专利名称：偏晶合金减磨轴承材料的控制铸造技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸造技术，特别提供了一种偏晶合金减磨轴承材料的铸造技术。
偏晶合金是一类用途广泛的金属材料，目前最主要的几种偏晶合金包括铜基偏晶合金(铜铅基)、铝基偏晶合金(如铝铅或铝铋基)、锌基偏晶合金(如锌铅或锌铋基)等，这些偏晶合金共同的特点是在较硬的金属基体上弥散分布大量细软的第二相Pb、Bi软球粒，大量的试验结果表明，具有这种金相组织结构的合金一般具有良好的减磨性能，因此这类偏晶合金特别适用于制造不同滑动条件下的减磨轴承树料。
偏晶合金熔炼时与其它合金重要的差别是在这种二元合金相图上，在偏晶线以上，双结点线以下，存在一个液相不混溶区，在这一温度区间，已熔化的金属各组元之间彼此互不混合，当这些金属组元密度各不相同时，在地球重力场作用下，不同密度又互相不混溶的金属组元将自动分离，凝固后得到具有宏观重力偏析特征的铸锭，严重时这种重力偏析甚至可以发展成为分层的金属块，根本不能获得合金，所以与其它合金相比，利用常规铸锭技术生产偏晶合金是不可能的，这也是偏晶合金发展缓慢的主要原因之一。
为了克服制备偏晶合金过程中强烈的相分离行为，制取匀质偏晶合金材料，人们曾经进行了长期的努力，目前主要的方法有粉末冶金法，带形连续浇铸法(张宝义，内燃机滑动轴承材料，机械工业出版社(1989))，热等静压烧结法(DE3604861，(1986))，高速机械搅拌法(S.Mohan，etal，Z.Metallkd，80，(1989)，904)，连续铸造法(EPO440275A1，(1992)，EP545607，(1993))等。粉末冶金技术的优点是它能成功的克服重力场下偏晶合金的液相分离倾向，易于调整偏晶合金的成份以获得最佳的轴承性能，但这种技术的缺点是材料的致密度较低，其强度水平也相对较低，其次粉末冶金要求复杂的金属制粉工艺，均匀的粉末混合以及气体保护烧结，所以相对制造成本较高。带形连续浇铸法生产效率较高，但由于工艺复杂，设备投资高以及对偏晶合金种类敏感等缺点，有待进一步改进，高速机械搅拌法是采用转速为1500转/分到3200转/分的高速搅拌器搅拌偏晶合金熔体，使之均匀化，然后铸造，利用高速运动的液体达到抑制重力偏析的目的。这种技术对Al基偏晶合金主要的缺点是很难找到高温下不与Al发生反应，且具有足够机械强度和抗热冲击性的材料制造优质高速搅拌器，而对Cu基偏晶合金由于熔化温度高，液体粘度大，找到一种适合的高温材料更加困难。在连铸技术中，采用对熔体高速冷却的方法抑制熔体中第二相液滴的重力偏析，从而获得匀质偏晶合金连铸坯，这种技术主要的缺点是受偏晶合金导热性的限制，连铸坯尺寸被限制的很小，同时由于过高的冷却速率，使偏晶合金中第二相软粒子尺寸极为细小，这种极为细小的软粒子在继后的轧制过程中，将继续沿轧制方向变形成更为细小的条带组织，而这种过分细小的软相粒子难以在偏晶减磨轴承材料中发挥应有的有利作用。
本发明目的在于提供一种控制铸造的方法，低成本生产匀质偏晶合金，并最大限度的减少这种合金在重力场下严重的重力偏析效应。
