中国有色金属学报 2004,(07),1117-1122 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.07.011
稀土熔剂对Al-10%Pb合金组织和性能的影响
倪红军 黄明宇 朱昱
南通工学院机械工程系,南通工学院机械工程系,南通工学院机械工程系 南通226007上海交通大学材料科学与工程学院上海200030 ,南通226007 ,南通226007
摘 要:
采用一种含有玻璃成分的稀土熔剂,在1080℃高温条件下,对Al 10%Pb合金熔体进行覆盖、保护和净化。结果表明:同无熔剂相比,加入量为1.0%和0.5%时,合金的抗拉强度分别提高12.8%和12.0%,延伸率分别提高42.8%和6.5%;当流道厚度为1.0mm时,合金的流动性分别提高27.3%和1.4%。同1.5%的熔剂加入量相比,采用1.0%的稀土熔剂处理后的Al Pb合金组织中铅粒圆整,平均直径仅为20μm左右,分布比较均匀。分析了该种熔剂的作用机理。
关键词:
稀土熔剂 ;Al10%Pb合金 ;变质 ;化学净化 ;
中图分类号: TG113
作者简介: 倪红军(1965),男,副教授,博士.电话:05135876835;E mail:hjni910@263.net;
收稿日期: 2003-09-30
基金: 国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999064900); 江苏省教委自然科学基金资助项目(D2KJD430002); 南通工学院自然科学基金资助项目 (2 0 0 2 1 0 );
Effects of rare earth flux on microstructure and properties of Al-10%Pb alloy melt
Abstract:
Al-10%Pb alloy melt was covered, protected and purified with rare earth flux contained a glass composition at 1 080 ℃. The experimental results indicate that the tensile strength of the alloy covered with 1.0% and (0.5%) rare earth flux increases by 42.8% and 6.5% respectively, while the fluidity increases by 27.3% and 1.4% respectively when the thickness of runner way is 1.0 mm comparing with that covered with no flux. The Pb phases in the microstructure of Al-10%Pb alloy are dispersion and roundness with 1.0% rare earth flux . Then the average size is about 20 μm. The mechanism of rare earth flux improving the properties and microstructure was also discussed.
Keyword:
rare earth flux; Al-10%Pb alloy; modification; chemical purifying;
Received: 2003-09-30
汽车、 拖拉机等内燃机的轴瓦, 目前国内外广泛采用的是Al-Sn合金。 但Al-Sn合金抗咬粘性能不佳、 疲劳强度低、 耐磨性能差; 另外锡是矿藏资源较稀少而用途多、 消耗量大的金属。 由于铅是比锡更软的金属, 并且具有自润滑作用, 因而铅作为滑动轴承减磨合金的一种成分, 可以显著改善滑动轴承的耐磨性、 顺应性和嵌入性, 故Al-Pb合金可以替代Al-Sn合金
[1 ]
。 研究表明, 铝基铅合金具有抗疲劳强度高、 耐蚀性能好、 抗咬粘能力强及强度适中等优点
[2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10 ,11 ,12 ,13 ]
。 故Al-Pb合金能够满足现代发动机高速、 大功率和高增压的要求。 另外, 铅的产量高, 价格也仅为锡的1/8~1/10
[1 ,14 ]
。
目前, 国内外Al-Pb系轴瓦合金生产和研究均采用RS/PM或机械合金化(MA)
[3 ,8 ,15 ,16 ,17 ]
等技术, 其工艺复杂, 流程长, 产品质量不易控制, 成本高, 产量低, 从而降低了企业的竞争力; 其次, 运用该工艺, 铅的含量受到限制, 一般不超过10%; 另外采用轧制法复合合金层与钢背, 造成晶粒变形, 也会大幅降低轴瓦材料的性能。
采用水平连铸复合法
[18 ,19 ]
获得Al-10%Pb-钢背轴瓦材料, 可以克服上述方法的缺点。 但在熔炼和复合过程中必须通过提高冷却速度来解决Pb相偏析的缺点, 另外, 由于熔炼温度常常在1 000 ℃以上, 还存在着以下问题: 1) 熔炼氧化烧损严重; 2) 熔体波动导致熔体中卷入大量的氧化夹杂; 3) 铅挥发严重, 不仅导致合金中的铅含量减少, 而且严重地污染环境, 损害操作人员的健康; 4) 熔体一般采用六氯乙烷作为熔剂进行净化处理, 不仅不能完全去除熔体中的氢和氧化夹杂, 而且, 对环境污染严重等。
针对上述问题, 本文作者通过加入一种用于Al-10%Pb熔体的新型熔剂
[20 ,21 ]
, 以防止其氧化、 挥发、 吸气和铅偏析。
1实验
实验用99.99%的工业纯铝和铅粒, 铝铅质量比为9∶1, 总量为3 kg。 实验用1号熔剂配方见表1, 使用前在120~150 ℃烘干保温2 h, 熔剂加入量为熔体总量的1.0%。 熔炼采用SG2非标准坩埚电阻炉(12 kW)配KSW型温度控制器。 熔炼时, 先将所用熔剂量的1/3放入坩埚底部, 再将纯铝放入坩埚内, 然后升温到660 ℃, 待纯铝完全熔化后, 加入铅粒, 并覆盖另外2/3的熔剂, 随后升温至浇铸温度(1 080 ℃), 保温15 min后, 浇模。 拉伸试样在WE-60液压万能材料试验机上测试。 流动性试样用模具结构如图1所示。 采用OLYMPUS PME3型图像分析仪和Leco分析软件观测、 分析金相组织。
表1 1号熔剂组成成分
Table 1 Composition of No.1 flux(mass fraction, %)
NaCl
KCl
RE2 (CO3 )3
Na2 B4 O7
Bal.
