CN102139361A - 一种Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其步骤是：(1)称取除Pb以外的其他组分，并使之熔化，(2)加入Pb块，待熔化后精炼，(3)强烈搅拌，形成组织均匀的半固态悬浮浆料，(4)填入预热的模具中，冷却压铸即形成所需的材料。本制备方法可获得Pb相成细小颗粒并分布均匀的Al-Pb合金，是一种短流程、所得产品性能优异、成本低的Al-Pb合金轴瓦材料的半固态流变成形制备方法。

Description

一种Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金轴瓦材料的制备方法，具体涉及一种半固态流变成形方法。

背景技术

Al-Pb轴瓦材料具有高的抗疲劳强度和高承载能力，与巴氏合金轴瓦材料相比，具有更低的磨损率、良好的防抱死性能和减磨性能，可靠的承载能力和强的适应性，在高性能发动机、轴承等耐磨、减慢机构上具有更为广阔的应用范围。

但是，Al-Pb轴瓦材料属于偏晶合金，且Pb和Al的比重差别大，而此材料只有当Pb颗粒细小并均匀分布的情况下才能发挥其优异的性能。采用传统铸造法铸造时，会产生严重的宏观偏析甚至分层现象，很难得到组织均匀的材料，商业化应用的Al-Pb轴瓦材料大多采用粉末冶金的方法来制备，但该方法工艺流程长、复杂，所得产品成本高。

半固态流变成形是20世纪70年代初开发的一种新型金属材料的成形方法，该方法是将合金也在半固态温度进行搅拌，获得初生相为非枝晶，最好为球状的细小颗粒悬浮于液态金属中的半固态浆料，然后压铸成形。因非枝晶浆料的独特性，可以得到少缩松、甚至无缩松的组织致密、细小的近净型零件。粉末冶金法所得材料Pb的含量受到限制，一般不超过10％，但只有当Al-Pb合金的含铅量＞10％时，Pb对磨损特性才有较明显的作用，而半固态流变成形能够获得Pb含量30％以上的材料。目前，利用半固态流变成形制备诸如Al-Pb等偏晶合金的研究甚少。国外仅有英国Brunel大学的Fan采用基于注塑机改造的双螺旋流变成形技术，但所用设备十分复杂。在国内有倾斜铸造法和电磁搅拌铸造法，这两种方法虽然在合金流入铸型时为半固态，但因半固态浆料粘度大，很难形成组织致密的且形状复杂，尤其是薄壁的材料(轴瓦材料在应用时是在钢瓦上背一薄层)。另外，从半固态流变成形的工艺步骤看，半固态浆料必须是在外来下，如压、挤、锻、轧下成形。而这两种方法仅是浆料在重力下流入金属型凝固即可，也就是说它们不属于半固态流变成形的范畴。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在于克服上述制备工艺的缺陷，提供一种短流程、产品性能优异、成本低的Al-Pb合金轴瓦材料的半固态流变成形制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其步骤是：(1)称取除Pb以外的其他组分，并使之熔化，(2)加入Pb块，待熔化后精炼，(3)强烈搅拌，形成组织均匀的半固态悬浮浆料，(4)填入预热的模具中，冷却压铸即形成所需的材料。

进一步改进为，步骤(2)中，所述精炼为六氯乙烷法。用六氯乙烷精炼后，扒渣，在650-750℃下倒入搅拌装置。

步骤(3)中，所述搅拌采用双筒式机械搅拌器。所述搅拌的速度为500-1500转/分。所述搅拌的温度为合金的熔点之下570-630℃。所述搅拌的时间为5-20分钟。搅拌方向为单方向旋转，搅拌器的外筒内面与内筒外面均有螺纹，内筒由电机带动，外筒固定，铝铅合金金液在内、外筒缝隙之间受剧烈剪切、搅拌作用，从而制备出Pb液滴细小、均匀悬浮的半固态金属浆料。

再者，步骤(4)中，所述模具的预热温度为150-250℃。步骤(4)中，所述冷却压铸的速度为1-9米/秒。在适当的温度下打开搅拌器出料口，使其迅速流入一钢制容器中，倒入经预热的压铸机压室中，开动压铸机使其填入预热的模具中，冷却压铸形成所需的板材或块体材料。压铸机为传统的卧式压铸机，其压室要有加热功能。

半固态流变成形Al-Pb合金轴瓦材料的配方为(重量比)，

(1)Al-Si-Cu-Zn-Pb：3％Si，0.8％Cu，3.5％Zn，(0-30)％Pb，余量是Al；

(2)Al-Si-Cu-Sn-Pb：4％Si，1％Cu，1.5％Sn，(0-30)％Pb，余量是Al。

可根据轴瓦的性能要求及结构(整体、双金属、三层金属)选择不同系列铝铅系合金。

铝铅合金中所添加金属的作用是：铅和锡作为软相存在于基体中，可增加合金的润滑性、抗咬合性，适应性及嵌入性；嵌入性即材料可嵌进灰尘和外来微粒，能防止轴的表面擦伤和磨损。铅还可改善合金的表面性能，增加与润滑油的亲和性和工作顺应性；锡也可改善合金的表面性能，增强软相的抗腐蚀能力；铜是合金的强化元素，可提高基体的力学性能，增加其负载能力，抗疲劳性能等；硅是合金的硬化元素，分散于基体中，可改善合金的高温抗蠕变性能、抗磨损能力和防抱死性能；锌可调整合金的显微组织，改善合金的力学、加工性能。

