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吉林工业大学 孙大仁 安 建 刘勇兵
辽源市钢背复合材料轴承厂 赵旭成 曹希武 张继百
摘 要：利用一种新的搅拌铸造技术生产系列铸造铝铅合金，含铅量的变化范围为w(Pb)=0～25%。试验中，研究了铸态铝铅合金的显微组织和力学性能。结果表明，在研究的含铅量范围内，铸态合金的硬度、抗拉强度和伸长率都随铅的质量分数的增加而下降。断口分析表明：随质量分数的增加断口特征逐渐由塑性向脆性转变。而摩擦磨损性能随铅的质量分数的增加有一最佳值，即铅的质量分数为15%～20%时，其磨损量和摩擦系数最小。
关键词：铸造铝铅合金；含铅量；显微组织；力学性能
1 引言
由于铝合金与其他滑动轴承合金相比具有许多优点，近年来，铝基滑动轴承的应用越来越广泛，尤其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。为了改善合金的抗咬死和抗粘着性，往往在铝基合金中加入铅、锡、镉、铟甚至石墨[2]。在这些元素中，铅较其他元素更加有效。据报道，铝铅合金比铝锡合金具有更好的疲劳强度和耐磨性，比铜基合金具有更好的耐蚀性。但是，铝铅合金的生产存在着冶金上的困难，这些困难包括： (1)两金属在液态下难于互溶；(2)在室温下几乎不互溶；(3)由于金属铝和铅密度相差悬殊，使铅相严重偏析。以上问题导致铸造铝铅合金轴承没有得到广泛应用。文献[6，7]介绍了一种新的铸造技术，研究了其制备工艺与组织的关系。在本文中，将进一步介绍该方法生产的铝铅合金铸态下的组织与力学性能，为工业生产应用提供依据。
2 试验材料及试验方法
2.1 试验材料
研究使用的原材料是工业纯铝、硅、铜、镁、锰、锡和铅。为降低熔点，便于熔炼，合金中的元素硅、铜、锰以中间合金(AlSi20，AlCu50及AlMn50) 的形式加入。熔化时，考虑熔化中的损失，适当调整加入量，其化学成分为Al-Si4.4-Cu0.8-Mg0.5-Mn0.8-Sn0.8-Fe1.1。
2.2 铝铅合金的制备
为研究含铅量的影响，在专门设计的立式电阻炉中，分别配制系列Al-Pb合金(AlPb0，AlPb5，AlPb10，AlPb15，AlPb20，AlPb25)，铝铅合金的制备过程见文献。
2.3 显微组织和力学性能试验
利用Nicon光学显微镜和AMRAY-1000B扫描电镜观察铸态铝铅合金的显微组织，并用扫描电镜分析拉伸试样断口的显微组织。
试样硬度的测定用HB-3000型布氏硬度计，根据美国金属手册的规定，载荷取P=5000N，钢球直径为D=10mm，载荷保持时间为30s[8]。根据 GB228-76，从铸态的材料中加工板拉伸试样，拉伸试验在岛津TG-100G电子拉伸试验机上进行，测定抗拉强度和伸长率，每个测试点的性能值取自三个拉伸试样的平均值。用于扫描电镜进行观察的断口是从试验后的拉伸试样上切割下来的。
摩擦磨损试验在MM200摩擦磨损试验机上进行干摩擦试验。上试样为铝铅合金，尺寸为10mm×10mm×14mm，上试样固定不动。对磨摩擦副为40mm×10mm的45号钢磨轮，磨轮转速 200r/min，试验载荷100N，磨损时间120min。通过测定摩擦系数，磨痕宽度评定摩擦磨损性能。
3 试验结果与分析
3.1 显微组织结构
图1为不同含铅量铸态合金的金相组织图，图中黑色颗粒为铅，铅颗粒均匀分布在α-Al内或其周围。灰色不规则颗粒是硅相。从图1可以看出随含铅量的增加，铅的颗粒尺寸不断增大。
图1 铅的质量分数不同时铸造铝铅合金的金相组织
3.2 硬度