20
20
15
15
30
2结果与分析
2.1 1号熔剂对Al-10%Pb合金抗拉强度和延伸率的影响
熔剂添加量对Al-10%Pb合金抗拉强度和延伸率的影响结果见表2。由表2可知,采用1号熔剂后,Al-10%Pb合金的抗拉强度和延伸率都有明显的提高。同无熔剂相比,加入量为1.0%和0.5%时,合金的抗拉强度分别提高12.8%和12.0%,延伸率分别提高42.8%和6.5%。
图1 流动性测试模具示意图
Fig.1 Schematic diagram of fluidity mould
表2 不同熔剂添加量条件下Al-10%Pb合金的抗拉强度与延伸率
Table 2 Mechanical properties of Al-10%Pballoy with different quantity of No.1 flux
Mass fraction of No.1 flux
Tensile strength/MPa
Elongation/%
1.0%
61.80
22.67
0.5%
61.36
16.90
0
54.78
15.87
2.2 1号熔剂对Al-10%Pb合金流动性的影响
熔剂对Al-10%Pb合金流动性影响结果见表3。 由表3可知, 采用1号熔剂后, 对Al-10%Pb合金的流动性有显著影响, 流道厚度越薄, 效果越明显。 当流道厚度为1.0 mm时, 同无熔剂相比, 加入量为1.0%和0.5%时, 合金的流动性分别提高27.3%和1.4%。
表3 不同熔剂添加量条件下Al-10%Pb合金的流动性
Table 3 Fluidity of Al-10%Pb alloy withdifferent quantity of No.1 flux (mm)
Thickness of runner/mm
Mass fraction of No.1 flux
1.0%
0.5%
0
1.0
118.40
94.28
92.96
2.0
121.22
120.68
119.32
3.0
121.48
121.42
121.40
4.5
126.00
126.00
126.00
2.31号熔剂对Al-10%Pb合金组织的影响
图2所示为未采用1号熔剂的Al-Pb合金组织。 由图2可看出, 铅相偏聚成团, 铅粒成扁平状出现, 且被拉得很长; 比较试样的上部、 中部和下部, 可以看出铅相出现严重的偏析。
图3所示为采用1.0%的1号熔剂处理后的Al-Pb合金组织。 由图3可以看出, 铅粒圆整, 分布比较均匀。 铅粒最大直径不超过40 μm, 平均直径仅为20 μm左右。 比较不同部位, 铅偏析情况得到很好的改善。
图4所示为采用1.5%的1号熔剂处理后的Al-Pb合金组织。 可见, 铅粒分布均匀, 没有出现偏析现象, 与图2相比较, 铅粒变得更小了; 但同图3相比, Pb相圆整度降低。
3分析与讨论
3.11号熔剂的特点
3.1.1 覆盖保护作用
由于Al-10%Pb合金的熔炼温度达到1 080 ℃, 加上Pb挥发严重, 故普通覆盖盐熔剂不能对该种合金熔体的进行有效的覆盖保护
[22 ]
, 而1号熔剂中含有玻璃成分—Na2 B4 O7 , 在熔体熔炼时, 这种熔剂不会像普通盐熔剂一样在高温和铝熔体内部的液体扰动作用下出现裂纹, 而是在熔体表面形成很好的熔剂膜, 从而可有效防止空气中的氧气和水气与合金液反应和合金液中铅的挥发。 玻璃熔体对铝熔体中的Al2 O3 有着较强的吸附作用。 通过吸附Al2 O3 还可使玻璃液膜的致密性得到提高。 玻璃表面为“亚表面”, 对铝熔体中的氢具有很强的吸附作用, 使熔体的氢含量降低。
图2 无熔剂覆盖保护条件下Al-10%Pb合金的显微组织
Fig.2 Microstructures of Al-10%Pb alloy without flux (a)—Top; (b)—Middle; (c)—Bottom
图3 1号熔剂覆盖保护条件下Al-10%Pb合金的显微组织
Fig.3 Microstructures of Al-10%Pb alloy with 1.0% No.1 flux (a)—Top; (b)—Middle; (c)—Bottom
