一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Pb合金的方法与流程

本发明属于Al-Pb轴瓦合金材制备技术领域，具体地说是一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Pb合金的方法。

背景技术：

铝基轴瓦材料具有质轻、高导热性、高耐腐蚀性和良好的摩擦磨损性能等特点，在汽车工业、航空航天、机械制造业等领域具有十分广泛的用途，在国民经济中占有重点地位。长期以来，多选用Al-Sn合金作为轴承和轴瓦的减磨材料。但是Sn是储量少而用途多的金属，同时Sn与Al不容易在摩擦表面形成自润滑膜。为了扩大铝基轴瓦材料的应用范围必须进一步提高铝合金的耐摩擦性能。铅是比锡更软的金属，而且Pb比Sn更容易在摩擦表面形成一层铅润滑膜，表面性能更优越，能使摩擦生成物尺寸小、硬度小，减少了轴瓦的磨损，提高了耐摩擦性和耐疲劳性，并能长久地保持轴瓦高的表面质量。Al-Pb合金是代替Al-Sn合金的最佳选择，研究与开发新型Al-Pb耐磨合金具有重要的技术意义和经济意义。

Al-Pb合金相图如图1所示，其在液态存在着组元不混溶温度区间(L₁+L₂，L₁和L₂分别为富集不同组元的熔体)。当均一的合金熔体冷却到L₁+L₂区内时，它将发生液-液相变(L→L₁+L₂)，富Pb相液滴自熔体中沉淀析出。由于两液相间的比重差很大，液-液相变期间极易形成相偏析严重乃至两相分层的现象，因此，制备具有弥散型凝固组织的Al-Pb合金极为困难，这限制了Al-Pb合金的工业应用。采取适当的措施，提高弥散相液滴的形核率，从而减小弥散相液滴的尺寸及迁移速度，减缓相偏析的形成速度，是制备Al-Pb合金的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Pb合金的方法，采用铸造技术，以Al-Ti-C中间合金的形式向Al-Pb合金熔体中添加微、纳米尺寸TiC粒子，这些粒子作为Al-Pb合金液-液相变过程中富Pb相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Pb相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb合金复合凝固组织的形成。

本发明的技术方案是：

一种通过添加形核剂制备具有弥散型复合凝固组织Al-Pb合金的方法，该方法采用铸造技术(模铸或连铸)，通过向Al-Pb合金熔体中添加微、纳米尺寸的TiC粒子，在Al-Pb合金熔体冷却发生液-液相变时，TiC粒子作为富Pb相液滴的形核基底，从而提高富Pb相液滴的形核率，凝固后形成具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb合金。

所述TiC粒子以Al-Ti-C中间合金的形式加入Al-Pb合金熔体中，Al-Ti-C中间合金中Ti元素与C元素的摩尔比例为(1～1.1)：1。

所述Al-Ti-C中间合金的添加温度为：在Al-Pb合金熔体温度在1050℃以下，同时在Al-Pb合金的平衡液-液相变温度T_b以上时加入。

所述Al-Ti-C中间合金的加入量应保证合金熔体浇注前其内部有足够多的TiC残余粒子，TiC粒子的加入量可由式(1)确定：

wt％TiC≥8×10^-18D³ (1)；

TiC粒子的最佳加入量由式(2)确定：

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

式(1)和(2)中：D为Al-Ti-C中间合金中TiC粒子的直径，单位为米；wt％TiC表示Al-Pb合金中TiC的重量百分数。

所述Al-Pb合金中Pb元素含量小于15wt.％。

所述Al-Pb合金的熔炼温度在Al-Pb合金的平衡液-液相变温度T_b+100以上，在1050℃以下。

所述的浇注温度在Al-Pb合金的平衡液-液相变温度T_b以上，在T_b+100℃以下。本发明所制备的Al-Pb合金中，Pb元素以粒子形式弥散分布于Al基体中。

本发明的原理如下：

本发明通过向Al-Pb合金熔体中添加微、纳米尺寸TiC粒子，这些粒子可作为Al-Pb合金液-液相变过程中富Pb相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Pb相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb合金复合凝固组织的获得。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用异质形核技术，控制Al-Pb合金的凝固动力学，获得具有Pb以粒子形式弥散分布于Al基体的Al-Pb合金复合材料，满足工业需求。

2、本发明尤其适合于冷却速度较快的铸造技术，如：铸锭尺寸较小，金属型、石墨型铸造，薄板连铸等。

附图说明

图1为偏晶合金示意相图。

图2为Al-Ti-C中间合金组织。中间合金成分为Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C。图中白色粒子为TiC粒子。

图3为Al-7wt％Pb合金试样的金相；图中：(a)未添加TiC粒子，(b)添加了15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。图中黑色相为Al基体，白色相为Pb粒子。

图4为Al-5wt％Pb合金试样的金相；图中：(a)未添加TiC粒子，(b)添加了15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。图中黑色相为Al基体，白色相为Pb粒子。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

Al-Pb合金凝固时极易形成偏析严重乃至两相分层的凝固组织，制备极为困难。本发明研究了TiC粒子对Al-Pb合金凝固行为及组织的影响，发现微、纳米尺寸TiC粒子能显著提高Al-Pb合金液-液相变过程中弥散相富Pb相液滴的异质形核率、细化凝固组织、促进弥散型凝固组织的获得。据此，本发明通过向Al-Pb合金熔体添加微、纳米尺寸TiC粒子，制备Al-Pb合金弥散型复合材料。在合金熔体冷却到Al-Pb合金的平衡液-液相变温度T_b(见图1)以上时加入TiC粒子， TiC粒子以Al-Ti-C中间合金的方式加入合金熔体中，图2所示为Al-Ti-C中间合金(Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C)组织图。用此方法制备的Al-Pb合金组织如图3、图4所示。

实施例1

如图3所示，铸造Al-7wt％Pb合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加TiC粒子的试样相比，添加TiC粒子的合金试样中富Pb相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。

其制备过程如下：

用电阻炉熔炼Al-7wt％Pb偏晶合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Pb的溶解，然后向合金熔体中添加15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。中间合金中TiC粒子的平均直径约为300nm。中间合金加入后搅拌熔体3-5min，当合金熔体温度为980℃时浇注。

实施例2

如图4所示，铸造Al-5wt％Pb合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加TiC粒子的试样相比，添加TiC粒子的合金试样中富Pb相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。

其制备过程如下：

用电阻炉熔炼Al-5wt％Pb合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Pb的溶解，然后向合金熔体中添加15wt％的Al-1.36wt％Ti-0.34wt％C合金。中间合金中TiC粒子的平均直径约为300nm。中间合金加入后搅拌熔体3-5min，当合金熔体温度为960℃时浇注。