本发明提供了一种偏晶合金减磨轴承材料的控制铸造技术，主要针对下述偏晶合金a.Al基偏晶合金如Al-Bi或Al-Pb基合金；b.Cu基偏晶合金如Cu-Pb基合金；c.Zn基偏晶合金如Zn-Bi或Zn-Pb基合金；其工艺过程为首先将偏晶合金熔化，并加热至双结点线以上10～250℃，使其成为成份均匀的单相合金熔体；其特征在于对铸造过程施行下述控制(1)控制注锭速度，使单位时间注入铸锭模中的合金熔体量与铸锭模中合金的凝固量相等，即v1·S1＝v2·S2，其中v1为高温熔体的注流速度，v2为铸锭中凝固速度(即铸锭模中固—液界面向上推移的速度)，S1为注水口有效截面积，S2为铸锭截面积，S1/S2控制在0.005～0.3范围之内。
(2)对流动的偏晶合金熔体进行动态预冷却，使其接近该合金凝固点，一般为该合金开始凝固点以上5～150℃；(3)对铸锭进行强制冷却，其冷却速度应保证，铸锭凝固速度v2在5～15mm/s之间变化。
本发明还提供了专用于上述技术的设备，包括加热炉(1)、带加热装置的底注式中间包(2)、铸锭模(4)，其特征在于在中间包(2)与铸锭模(4)之间还设置一可用循环水强制冷却的流槽(3)，流槽(3)与地面倾斜5°～80°的夹角。
本发明所述的合金加热方法可以选用电阻加热、中频加热或等离子体加热等任一种常规加热方法，本发明所述的控制注锭速度可以用锥形塞棒法或滑动水口，或固定水口等任一种常规方法，注流的速度由中间包的液面高度来控制，所以在注锭过程中要及时向保温中间包内补充新的合金熔体，使中间包液面高度保持一个稳定值。本发明所述的对偏晶合金熔体进行动态预冷却是通过一个强制冷却并与地面成一定角度的特制流槽进行的，这种特制流槽内表面可以是管状、半园或长方形，可以用石墨或金属材料如碳钢、铸铁、不锈钢等制成，在特制流槽的外侧有一密封的水套，可以通过循环冷却剂(包括水、油或气)强制冷却，流槽与地面的夹角为5°～80°，最佳值为30°～60°，合金熔体的预冷却温度可以通过特制流槽的长度进行调整，该特制流槽可以是整体的，也可以是分片拼装而成。本发明所述的对铸锭进行强制冷却是通过一特制的铸锭模进行的，这种特制铸锭模可以由石墨或碳钢、铸铁、不锈钢等金属材料制成，外侧有密封的水套，可以通过循环冷却剂(包括水、油或气)强制冷却。铸锭模的横截面可以是园型、长扁型或方型。铸锭的冷却速率是根据锭模的内径、锭模材料的热传导率、锭模的壁厚以及循环冷却剂等综合因素决定的，可以通过传热学理论计算使铸锭的凝固速率控制在5～15mm/s范围之内。当铸锭尺寸较小，锭模本身传热较好，且热容量较大，铸锭冷却速率能保证上述凝固速率范围时，也可使用非强制冷却的普通金属模或石墨模代替上述的特制铸锭模。锭模的冷却能力应当与所谓控制铸造的注锭速度匹配，锭模冷却能力太快，注锭速度不足将在铸锭中产生氧化夹层缺陷，反之锭模冷却能力不足而注锭速度太快，则将在铸锭中产生宏观的重力偏析，即较重的金属组元将沉积在铸锭底部。本发明适合制备的铸锭尺寸为直径20～50mm(园型)或板厚15～40mm(板型)。
本发明技术上的优点是显而易见的1.它不需要复杂的设备投资和特殊的高温材料，因而偏晶合金的制造成本较低；2.由于在对过热熔体的预冷却时，熔体处于流动状态，其能够有效的抑制在常规的静态冷却过程中不可避免的重力偏析效应，这样就获得了制造匀质偏晶合金铸造锭所必须的低温匀质偏晶合金熔体；3.由于注锭速度与铸锭的凝固速度相等，这样就在铸锭上部保持了一个尺寸大小相对稳定的小熔池，在这个小熔池中存在一个较大的温度梯度，在这个温度梯度驱动下，已经形核并长大的第二相液滴将作Marangoni运动，其方向与重力场方向恰好相反(因为偏晶合金中第二相液滴如Pb、Bi的密度比基体金属高)，这一效应部份抵消了常规凝固过程中重力偏析引起的第二相沉淀，这种相对静止的第二相液滴将被快速推进的固—液界面所捕获，因而本发明能够获得匀质偏晶合金铸锭。
