CN106282673A

CN106282673A - 一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金及其制备方法

Info

Publication number: CN106282673A
Application number: CN201510323272.XA
Authority: CN
Inventors: 赵九洲; 孙倩; 江鸿翔; 何杰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金及其制备方法，属于Al-Pb轴瓦合金制备技术领域。采用向Al-Pb合金熔体中添加微量的元素Bi，提高Al-Pb合金熔体冷却过程中液-液相变时富Pb相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb合金复合凝固组织的形成。本发明可用于制备高质量Al-Pb合金轴瓦材料。

Description

一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及Al-Pb轴瓦合金制备技术领域，具体涉及一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金及其制备方法。

背景技术

铝基轴瓦材料具有质轻、高导热性、高耐腐蚀性和良好的摩擦磨损性能等特点，在汽车工业、航空航天、机械制造业等领域具有十分广泛的用途，在国民经济中占有重点地位。长期以来，多选用Al-Sn合金作为轴承和轴瓦的减磨材料。但是Sn是储量少而用途多的金属，同时Sn与Al不容易在摩擦表面形成自润滑膜。为了扩大铝基轴瓦材料的应用范围必须进一步提高铝合金的耐摩擦性能。铅是比锡更软的金属，而且Pb比Sn更容易在摩擦表面形成一层铅润滑膜，表面性能更优越，能使摩擦生成物尺寸小、硬度小，减少了轴瓦的磨损，提高了耐摩擦性和耐疲劳性，并能长久地保持轴瓦高的表面质量，铝基轴瓦合金的性能得到较大的提高。同时由于以Pb为原料的合金材料相比于Sn为廉价材料，因此随着新材料的开发，美国在70年代开发出Al-Pd新型轴瓦材料，Al-Pb合金是代替Al-Sn合金的最佳选择，研究与开发新型Al-Pb耐磨合金具有重要的技术意义和经济意义。

Al-Pb合金相图如图1所示。其在液态存在着组元不混溶温度区间(L₁+L₂，L₁和L₂分别为富集不同组元的熔体)。当均一的合金熔体冷却到L₁+L₂区内时，它将发生液-液相变(L→L₁+L₂)，富Pb液滴自熔体中沉淀析出。由于两液相间的比重差很大，富Pb液滴会发生沉积，同时，凝固过程中熔体内的温度梯度会导致液滴/熔体的界面能梯度，致使液滴向高温区迁移，因此，Al-Pb合金液-液相变期间极易形成相偏析严重乃至两相分层的现象，其制备极为困难，采用传统铸造法很难得到组织均匀的合金材料，这限制了Al-Pb合金的工业制备与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金及其制备方法，通过向Al-Pb合金熔体中添加微量Bi元素，提高Al-Pb合金熔体冷却过程中液-液相变时富Pb相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb合金复合凝固组织的形成。

本发明的技术方案是：

一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金，该Al-Pb合金中Bi元素含量大于等于0.05wt.％；其中，Bi元素含量优选为0.05～0.1wt.％，Pb元素含量优选为5～9％，其余为Al。

该Al-Pb合金中还可以含有其他合金元素，如Cu、Zn、Mg等。

所述Al-Pb合金中，Pb相以粒子形式弥散分布于Al基体中；Bi元素分布于Pb粒子与Al基体的界面处。

上述含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金采用铸造技术(模铸或连铸)进行制备，向Al-Pb合金熔体中添加Bi元素，当Al-Pb合金熔体冷却至组元互溶温度时，富Pb相液滴自熔体中沉淀析出，Bi元素富集于Pb液滴与Al熔体的界面处，从而降低两液相间的界面能，提高富Pb相液滴的形核率，凝固后获得含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金。