由于合金的负荷能力、疲劳强度与抗咬合性、适应性及嵌入性是相矛盾的性能，上述合金成分可协调其关系，并得到具有较好的综合性能的产品。

对于Al-Pb合金来说，采用双筒式机械搅拌所得半固态浆料不仅能够满足半固态流变成形的需要，更重要的是Pb被搅成细小的液滴并均匀分布在半固态铝合金浆料中。因半固态浆料的粘度大，在将半固态浆料从搅拌装置移至压铸机压室以及充型后的凝固过程中，本制备方法均可有效预防Pb液滴的凝并、下沉。另外，因合金液已有一半左右的凝固成固相(非枝晶或球状颗粒)，与传统的液态压铸相比，其凝固速度快，也会大大缩短Pb液滴凝并、下沉的时间，在这两方面的作用下，本制备方法可获得Pb相成细小颗粒并分布均匀的Al-Pb合金。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法的双筒式机械搅拌设备；

图2是Al-Si-Cu-Zn-Pb系，含铅量20％的合金的金相组织图；

图3a是Al-Si-Cu-Sn-Pb系，含铅量20％的合金的金相组织图(搅拌温度570℃)；

图3b是Al-Si-Cu-Sn-Pb系，含铅量20％的合金的金相组织图(搅拌温度630℃)；

图4a是Al-Si-Cu-Sn-Pb系，含铅量20％的合金的金相组织图(搅拌速度500转/分)；

图4b是Al-Si-Cu-Sn-Pb系，含铅量20％的合金的金相组织图(搅拌速度1500转/分)；

图5a是Al-Si-Cu-Sn-Pb系，含铅量10％的合金的金相组织图；

图5b是Al-Si-Cu-Sn-Pb系，含铅量30％的合金的金相组织图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

配制合金总量为1.5千克，基体合金的成分为0.8％Cu，3％Si，3.5％Zn，含铅量20％，余量为铝(重量比)；按上述成分配料(除Pb外)，在电阻炉中熔化，在720℃下加入Pb块，待其熔化后，用六氯乙烷精炼，扒渣后，保温5分钟；在700℃时，倒入双筒式机械搅拌装置(如图1所示)中以1000转/分强烈搅拌10分钟，形成组织均匀的半固态悬浮浆料；在595℃下打开出料口，使其迅速流入一钢制容器中，并倒入经420℃预热的压铸机压室中，开动压铸机使其填入200℃预热的模具中，形成所需的板材或块体材料。产品的金相显微组织如图2所示，球状颗粒的铅均匀分布在铝基体合金中，其机械性能硬度为HV＝196，屈服强度σ_0.2＝253Mpa。磨损率1.734m³(N.m)^-1.10^-14。

如图1所示，双筒式机械搅拌装置包括电机1、内筒2、外筒3、保温坩埚4、出料口5、支撑架6和底座7等，其搅拌方向为单方向旋转，搅拌器的外筒3内面与内筒2外面均有螺纹，内筒2由电机1带动，外筒3固定，铝铅合金金液在内、外筒缝隙之间受剧烈剪切、搅拌作用，从而制备出Pb液滴细小、均匀悬浮的半固态金属浆料。

实施例2

对搅拌温度的考察：配制合金总量为1.5千克，基体合金的成分为0.8％Cu，3％Si，3.5％Sn，含铅量20％，余量为铝(重量比)，采用与实施例1相同的方法冶炼，但搅拌的温度为630℃和570℃。图3a(570℃)和图3b(630℃)显示，金相组织的球状或团聚状铅颗粒均匀分布在铝合金的基体中。

实施例3

对搅拌速度的考察：配制合金总量为1.5千克，基体合金的成分为0.8％Cu，3％Si，3.5％Sn，含铅量20％，余量为铝(重量比)，采用与实施例1相同的方法冶炼，但搅拌速度为500转/分和1500转/分。图4a(500转/分)和4b(1500转/分)显示，金相组织的球状或团聚状铅颗粒均匀分布在铝合金的基体中。

实施例4

对含铅量的考察：配制合金总量为1.5千克，基体合金的成分为0.8％Cu，3％Si，3.5％Sn，余量为铝(重量比)，铅的加入量分别为10％、30％。采用与实施例1相同的方法冶炼，浇注在尺寸为

的金属型中。图5a(10％)和5b(30％)显示，金相组织的球状或团聚状铅颗粒均匀分布在铝合金的基体中。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其步骤是：(1)称取除Pb以外的其他组分，并使之熔化，(2)加入Pb块，待熔化后精炼，(3)强烈搅拌，形成组织均匀的半固态悬浮浆料，(4)填入预热的模具中，冷却压铸即形成所需的材料。

2.根据权利要求1所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述精炼为六氯乙烷法。

3.根据权利要求1所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述搅拌采用双筒式机械搅拌器。

4.根据权利要求1或3所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌的速度为500-1500转/分。

5.根据权利要求1或3所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌的温度为合金的熔点之下570-630℃。

6.根据权利要求1或3所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌的时间为5-20分钟。

7.根据权利要求1所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述模具的预热温度为150-250℃。

8.根据权利要求1所述的Al-Pb合金轴瓦材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述冷却压铸的速度为1-9米/秒。

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