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吉林工业大学 孙大仁 杨晓红 张明吉 曹占义 陆有 刘勇兵
摘 要：利用一种新的铸造技术，使高达40%的铅混合到铝合金中，然后用普通的浇铸方法生产铸造铝-铅合金。在实验中，探讨了其最佳工艺参数，并利用光学显微镜，扫描电镜，定量金相等技术研究了铝含量和合金元素对其显微组织结构的影响。
关键词：铝铅合金；铸造；滑动轴承
0 前言
铝 合金具有优良的比强度，耐蚀性和导热性，铝基滑动轴承材料的研究一直受到各国材料及工程研究者的重视。尤其近年来随着汽车工业的发展，传统的巴氏合金及铜 基合金作为汽车轴承合金正在被铝基轴承合金所取代。在铝基合金中，铝铅合金具有疲劳强度高、耐蚀性好、抗咬合性好、强度适中等优点，是目前各国材料工作者 重点研制和开发的轴承合金材料之一。然而，由于金属铝和铅的密度和熔点相差悬殊，两金属在固态下溶解度极小(图1中可以看出，在327℃，铅在铝中的溶解 度<0.05%)，液态下也难于互溶(在900℃，铅在铝中的溶解度为8%)，因此，该合金的熔炼已成为有色合金熔炼技术中的一大难题。我国在铝- 锡合金的生产上已具规模，但在铝-铅合金研制才刚刚起步，从事该项研究工作的有数家研究机构。已有的资料表明[8]，目前我国研制铝-铅合金多采用粉末冶 金方式，还没有用铸造法生产的研究报告。采用粉末冶金法制造铝-铅合金相对于铸造法来说，设备成本高，投资大，工艺复杂，而且，铅的含量受到限制 (<10%)。文献指出铝-铅合金的含铅量在铅含量>10%时，铅对磨损特性才有较明显的作用。
图1 铝-铅二元合金相图
在 本研究中，利用特殊装置，通过强力搅拌获得均匀的液态铝-铅合金乳浊液，然后，使用常规的铸造方法生产铝-铅合金已经取得阶段性成果，此种生产方法，设备 简单，操作方便，含铅量不受限制，适于工业化大规模生产，目前正进行该合金的性能、轧制与钢背复合试验工作，该方法的试制成功，将为大批量生产造价低廉的 铝-铅合金轴承材料开辟了一条新路。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验用原材料
为结合工业生产的应用，试验使用的原材料是A00铝(99.7%)、镁(99.8%)、锡(99%)和铅(99.9%)、合金中的硅、锰、铜元素以中间合金Al-20%Si，Al-50%Cu，Al-20%Mn的形式加入。
1.2 合金的熔炼过程
1.2.1 合金的熔炼
为了使不同含铅量的轴承合金的基体成分均匀，在15kW的坩埚炉中一次配制好全部试验要用的基体合金(除铅以外的所有合金元素)，以备最终熔炼，其化学成分见表1。
1.2.2 铝-铅合金的制备
铝 -铅合金的熔炼在4kW的立式电阻炉中进行，坩埚的材料为低碳钢，尺寸为Φ100mm×200mm，坩埚上面罩上一密封罩，罩上留有一个Φ10mm的加铅 孔，以防止铅蒸气的污染。熔炼过程如下：在坩埚中加热1.5kg的基合金，使其熔化，在适当的温度下，将专门设计的多层搅拌桨放入熔池中，以 1100～1500r/min的速度进行强制搅拌，与此同时，一边搅拌一边加入铅颗粒(平均质量为10g)，每次加入的间隔时间约5s，加完铅后继续搅拌 5min，以便获得均匀的铝-铅合金乳浊液，然后，升起搅拌桨，从炉中取出坩埚，用普通的铸造方法进行浇铸。
1.3 显微组织结构的观察
利用光学显微镜和扫描电镜观测铝-铅合金的显微组织及铅颗粒的形态和分布。用定量金相测定了铅颗粒的尺寸。
2 试验结果与分析
2.1 制备参数的确定
制备铸造铝-铅合金的主要工艺参数有三个：①熔化温度；②搅拌速度；③搅拌时间。
