一種通過(guò)添加形核劑制備具有彌散型復(fù)合凝固組織Al-Pb合金的方法與流程

本發(fā)明屬于Al-Pb軸瓦合金材制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種通過(guò)添加形核劑制備具有彌散型復(fù)合凝固組織Al-Pb合金的方法。

背景技術(shù)：

鋁基軸瓦材料具有質(zhì)輕、高導(dǎo)熱性、高耐腐蝕性和良好的摩擦磨損性能等特點(diǎn)，在汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域具有十分廣泛的用途，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重點(diǎn)地位。長(zhǎng)期以來(lái)，多選用Al-Sn合金作為軸承和軸瓦的減磨材料。但是Sn是儲(chǔ)量少而用途多的金屬，同時(shí)Sn與Al不容易在摩擦表面形成自潤(rùn)滑膜。為了擴(kuò)大鋁基軸瓦材料的應(yīng)用范圍必須進(jìn)一步提高鋁合金的耐摩擦性能。鉛是比錫更軟的金屬，而且Pb比Sn更容易在摩擦表面形成一層鉛潤(rùn)滑膜，表面性能更優(yōu)越，能使摩擦生成物尺寸小、硬度小，減少了軸瓦的磨損，提高了耐摩擦性和耐疲勞性，并能長(zhǎng)久地保持軸瓦高的表面質(zhì)量。Al-Pb合金是代替Al-Sn合金的最佳選擇，研究與開(kāi)發(fā)新型Al-Pb耐磨合金具有重要的技術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

Al-Pb合金相圖如圖1所示，其在液態(tài)存在著組元不混溶溫度區(qū)間(L₁+L₂，L₁和L₂分別為富集不同組元的熔體)。當(dāng)均一的合金熔體冷卻到L₁+L₂區(qū)內(nèi)時(shí)，它將發(fā)生液-液相變(L→L₁+L₂)，富Pb相液滴自熔體中沉淀析出。由于兩液相間的比重差很大，液-液相變期間極易形成相偏析嚴(yán)重乃至兩相分層的現(xiàn)象，因此，制備具有彌散型凝固組織的Al-Pb合金極為困難，這限制了Al-Pb合金的工業(yè)應(yīng)用。采取適當(dāng)?shù)拇胧?，提高彌散相液滴的形核率，從而減小彌散相液滴的尺寸及遷移速度，減緩相偏析的形成速度，是制備Al-Pb合金的有效途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)添加形核劑制備具有彌散型復(fù)合凝固組織Al-Pb合金的方法，采用鑄造技術(shù)，以Al-Ti-C中間合金的形式向Al-Pb合金熔體中添加微、納米尺寸TiC粒子，這些粒子作為Al-Pb合金液-液相變過(guò)程中富Pb相液滴的形核基底，從而大幅度提高富Pb相液滴的形核率，促進(jìn)彌散型Al-Pb合金復(fù)合凝固組織的形成。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種通過(guò)添加形核劑制備具有彌散型復(fù)合凝固組織Al-Pb合金的方法，該方法采用鑄造技術(shù)(模鑄或連鑄)，通過(guò)向Al-Pb合金熔體中添加微、納米尺寸的TiC粒子，在Al-Pb合金熔體冷卻發(fā)生液-液相變時(shí)，TiC粒子作為富Pb相液滴的形核基底，從而提高富Pb相液滴的形核率，凝固后形成具有彌散型復(fù)合凝固組織的Al-Pb合金。

所述TiC粒子以Al-Ti-C中間合金的形式加入Al-Pb合金熔體中，Al-Ti-C中間合金中Ti元素與C元素的摩爾比例為(1～1.1)：1。

所述Al-Ti-C中間合金的添加溫度為：在Al-Pb合金熔體溫度在1050℃以下，同時(shí)在Al-Pb合金的平衡液-液相變溫度T_b以上時(shí)加入。

所述Al-Ti-C中間合金的加入量應(yīng)保證合金熔體澆注前其內(nèi)部有足夠多的TiC殘余粒子，TiC粒子的加入量可由式(1)確定：

wt％TiC≥8×10^-18D³ (1)；

TiC粒子的最佳加入量由式(2)確定：

(9.0-1)10^-18D³≤wt％TiC≤(9.0+1)10^-18D³ (2)；

式(1)和(2)中：D為Al-Ti-C中間合金中TiC粒子的直徑，單位為米；wt％TiC表示Al-Pb合金中TiC的重量百分?jǐn)?shù)。

所述Al-Pb合金中Pb元素含量小于15wt.％。

所述Al-Pb合金的熔煉溫度在Al-Pb合金的平衡液-液相變溫度T_b+100以上，在1050℃以下。

所述的澆注溫度在Al-Pb合金的平衡液-液相變溫度T_b以上，在T_b+100℃以下。本發(fā)明所制備的Al-Pb合金中，Pb元素以粒子形式彌散分布于Al基體中。