下面详述本发明的具体实施例。
附
图1为偏晶合金减磨轴承材料的控制铸流程示意；附图2为流槽剖示图；附图3为10Bi90Al偏晶合金相图(×12)。
实施例1配制10％Bi(重量百分比，以下均同)，其余为Al的二元偏晶合金，由Al-Bi二元相图上查得该合金的双结点线临界温度为800℃，偏晶线温度657℃。将该合金放入石墨坩埚中，在电阻炉内熔化，并加热至900℃(双结点线以上100℃)，保温一段时间，使其均匀化以后，将其注入保温中间包中，中间包加热温度为920℃。当中间包中合金熔体的液面升到指定高度时，打开中间包底部的水口，将其控制注入一特制的石墨流槽中进行动态预冷却，控制浇铸速度使注流水口有效直径为Φ2mm，注流速度为0.8m/s，(注锭速度2.5cm3/s)，特制流槽与地面夹角为60度，由流动空气冷却，熔体经预冷却后，注入锭模前的温度为700℃左右(高于固相线温度约40℃左右)。特制铸模为石墨制成，内径20mm，其铸锭凝固速度为8mm/s(2.5cm3/s)，，即单位时间注入锭模的液体量与锭模中同一时间内凝固量相等，冷却后，获得第二相Bi粒子分布均匀的Al-Bi铸锭，其金相组织如图3所示。
实施例2配制10％Pb，5％Si，其余为Al的三元偏晶合金，由Al-Pb二元相图查得该合金双结点线临界温度为960℃，Al-Si二元合金的液相线为630℃，采用如实施例1所述的方法，其中选用熔化及加热温度为1100℃(高于双结点线140℃)，控制浇铸速度，便注流水口有效直径为Φ4mm，注流速度为1.56m/s(注锭速度19.6cm3/s)，预冷却后的熔体温度为780℃(高于开始凝固点150℃)，不锈钢制特制流槽，水冷，与地面夹角为30°，特制铸模为不锈钢制成，水冷，内径Φ50mm，其铸锭凝固速度10mm/s(19.6cm3/s)，冷却后获得第二相Pb粒子分布均匀的Al-Si-Pb偏晶合金铸锭。
实施例3配制10％Bi，3％Sn，5％Si.其余为Al的偏晶合金，如实施例1中所述的方法控制铸造，注流速度为2.4m/s，水口有效直径为Φ4mm(注锭速度30cm3/s)，特制铸模为不锈钢制造，油冷，铸板截面尺寸为10×200mm，该合金在铸模中凝固速度为15mm/s(凝固速度30cm3/s)，冷却后得到了第二相Bi粒子分布均匀的偏晶合金铸板。
实施例4配制20％Pb，4％Sn，其余为Cu的三元偏晶合金，由Cu-Pb二元相图，该合金液相线临界温度为1010℃，固相线(析出Cu)为955℃，将该合金由中频电炉加热熔化并升温到1200℃，然后注入1210℃的保温中间包中，控制铸的条件为注流速度0.6m/s，水口有效直径Φ5mm(注锭速度120cm3/s)，石墨制特制流槽，由三片组装而成，总长600mm，外壳由碳钢制成，外壳与石墨片之间流动空气冷却，流槽与地面夹角45°，熔体经流槽预冷却后温度为970℃，特制铸模为板型，铸板截面尺寸为40mm×600mm，该合金在锭模内的凝固速度为5mm/s(120cm3/s)，冷却后获得了第二相Pb粒子分布均匀的铅青铜铸板。
