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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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