑去除的方式是脆性断裂,
袁广江,等:
SiC
颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究
·41·
于基体中,具有优良的综合机械性能。
(2)PCD刀具切削20vol%SiC/A356复合材
料存在最佳切削速度,较高或者较低的切削速度都
会显著降低刀具使用寿命。切削速度在30～40m/
min
范围内,复合材料各项机加性能指标均处于较
佳状态。
参 考 文 献
[1] LogsdonWA,e,fracturetoughnessandfa-
tiguecrackgrowthratepropertiesofsiliconcarbidewhiskerand
particulatereinforcedaluminummetalmatrixcomposites
[
J
].
图6 切削速度与切削长度、刀具耐用度的关系
Fig.6Relationshipofcuttingvelocityvscuttinglengthandtoollife
Tool:PCD;Workpiece:20vol%SiC/A356composite;
Coolingliquid:Emulsionf=0.12mm/r,a
p
=0.10mm
Bluntstandard:VB=0.28mm
EngFractureMech,1986,24(5):737～751.
[2] LaurentV,ChatainD,ilityofSiCby
aluminiumandAl-Sialloys[J].JMaterSci,1987,22(1):244
～250.
[3] EhrstromJC,tionofrapidlysolidifiedAl/
SiCcomposites[J].JMaterSci,1988,23(9):3195～3201.
[4] LecM,deformationtwinbandsinthe
:
Ludemawearprocessesofpolycrystallinediamondtools
[
C
].
In
KC
,
GlaserWA
,
RheeSKeds
.
Theinternationalconference
onwearofmaterials.1979.16～18:485～491.
[5] 尹洁华,王守安.第四界中国国际机床展览会(CIMT’95)展出
的切削刀具[J].工具技术,1996,30(1):2～13.
[6]
AytacogluME
.
PCDcuttingtoolsgainingmomentum
[
J
].
Cut-
tingToolEngineering,1983,35(5～6):49～55.
[7] OhSY,CornieJA,gofceramicparticu-
lateswithliquidaluminumalloys[J].MetallTransA,1989,
20
A
(3):527～541.
面粗糙度增大。从图6中可以看出,当
v
=30～
40m/min时,切削长度最长,刀具寿命也较高。此
时静态和动态力都较低。尽管在这个速度下,切削
效率不是很高,但刀具成本、切削长度、表面粗糙度
和切削力等均处于较佳状态。因此采用PCD刀具加
工SiC颗粒增强铝基复合材料时,推荐的合理切削
速度范围为30～40
m
/
min
。
3 结 论
(1)采用真空搅拌铸造法,可以制备出20vol%
SiC颗粒增强A356基体复合材料,颗粒弥散分布
(上接第33页)
2 国外在复合材料结构研究领域热点课题介绍与评价
国际复合材料结构会议是一个多学科学术交流会议,由于涉及领域较宽,本报告仅就复合材料及其结构
分析理论和实验研究领域相关的1,4,5,7,8,9,10,14和15等专题的国外研究动态作一介绍和评估。
从本届大会分组报告所涉及的研究领域可知,目前国际复合材料结构研究的热点为下列几个方面。
2.1 智能材料和结构
智能材料和结构研究是一项多学科交叉的综合科学研究,其研究内容与近代材料学、物理学、化学、力
学、电子学、人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术及控制论等前沿科学及高技术研究密切相
关,在本次会议分组报告中约有七个专题中13篇论文都涉及到此项研究领域。其研究内容包括:
●
压电智能复合材料:
(1)压电双材料系的断裂分叉问题研究;
(2)含压电驱动器结构的振动控制问题研究;
(3)含压电材料层合结构优化问题研究。
(下转第45页)
2024年5月6日发(作者：休鸿博)
复合材料学报
文章编号:
第17卷 第2期 5月 2000年
ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICAVol.17 No.2 May2000
1000-3851(2000)02-0038-04
SiC
颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究
袁广江,章文峰,王殿斌,桂满昌,吴洁君
(北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095)
摘 要: 采用真空搅拌铸造法制备了20vol%SiC颗粒增强A356基复合材料。SiC颗粒在基体中分布均匀,材料
抗拉强度319
MPa
,弹性模量98.9
GPa
,延伸率1.4%。采用聚晶金刚石-
PCD
刀具,在切削速度
v
=30～40
m
/
min
时,复合材料对刀具损耗最小,工件表面粗糙度良好。
关键词: 真空搅拌铸造;切削性能;SiC颗粒增强;铝基复合材料
中图分类号: TB331;TG711 文献标识码:A
PREPARATIONANDCUTTINGPROPERTYOFSiCPARTICLES
REINFORCEDALUMINUMMATRIXCOMPOSITE
YUANGuang-jiang,ZHANGWen-feng,WANGDian-bin,GUIMan-chang,WUJie-jun
(NationalKeyLaboratoryofAdvancedComposites,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095)
Abstract: TheA356matrixcompositesreinforcedby20vol%SiCparticulateswerefabricatedby
e
%.