实施例5配制30％Pb，5％Sn，1％Ni，其余为Cu的四元偏晶合金，由Cu-Pb二元相图，含30％Pb时液相线临界温度为990℃，固相线955℃(析出Cu)。采用如实施例4中所述的方法，控制铸的条件为注流速度4.2m/s，水口有效直径Φ3mm(注锭速度30cm3/s)，特制铸模由铸铁制成，内部水冷，铸锭直径Φ50mm，铸锭凝固速度15mm/s(30cm3/s)，冷却后获得了第二相Pb粒子分布均匀的铅青铜铸锭。
实施例6配制12％Bi，2％Sn，10％Al，其余为Zn的锌基偏晶合金，由Zn-Bi二元相图上，含Bi10％时，双结点线临界温度为510℃，偏晶线(析出Zn)温度427℃，将合金加热熔化，并升温至550℃后，注入保温中间包，控制铸造条件为注流速度5.6m/s，水口有效直径Φ2.1mm(注锭速度19.4cm3/s)，碳钢制流槽，内部循环气冷却，熔体预冷却温度440℃，碳钢制特制铸模内径42mm，铸锭凝固速度为14mm/s(19.4cm3/s)，冷却后得到第二相Bi粒子分布均匀的锌基偏晶合金铸锭。
本发明制造的偏晶合金的金相特点是组织均匀，致密，第二相粒子尺度适中，因此有良好的轴承性能。以Cu-Pb合金为例，30Pb，5％Sn，1％Ni其余为Cu的偏晶合金采用本发明制备的轴承，其疲劳强度高达60MPa，而同样成份的材料，用粉末冶金法制备的轴承其疲劳强度仅为42MPa(引起轴承20％工作面疲劳剥落的比压力)。同时，本发明所需的制造成本也比粉末冶金法低的多。
权利要求
1.一种偏晶合金减磨轴承材料的控制铸造技术，主要针对下述偏晶合金a.Al基偏晶合金如Al-Bi或Al-Pb基合金；b.Cu基偏晶合金如Cu-Pb基合金；c.Zn基偏晶合金如Zn-Bi或Zn-Pb基合金；其工艺过程为首先将偏晶合金熔化，并加热至双结点线以上10～250℃，便其成为成份均匀的单相合金熔体；其特征在于对铸造过程施行下述控制(1)控制注锭速度，使单位时间注入铸锭模中的合金熔体量与铸锭模中合金的凝固量相等，即v1·S1＝v2·S2，其中v1为高温熔体的注流速度，v2为铸锭中凝固速度(即铸锭模中固—液界面向上推移的速度的速度)，S1为注水口有效截面积，S2为铸锭截面积，S1/S2控制在0.005～0.3范围之内)；(2)对流动的偏晶合金熔体进行动态预冷却，使其接近该合金凝固点，一般为该合金开始凝固点以上5～150℃；(3)对铸锭进行强制冷却，其冷却速度应保证，铸锭凝固速度v2在5～15mm/s之间变化。
2.专利权要求1所述铸造技术的设备，包括加热炉(1)、保温中间包(2)、铸锭模(4)，其特征在于在中间包(2)与铸锭模(4)之间设置一可用循环水强制冷却的流槽(3)，流槽(3)与地面倾斜5°～80°的夹角。
3.按权利要求2所述铸造技术专用设备，其特征在于所用铸锭模(4)外如有强制水冷套(5)。
4.按权利要求2，3所述铸造技术专用设备，其特征在于所述流槽(3)与地面倾斜角最好在30°～60°。
全文摘要
一种偏晶合金减磨轴承材料的控制铸造技术，需先将合金熔化为均匀单相熔体，其特征在于对铸造过程施行下述控制(1)控制注锭速度，使注入量与凝固量相等；(2)对流动合金熔体动态预冷却；(3)对铸锭强制冷却。本发明可低成本生产匀质偏晶合金，并最大限度的减少这种合金在重力场下严重的重力偏析。
文档编号B22D21/00GK1121452SQ9411258
公开日1996年5月1日 申请日期1994年10月26日 优先权日1994年10月26日
发明者冼爱平, 张修睦, 陈继志, 李忠玉, 刘清泉 申请人:中国科学院金属研究所