图4 1号熔剂覆盖保护条件下Al-10%Pb合金的显微组织
Fig.4 Microstructures of Al-10%Pb alloy with 1.5% No.1 flux (a)—Top; (b)—Middle; (c)—Bottom
3.1.2 化学净化作用
1号熔剂选用稀土化合物在Al熔体中会产生以下化学反应
[23 ,24 ]
:
该反应可析出稀土单质, [RE]与氢结合形成REH2 和REH3 , 并阻止氢气泡形核; 与Al2 O3 反应置换出单质Al, 形成RE2 O3 , 从而起到降低氢含量和氧含量的作用。
3.1.3 变质球化作用
1号熔剂在Al-10%Pb合金熔体中产生[RE], 会起到细化变质和球化作用
[25 ,26 ,27 ,28 ]
。
[RE]是活性元素, 可以改变铝熔体中杂质元素的分布, 可以降低合金熔体中O, S等有害元素的含量, 使Pb成球状生长; 稀土能够改善铝及铝合金中的针状化合物组织, 形成球状化合物组织。 稀土元素具有特殊的电子层结构, 是较强的内吸附元素, 稀土加入后, 能优先吸附在晶体生长的活性点上, 有效地抑制了晶体的生长。 由于稀土的作用, 铝熔体对Pb相颗粒的铺层系数增大, 使Pb相颗粒在熔体中不易偏聚和沉积, 从而降低偏析。 稀土元素还可以使熔体粘度变小, 流动性增加。
但如果稀土元素过多, 自由[RE]原子代替O, S等起干扰作用, 也会破坏Pb相的球状生长。 另外, 四硼酸盐玻璃的结构具有微不均匀性, 即分相成含[BO4 ]- ·R+ (R为碱金属)较多的硼酸盐区和含[BO3 ]较多的氧化硼区, 其中氧化硼区在Al-Pb合金熔体中会发生以下还原反应:
B2 O3 +2Al→2B+Al2 O3 (2)
并且, 形成的单质硼部分会形成AlB2 :
2B+Al→AlB2 (3)
另外, 玻璃熔剂中采用的是四硼酸钠, 在对铝熔体的净化过程中置换出钠
[29 ,30 ]
。 正是B, AlB2 和Na的共同作用, 也会使合金组织中产生Pb相球化的变质效果。
3.21号熔剂对组织和性能的影响分析
根据上述分析, 1号熔剂在对Al-Pb熔体的作用过程中, 会产生[RE], B, AlB2 和Na等成分, 从而可以使Al-Pb合金组织中Pb相球化、 细化和均匀化。 但是熔剂加入太多, 导致[RE]量太大, 反而造成组织中Pb相的球化衰退。
正是由于Al-Pb合金组织中的Pb相球化、 细化和均匀化, 加上1号熔剂对合金熔体的覆盖保护和化学净化效果, 合金的力学性能才能够得到提高。 适当的熔剂加入量是获得合适组织的基础, 1号熔剂1.0%的加入量比较合理, 而0.5%加入量不能满足球化、 细化和净化的要求, 故前者的力学性能优于后者。
采用1号熔剂能改善熔体流动性的原因在于: 1)玻璃熔剂是非良性导体, 保温效果极佳。 这种特性有利于Al-Pb合金熔体保持其热量; 2) 无熔剂覆盖保护和净化时, 熔体中氢含量和氧化夹杂的含量很高, 合金熔体的粘滞性较大, 熔体降温较快, 因而, 熔体的流动性差; 3) 由于熔剂中的组分发生反应过程有热量析出, 对流动性增加有好处; 4) 活性稀土元素可以有效降低熔体的粘度。
4结论
1) 采用1号稀土熔剂, 对Al-10%Pb合金熔体的作用, 同无熔剂相比, 加入量为1.0%和0.5%时, 合金的抗拉强度分别提高12.8%和12.0%, 延伸率分别提高42.8%和6.5%; 当流道厚度为1.0 mm时, 合金的流动性分别提高27.3%和1.4%。
2) 采用1.0%和1.5%的1号熔剂处理后的Al-Pb合金组织, 铅粒圆整细小, 分布比较均匀。 但后者的圆整度下降。
3) 稀土熔剂在Al-10%Pb合金熔体中反应产生的[RE], B, AlB2 和Na共同发生作用, 从而使合金的力学性能和流动性提高、 Pb相变质球化和弥散分布。
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