Basedonstrengthofthecompositeis
319
MPa
,
elasticmodulusis
98.9
MPa
,
andelongationis
1.4
thetestofPCDtoolcuttingSiCparticlesreinforcedaluminummatrixcomposite
,
thearticlepointsout
thatthebesttotalefficiencycanbeobtainedwhenthecuttingvelocityis30～40m/min.
Keywords: vacuumstirringcasting;cuttingperformance;SiCparticlesreinforced;aluminumma-
trixcomposites
碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强
度、比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等
优良特性,而且还具有各向同性,并能适用于不同
的加工方法,如挤压、锻造和轧制成各种型材等
[1]
,
在航天航空和汽车工业上有广阔的应用前景。然而
℃以下
SiC
颗粒与铝液之间的湿润性较差,在1000
基本不润湿
[2,3]
,给制备
SiC
颗粒增强复合材料带来
一定的困难。本文采用真空搅拌铸造法成功解决了
SiC颗粒与铝液润湿问题,制备了SiC颗粒在基体
中弥散分布的复合材料,并获得了优异复合材料最
终性能。此外,本文作者对SiC颗粒增强铝基复合材
料机械加工性能进行了研究,优化出了
PCD
刀具加
工颗粒复合材料最佳切削速度范围。
SiC
98.0
min
.
呈多角形态,化学成分如表1所示。基体合金为
A
356,其化学成分如表2所示。最终制备复合材料
为20
vol
%
SiC
颗粒增强
A
356基体复合材料。
表1
SiC
颗粒化学成分(
wt
%)
ChemicalcompositionofSiCparticulates
(
wt
%)
Table
1
FreeSi
0.3
max
.
FreeSiO
2
0.5
max
.
FreeC
0.2
max
.
Fe(total)
0.2
max
.
表2 基体A356化学成分(wt%)
Table2 Chemicalcompositionof
matrixA356alloy(wt%)
SiFeCuMnMgZnTi
Allother
elements
Al
6.50～0.150.200.100.30～0.100.200.15tot.
.
7.50
max
.
max
.
max
.0.45
max
.
max
.0.05
max
.
REM
1 实验研究方法
1.1 实验材料
实验所用
SiC
颗粒为
T
型,尺寸为10～14
μm
,
收稿日期:1998-09-01;收修改稿日期:1999-03-08
基金项目:国家863项目资助
作者介绍:袁广江(1971),男,硕士,工程师,从事复合材料研究。
1.2 真空搅拌铸造技术
SiC颗粒增强铝基复合材料的制备示意图如图
1所示。
袁广江,等:
SiC
颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究
·39·
实验中,铝熔体中加入了8%Mg、2%Ce等活性
元素,另外还加入了3%的无机化合物使其在
SiC
颗粒表面生成界面反应层,从而改善
SiC
颗粒与铝
液间的润湿性能,再通过机械搅拌提供的机械力将
团聚SiC颗粒弥散分布于铝熔体中。
实验中,保持10
Torr
的真空度,以避免搅拌时
卷入气体。
2.2 SiC颗粒增强铝基复合材料显微组织
图2为20
vol
%
SiC
/
A
356复合材料的显微组
1—;2—crucible;3—heater;4—shell;5—lining;
6—impeller;7—cover;8—motorsupport
图1 真空搅拌铸造炉结构示意图
Fig
.1
Schematicdrawingofvacuumstirringcastingequipment
织。可以看出,
SiC
颗粒均匀弥散在基体上,分布是
随机的没有明显的成堆聚集出现。由图3复合材料
的TEM组织可以看出,SiC颗粒与基体之间的界面
清晰,结合良好,没有脱开的现象。这表明,使用真
空搅拌铸造法,能使铝液与SiC颗粒润湿复合,得到
致密的SiC颗粒增强铝基复合材料。
首先将A356铸锭放入坩埚内熔化,N
2
除气
5min,之后将300℃干燥8h的SiC粉注入坩埚内铝
液上部,盖上炉盖,放入搅拌器,搅拌2
h
后浇铸。复
合材料进行T6热处理,在540℃固溶处理保温12h
后,在70～80℃水中淬火。在170℃时效保温6h后
空冷。
1.3 切削复合材料实验条件
试件为航天用产品。实验刀具用美国通用公司
生产的粗颗粒PCD复合片制成,其几何参数及机械
物理性能参数分别如表3、表4所示
[4～6]
。
表3 PCD刀具的几何参数
GeometryparametersofPCDtoolsTable
3
frontangle
-6°
backanglemaindipanglearcradiusoftooltip