本发明的原理如下：

Al-Pb是一种偏晶合金，均一的Al-Pb合金熔体冷却过程中会发生液-液相变，富Pb液滴自熔体中沉淀析出。对于Al-Pb合金而言，Bi是一种表面活性元素，向Al-Pb合金熔体中添加微量Bi元素后，当Al-Pb合金熔体冷却至组元互溶温度时，富Pb相液滴自熔体中沉淀析出，Bi元素富集于Pb液滴/Al熔体的界面处，从而降低富Pb液滴与基体熔体间的界面能，这既降低了富Pb相液滴的形核阻力，提高其形核速率，又降低了液滴的Marangoni迁移速度，因此Bi能促进弥散型Al-Pb合金复合凝固组织的形成。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用添加表面/界面活性元素Bi的方法控制Al-Pb合金的液-液相变热力学与动力学过程，制备具有Pb以粒子形式弥散分布于Al基体的Al-Pb复合材料，满足工业需求。

2、本发明尤其适合于冷却速度较快的铸造技术，如：铸锭尺寸较小，金属型、石墨型铸造，薄板连铸等。

附图说明

图1为偏晶合金示意相图。

图2为Al-7wt％Pb合金试样的金相；图中：(a)未添加Bi，(b)添加了0.05wt％的Bi，(c)添加了0.1wt％的Bi。图中黑色相为Al基体，白色相为Pb粒子。

图3为Al-9wt％Pb合金试样的金相；图中：(a)未添加Bi，(b)添加了0.1wt％的Bi。图中黑色相为Al基体，白色相为Pb粒子。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

Al-Pb合金凝固时极易形成偏析严重乃至两相分层的组织，制备极为困难。本发明研究了微量元素Bi对Al-Pb合金凝固行为及组织的影响，发现微量的Bi能显著提高Al-Pb合金液-液相变过程中富Pb相液滴的形核率、细化凝固组织、促进弥散型凝固组织的获得。据此，本发明通过向Al-Pb合金添加微量元素Bi，制备Al-Pb合金弥散型复合材料。如图2、图3为所制备Al-Pb合金的凝固组织。

实施例1

如图2所示，铸造Al-7wt％Pb合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加微量元素Bi的试样相比，添加微量Bi的合金试样中富Pb相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。添加0.05wt％Bi和0.1wt％Bi两种合金样品中富Pb相粒子的尺寸及分布相近，这说明作为表面活性元素，添加0.05wt％Bi即可满足要求。

其制备过程如下：

用电阻炉熔炼Al-7wt％Pb偏晶合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Pb的溶解，然后向合金熔体中添加0.05wt％Bi或0.1wt％的Bi，搅拌溶均后浇注。

实施例2

如图3所示，铸造Al-9wt％Pb合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加微量元素Bi的试样相比，添加微量Bi的合金试样中富Bi相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。

其制备过程如下：

用电阻炉熔炼Al-9wt％Pb合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Pb的溶解，然后向合金熔炼中添加0.1wt％Bi，搅拌溶均后浇注。

Claims

1.一种含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金，其特征在于：该Al-Pb合金中Bi元素含量大于等于0.05wt.％。

2.根据权利要求1所述的含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金，其特征在于：该Al-Pb合金中，Bi元素含量为0.05～0.1wt.％。

3.根据权利要求1所述的含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金，其特征在于：该Al-Pb合金中，Pb元素含量为5～9wt.％。

4.根据权利要求1-3任一所述的含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金，其特征在于：所述Al-Pb合金中，Pb相以粒子形式弥散分布于Al基体中。

5.根据权利要求4所述的含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金，其特征在于：所述Al-Pb合金中，微量Bi元素分布于Pb粒子与Al基体的界面处。

6.根据权利要求1所述的含微量Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金的制备方法，其特征在于：采用铸造技术，向Al-Pb合金熔体中添加微量Bi元素，当Al-Pb合金熔体冷却至组元互溶温度时，富Pb相液滴自熔体中沉淀析出，Bi元素富集于Pb液滴与Al熔体的界面处，从而降低两液相间的界面能，提高富Pb相液滴的形核率，凝固后获得含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金。

7.根据权利要求6所述的含Bi元素的具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金的制备方法，其特征在于：所述铸造技术为模铸或连铸。