本發(fā)明的原理如下：

本發(fā)明通過(guò)向Al-Pb合金熔體中添加微、納米尺寸TiC粒子，這些粒子可作為Al-Pb合金液-液相變過(guò)程中富Pb相液滴的形核基底，從而大幅度提高富Pb相液滴的形核率，促進(jìn)彌散型Al-Pb合金復(fù)合凝固組織的獲得。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用異質(zhì)形核技術(shù)，控制Al-Pb合金的凝固動(dòng)力學(xué)，獲得具有Pb以粒子形式彌散分布于Al基體的Al-Pb合金復(fù)合材料，滿足工業(yè)需求。

2、本發(fā)明尤其適合于冷卻速度較快的鑄造技術(shù)，如：鑄錠尺寸較小，金屬型、石墨型鑄造，薄板連鑄等。

附圖說(shuō)明

圖1為偏晶合金示意相圖。

圖2為Al-Ti-C中間合金組織。中間合金成分為Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C。圖中白色粒子為TiC粒子。

圖3為Al-7wt％Pb合金試樣的金相；圖中：(a)未添加TiC粒子，(b)添加了15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。圖中黑色相為Al基體，白色相為Pb粒子。

圖4為Al-5wt％Pb合金試樣的金相；圖中：(a)未添加TiC粒子，(b)添加了15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。圖中黑色相為Al基體，白色相為Pb粒子。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。

Al-Pb合金凝固時(shí)極易形成偏析嚴(yán)重乃至兩相分層的凝固組織，制備極為困難。本發(fā)明研究了TiC粒子對(duì)Al-Pb合金凝固行為及組織的影響，發(fā)現(xiàn)微、納米尺寸TiC粒子能顯著提高Al-Pb合金液-液相變過(guò)程中彌散相富Pb相液滴的異質(zhì)形核率、細(xì)化凝固組織、促進(jìn)彌散型凝固組織的獲得。據(jù)此，本發(fā)明通過(guò)向Al-Pb合金熔體添加微、納米尺寸TiC粒子，制備Al-Pb合金彌散型復(fù)合材料。在合金熔體冷卻到Al-Pb合金的平衡液-液相變溫度T_b(見(jiàn)圖1)以上時(shí)加入TiC粒子， TiC粒子以Al-Ti-C中間合金的方式加入合金熔體中，圖2所示為Al-Ti-C中間合金(Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C)組織圖。用此方法制備的Al-Pb合金組織如圖3、圖4所示。

實(shí)施例1

如圖3所示，鑄造Al-7wt％Pb合金，使用石墨模，澆注前石墨模溫度為室溫，試樣直徑15mm。與未添加TiC粒子的試樣相比，添加TiC粒子的合金試樣中富Pb相粒子顯著細(xì)化，粒子分布均勻性提高。

其制備過(guò)程如下：

用電阻爐熔煉Al-7wt％Pb偏晶合金，熔體升溫至1050℃保溫30分鐘，保溫期間攪拌熔體，促進(jìn)Pb的溶解，然后向合金熔體中添加15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。中間合金中TiC粒子的平均直徑約為300nm。中間合金加入后攪拌熔體3-5min，當(dāng)合金熔體溫度為980℃時(shí)澆注。

實(shí)施例2

如圖4所示，鑄造Al-5wt％Pb合金，使用石墨模，澆注前石墨模溫度為室溫，試樣直徑15mm。與未添加TiC粒子的試樣相比，添加TiC粒子的合金試樣中富Pb相粒子顯著細(xì)化，粒子分布均勻性提高。

其制備過(guò)程如下：

用電阻爐熔煉Al-5wt％Pb合金，熔體升溫至1050℃保溫30分鐘，保溫期間攪拌熔體，促進(jìn)Pb的溶解，然后向合金熔體中添加15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。中間合金中TiC粒子的平均直徑約為300nm。中間合金加入后攪拌熔體3-5min，當(dāng)合金熔體溫度為960℃時(shí)澆注。