试 验结果表明：最佳熔化温度为700℃，温度过高，铝合金氧化严重，合金中的氧化铝夹杂增加，另外更严重的是，铅过热度太大，在搅拌过程中，迅速氧化成氧化 铅，氧化过程放出的热量又加速铅的氧化，在瞬间，被加入的全部铅就会被消耗掉，会使熔炼失败。温度过低，流动性差混合效果不好。搅拌速度是能否形成均匀的 铝-铅合金乳浊液的关键参数，桨叶几何形状的设计，必须满足两个要求，其一是在旋转中，产生一个向上的推力，以抵消由于重力使铅下沉的作用；其二是不断的 打碎大的铅颗粒。并使其在合金中分布均匀，以形成乳浊液。这两个作用，必须靠一定的旋转速度来保证。经反复试验，最佳的搅拌速度为1300r/min左 右，速度过低会造成铅的下沉，速度过高，容易飞溅，会加速铝、铅的氧化，与熔化温度过高产生相类似的结果，搅拌时间的长短主要影响铅的均匀分布程度，试验 结果表明，加完铅后，继续搅拌5min比较适合；其选择原则是，在能够得到均匀的铝-铅合金乳浊液的基础上，时间越短越好，以减少高温氧化，按照本试验给 出的最佳参数，已经成功的制备出含铅量高达40%的铝-铅合金。
2.2 显微组织观察
图2 不同铅含量铝-铅合金的光学显微镜金相显微组织
a.5%Pb b.10%Pb c.25%Pb d.40%Pb
图 2是具有相同成分的基合金(见表1)不同含铅量的铝-铅合金的金相照片，其中黑色颗粒为铅，灰色的条为共晶硅，白色为α-Al。基体合金应属于亚共晶铝- 硅合金范围，可以看出：共晶硅集聚在α-Al枝晶的周围形成多边形的网；铅在合金基体上以大小不等的颗粒均匀分布，其形态为点状、球状或团絮状；铅的存在 没有明显的改变基体的显微组织形貌。对试样的纵断面和横断面的观察表明铅的分布没有明显的偏聚。在大的铅颗粒中可见铅颗粒的内部并非实体，这是由于铅的熔 点比铝低，金属铝凝固时按枝晶方式生长可以穿过富铅的液态区域。从图2还可以看出，铅颗粒的尺寸随铅含量的增加而增大，表2给出不同铅含量定量金相的试验 结果，表2中试样均在同样的试验条件下制取的，并都在同一铁模中浇注，具有同样的冷却速度，可见铅颗粒的尺寸却随铅含量的不同而改变。Al- 5%Pb，Al-10%Pb，Al-25%Pb，Al-40%Pb合金中铅颗粒的平均直径分别为15μm，20μm，，28μm和50μm，最大直径分别 为80μm，130μm，180μm和280μm，可以看出铅颗粒随铅含量的增加变大，其形态逐渐接近球形，这是因为铅量越多，铅颗粒相遇的几率越大，铅 颗粒越容易集聚。
2.3 合金元素的分布
为 研究铝-铅合金的轧制及其力学性能的需要，作了该合金的主要合金元素的扫描电镜能谱图。图3a是Al-25%Pb合金(基合金成分同表1)的扫描电镜的形 貌图。图3b，c，d分别是该合金的铅、硅、铁的能谱图。图3b中的白色颗粒为铅，图3c中的白色短条为硅，与图3a的白色颗粒及短条基本对应，铅颗粒的 内部基本无硅相和铁相。图3d反映出铁主要存在α-Al中，并在其中的分布较均匀，无针状铁相存在，这可能是由于锰的存在改变了其形态，铁是生产铝合金不 可避免的杂质元素，其形态及分布将会对轧制性能产生影响。
图3 25%Pb铝-铅合金的扫描电镜图
a.形貌图b.铅的面分布图c.硅的面分布图d.铁的面分布图
3 结论
(1) 本试验方法可以成功的生产出含铅量高达40%的铸造铝-铅合金。
(2) 铅颗粒的显微形态为点状、球状或团絮状，以大小不同的尺寸均匀的分布在铝合金的基体上，铅的存在没有明显的改变铝合金基体的显微形貌。
(3) 铅颗粒的平均直径和最大直径随铅含量的增加而增大，其形态随铅含量的增加逐步接近球形。
(4) 从能谱试验结果可看出铅颗粒内部几乎无硅相和铁相存在，铁相在α-Al中均匀分布。
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