6°70°0.1mm
图2 20vol%SiC/A356复合材料显微组织
OMmicrographof
20
vol
%
SiC
/
A
356
compositeFig
.2
实验在CKM6132精密型车床上进行。测力时,
采用了Kister测力仪、Kistler电荷放大器及SC16
型光线示波器组成的测力系统。
2 实验结果和分析
2.1
SiC
颗粒与铝液间润湿的影响因素
[7]
SiC
和铝液的接触角
θ
=118°
>90°,说明
SiC
颗粒和铝液润湿不好,倾向于自我团聚,这将引发许
多问题,如造成复合困难,晶间易形成显微孔洞,力
学性能下降等。本文利用真空搅拌铸造法成功地解
决了
SiC
颗粒与铝液的润湿问题。
表4
PCD
刀具的机械物理性能
Hardness
HV
6500～8000
Bending
strength
/
MPa
2800
Compressive
strength
/
MPa
4200
图3 20vol%SiC/A356复合材料TEM组织
Fig.3 TEMmicrographof20vol%SiC/A356composite
PropertiesofPCDtoolsTable
4
Elastic
modulus
/
GPa
560
CTE
/10
-6
·
F
-1
3～3.6
Thermalconductivity
/
W
·(
cm
·
K
)
-1
100～109
·40·
复 合 材 料 学 报
2.3 SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能
20
vol
%
SiC
颗粒增强
A
356基复合材料室温力
学性能如表5所示。
表5 20vol%SiC颗粒增强A356基
复合材料室温力学性能
Table5 Mechanicalpropertiesof
20vol%SiC/A356composite
Materials
A356
20vol%SiC/A356
e
b
e
0.2
E
/MPa/MPa/GPa
276
319
200
290
75.2
98.9
W
/%
6.0
1.4
Fracture
strain/%
—
0.78
这些因素导致F
z
较小。
图5所示为切削速度对切削复合材料时动态力
的影响。可以看出,切削复合材料时,振动现象十
分明显,这是由于F
y
是影响振动的主要因素。在切
削复合材料时,F
y
又远大于其它两个分力,从而导
致系统产生振动。复合材料中硬度分布不均匀,在
一定程度上也加剧了振动。
由表中可知,与基体性能相比较,复合材料拉伸
强度提高了12%,屈服强度提高了45%,延伸率急
剧下降到1.4%。这主要是由于细小SiC颗粒在基
体弥散分布,严重阻碍了位错运动,强化了基体造成
的。
2.4 切削速度对加工SiC颗粒增强复合材料影响
2.4.1 切削速度对切削力的影响
图5 切削速度与动态力的关系曲线
Fig.5 Relationshipbetweencuttingvelocityanddynamicstress
Tool:PCD;Workpiece:20vol%SiC/A356composite;
Coolingliquid:Emulsionf=0.12mm/r,a
p
=0.10mm
2.4.2 切削速度与切削长度、刀具耐用度的关系
PCD
刀具的硬度随温度升高而降低。当温度到
达700℃时,PCD刀具开始石墨化,硬度迅速下降,
刀具失效。PCD刀具在切削SiC增强铝基复合材料
过程中,随着切削速度的提高,切削温度明显升高。
当切削速度大于40m/min时,切削温度达到500℃,
刀具磨损加剧,已不能继续切削。这是由于所测温度
图4 切削速度与静态力的关系曲线
Fig.4 Relationshipbetweencuttingvelocityandstaticstress
:
PCD
;
Workpiece
:20
vol
%
SiC
/
A
356
composite
;
Tool
Coolingliquid:Emulsionf=0.12mm/r,a
p
=0.10mm
为距刀尖2mm以上的温度,当测量点温度达到
500℃时,刀尖温度已达到700℃,刀具开始石墨化,
所以切削复合材料时切削速度不能大于40mm/
min。
图6所示为切削速度与切削长度及刀具耐用度
的关系曲线。从图中可以看出,刀具寿命随着切削速
度的升高急剧下降。刀具磨损主要表现为刃口上的
微小晶粒在切削力作用下首先脱落,在刃口附近出
现凹凸不平的脱落痕迹,形成刀具刃口磨损。由于车
削SiC增强铝基复合材料时刀具所受径向切削力较
大,复合材料中又存在较多的SiC硬质相,两者共同
作用造成刀具后面磨损。刀具磨损到一定程度刃口
变钝,切削力剧增,继续切削,则将出现刀尖崩刃,最
终导致刀具报废。
因此,加工SiC颗粒增强铝基复合材料时切削
速度存在最佳范围,低于或者高于这个范围,刀具
的寿命都会急剧降低,较低的切削速度还会导致表
图4为进给量
f
=0.12
mm
/
r
,切削深度
a
p
=
0.10
mm
,采用乳化液作为切削液时切削速度与静
态力之间的关系曲线。从图中可以看出,三向切削力
F
x
、F
y
、F
z
均随切削速度v的增大而增大。这是因为