试样铸态和回火热处理后的硬度值HB随铅含量的变化见图2。由图2可以看出铸态和回火后合金的硬度值均随铅含量的增加而降低，并且每一个成分的合金回火后的硬度都比回火前低。硬度随铅含量的增加而降低是由于铅是软相，含铅量的增加势必造成合金硬度的降低。回火处理后消除了铸造后的残余应力，提高了合金的塑性，硬度值相应地下降。
图2 硬度随含铅量的变化
3.3 抗拉强度及伸长率
图3为不同含铅量拉伸试样的抗拉强度值，由图3可见，铸态合金的抗拉强度随铅含量的增加而下降，图4为不同含铅量拉伸试样的伸长率，可以看出，铸态合金的伸长率随铅含量的增加也呈下降的趋势。
图3 含铅量对抗拉强度的影响 图4 含铅量对伸长率的影响
3.4 断口形貌特征
图 5为基合金和不同含铅量的铝铅合金铸态拉伸试样的断口扫描形貌图，图5a是基合金铸态的断口形貌，断口呈典型的韧性断口特征，整个断口由塑性变形的韧窝所覆盖。图5c为AlPb25合金铸态断口形貌，断口呈解理特征，几乎看不到塑性变形的痕迹，表明断口为脆性断口；图5b为AlPb10合金铸态断口形貌，其特征显示为混合状断口形貌，既有韧窝又有脆性断口的特征。一般来说，合金的性能取决于合金的成分和组织结构。在研究中，因为基体合金成分相同，铅含量对铝铅合金的力学性能起了重要的作用。对铸态铝铅合金来说，合金的力学性能差别主要取决于铅相的尺寸和分布。随铅含量的增加，铸态合金的抗拉强度和伸长率呈下降的趋势，原因是，铅作为软相起裂纹的作用，在拉伸试验中，这些部位导致应力集中，然后裂纹沿该部位扩展导致断裂。并且铅颗粒的存在改变了试样在拉伸过程中的应力状态，由单向应力变为三向应力。在铝铅合金中，铅颗粒的数量随铅含量的增加而增加，铅颗粒的尺寸随铅含量的增加而增大，例如AlPb10铸态合金铅最大颗粒的尺寸大约为130μm，而AlPb25合金中铅颗粒最大尺寸为180μm，因此，随铅含量的增加，应力状态越来越硬，使铸态铝铅合金的强度和伸长率随铅含量的增加而下降，断口形貌由塑性变为脆性。
3.5 摩擦磨损性能
铸造铝铅合金，在给定条件下(载荷200N，转速200r/min，磨损时间30min)，干摩擦的磨痕宽度和摩擦系数随铅含量的变化见图6和图7。从图6可以看出其磨痕宽度随铅含量的增加而减小，在铅的质量分数为15%～20%时有一极小值，然后随铅含量的增加又有所增加。表明所研究的铸造铝铅合金，当铅的质量分数为 15%～20%时其磨损特性最好。该类合金的摩擦系数随铅含量的变化与磨痕宽度的变化有类似的关系，开始时随铅的增加而减小，在含铅量为15%～20%时有一极小值。在铝铅合金中，一方面铅是软相，起固体润滑剂的作用，铅含量太少这种作用不明显，因此，随铅含量的增加，合金的磨损量和摩擦系数都下降，另一方面合金的摩擦磨损特性与合金的硬度有一定的关系，一般的规律是随硬度的减小，合金的摩擦磨损特性变坏，正是由这两个相反因素的影响，使该类合金摩擦磨损特性随铅含量的增加有一最佳值。
图5 拉伸试样断口扫描电镜形貌图
图6 磨痕宽度随铅含量的变化 图7 摩擦系数随铅含量的变化
4 结论
(1) 铸态铝铅合金的显微组织主要由铅颗粒、铝枝晶和硅颗粒组成，随铅含量的增加，铅颗粒尺寸增大。
(2) 在铅含量从0到25%内，由于铅在合金中作为软相存在，导致铸态铝铅合金的硬度、抗拉强度和伸长率随铅含量的增加而减小。
(3) 断口分析表明，随铅含量的增加，铸态合金的断口特征由塑性向脆性转变。
(4) 铸态铝铅合金的磨损量和摩擦系数随铅含量的增加而减小，在铅的质量分数为15%～20%时有一最小值，表明作为减磨材料，铸造铝铅合金的铅的质量分数为15%～20%时，其摩擦磨损特性具有最佳值。
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