随着切削速度的增加,材料的应变率增大,单位时
间内的切削体积增大,导致切削力随切削速度的增
大而增大。另外F
y
远远大于F
x
和F
z
,这与金属切
削情况截然不同,之所以出现这种情况,一般认为
由于此复合材料含有高体积百分数高硬度
SiC
所
致。另外,复合材料的抗压强度大于抗拉强度也导
致F
y
远大于其它两个分力。在切削过程中产生崩碎
切屑,且集中在刀具附近,切屑与前刀面的接触面
积小,磨擦力较小,切屑去除的方式是脆性断裂,
袁广江,等:
SiC
颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究
·41·
于基体中,具有优良的综合机械性能。
(2)PCD刀具切削20vol%SiC/A356复合材
料存在最佳切削速度,较高或者较低的切削速度都
会显著降低刀具使用寿命。切削速度在30～40m/
min
范围内,复合材料各项机加性能指标均处于较
佳状态。
参 考 文 献
[1] LogsdonWA,e,fracturetoughnessandfa-
tiguecrackgrowthratepropertiesofsiliconcarbidewhiskerand
particulatereinforcedaluminummetalmatrixcomposites
[
J
].
图6 切削速度与切削长度、刀具耐用度的关系
Fig.6Relationshipofcuttingvelocityvscuttinglengthandtoollife
Tool:PCD;Workpiece:20vol%SiC/A356composite;
Coolingliquid:Emulsionf=0.12mm/r,a
p
=0.10mm
Bluntstandard:VB=0.28mm
EngFractureMech,1986,24(5):737～751.
[2] LaurentV,ChatainD,ilityofSiCby
aluminiumandAl-Sialloys[J].JMaterSci,1987,22(1):244
～250.
[3] EhrstromJC,tionofrapidlysolidifiedAl/
SiCcomposites[J].JMaterSci,1988,23(9):3195～3201.
[4] LecM,deformationtwinbandsinthe
:
Ludemawearprocessesofpolycrystallinediamondtools
[
C
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In
KC
,
GlaserWA
,
RheeSKeds
.
Theinternationalconference
onwearofmaterials.1979.16～18:485～491.
[5] 尹洁华,王守安.第四界中国国际机床展览会(CIMT’95)展出
的切削刀具[J].工具技术,1996,30(1):2～13.
[6]
AytacogluME
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PCDcuttingtoolsgainingmomentum
[
J
].
Cut-
tingToolEngineering,1983,35(5～6):49～55.
[7] OhSY,CornieJA,gofceramicparticu-
lateswithliquidaluminumalloys[J].MetallTransA,1989,
20
A
(3):527～541.
面粗糙度增大。从图6中可以看出,当
v
=30～
40m/min时,切削长度最长,刀具寿命也较高。此
时静态和动态力都较低。尽管在这个速度下,切削
效率不是很高,但刀具成本、切削长度、表面粗糙度
和切削力等均处于较佳状态。因此采用PCD刀具加
工SiC颗粒增强铝基复合材料时,推荐的合理切削
速度范围为30～40
m
/
min
。
3 结 论
(1)采用真空搅拌铸造法,可以制备出20vol%
SiC颗粒增强A356基体复合材料,颗粒弥散分布
(上接第33页)
2 国外在复合材料结构研究领域热点课题介绍与评价
国际复合材料结构会议是一个多学科学术交流会议,由于涉及领域较宽,本报告仅就复合材料及其结构
分析理论和实验研究领域相关的1,4,5,7,8,9,10,14和15等专题的国外研究动态作一介绍和评估。
从本届大会分组报告所涉及的研究领域可知,目前国际复合材料结构研究的热点为下列几个方面。
2.1 智能材料和结构
智能材料和结构研究是一项多学科交叉的综合科学研究,其研究内容与近代材料学、物理学、化学、力
学、电子学、人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术及控制论等前沿科学及高技术研究密切相
关,在本次会议分组报告中约有七个专题中13篇论文都涉及到此项研究领域。其研究内容包括:
●
压电智能复合材料:
(1)压电双材料系的断裂分叉问题研究;
(2)含压电驱动器结构的振动控制问题研究;
(3)含压电材料层合结构优化问题研究。
(下转第45页)