简介概要

颗粒成形Al-Pb合金板材的微观结构与力学性能

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z2期

论文作者：邓运来张新明娄燕雄刘贵材

文章页码：103 - 106

关键词：铝铅合金；微观结构；性能

Key words：Al-Pb alloy； micro structure； mechanical properties

摘要：研究了Al₈Pb₃Si₂Sn₁Cu(质量分数 ,% )合金的颗粒在挤压轧制成形时 ,合金的微观结构与性能。结果显示 :Al-Pb合金颗粒中Pb分布在枝晶间隙或“嵌”在基体中 ;Al-Pb合金颗粒经挤压轧制及随后的退火 ,合金板材中低熔点Pb ,Sn第二相均匀地呈球形分布 ;合金强度 (σ_b)可达 95 .8MPa,延伸率 (δ)可达 16 .3% ;在变形过程中 ,Al-Pb合金颗粒的新生表面层中低熔点Pb ,Sn第二相的重新分布影响材料的强度与延伸率。

Abstract: The micro structure and mechanical properties of Al₈Pb₃Si₂Sn₁Cu(mass fraction, %) in the process of achieving the sheet from particles by extrusion, rolling and heating were investigated .The results show: the low smelting point phase including lead and tin is well distributed; the strength and stretch rate of the finished product respectively are 95.8 MPa and 16.3%; the existing situation of lead and tin in the new interface of particles is changed by deformation, which affects the strength ( σ_b) and stretch rate ( δ %) of the finished product.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.023

颗粒成形Al-Pb合金板材的微观结构与力学性能

邓运来张新明娄燕雄刘贵材

中南大学材料科学与工程系

中南大学材料科学与工程系长沙410083

摘要：

研究了Al 8Pb 3Si 2Sn 1Cu (质量分数 , % ) 合金的颗粒在挤压轧制成形时 , 合金的微观结构与性能。结果显示 :Al Pb合金颗粒中Pb分布在枝晶间隙或“嵌”在基体中 ;Al Pb合金颗粒经挤压轧制及随后的退火 , 合金板材中低熔点Pb , Sn第二相均匀地呈球形分布 ;合金强度 (σb) 可达 95 .8MPa, 延伸率 (δ) 可达 16 .3% ;在变形过程中 , Al Pb合金颗粒的新生表面层中低熔点Pb , Sn第二相的重新分布影响材料的强度与延伸率。

关键词：

铝铅合金;微观结构;性能;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2001-08-29

Microstructure and mechanical properties of Al-Pb alloys in process of achieving sheet from particles

Abstract：

The micro structure and mechanical properties of Al 8Pb 3Si 2Sn 1Cu (mass fraction, %) in the process of achieving the sheet from particles by extrusion, rolling and heating were investigated .The results show: the low smelting point phase including lead and tin is well distributed; the strength and stretch rate of the finished product respectively are 95.8?MPa and 16.3%; the existing situation of lead and tin in the new interface of particles is changed by deformation, which affects the strength ( σ b) and stretch rate ( δ %) of the finished product. [

Keyword：

Al Pb alloy; micro structure; mechanical properties;

Received： 2001-08-29

Al-20Sn-1Cu合金作为轴瓦的耐磨与减摩层材料已有60多年的历史。 Al合金轴瓦材料的发展趋势之一是加Si并减少Sn含量 ^[1] , 例如Al-10Sn-3Si-1Cu合金。 Si的加入不但提高了基体强度, 而且改善了轴瓦的早期磨合性 ^[1,2,3,4] 。另一种趋势是用Pb代Sn, 因为Pb比Sn有更好的早期磨合性, 同时Pb比Sn更便宜。已经证实Al-Pb作为轻、中载与高速内燃机的曲轴与连杆轴瓦的耐磨与减摩层材料, 具有比Al-Sn合金更好的耐磨与减摩综合性能 ^[5,6] 。然而, Al-Pb系有一个液态不混熔区 ^[7] , 在常规的铁模铸造与半连续铸造过程中, “Pb团”会迁移、粗化, 液相中不可避免地出现Pb贫化。由于Al, Pb密度相差大, 凝固后 Pb会产生严重的比重偏析 ^[8] 。为此, 出现了很多克服Al-Pb合金比重偏析的成形方法, 典型的方法有: 1) 将Al-Pb合金熔炼, 采用喷雾快速凝固方法制粉末再进行轧制 ^[9,10] ; 2) 将Al-Pb合金熔炼, 采用强制搅拌铸造再轧制成板材 ^[11,12] ; 3) 采用喷射沉积直接制成合金带坯 ^[13] 。作者研究了Al-Pb颗粒在挤压-轧制制备板材时Al-Pb合金的微观结构与力学性能。

1样品制备与实验方法

采用的合金成分为Al-8Pb-3Si-2Sn-1Cu (质量分数, %) 。将99.7%工业纯铝熔化, 加热到950 ℃, 再加入Pb, Sn, Al-Si, Al-Cu中间合金, 充分搅拌, 倒入一个四周打孔的旋转圆筒中造粒。将制得的粒子加热到250 ℃后填入d60 mm的挤压筒中, 挤成5 mm×30 mm横截面的板材。将挤制板材轧制成0.4 mm×30 mm横截面积的板材, 然后将轧制板材在300 ℃下经2, 4, 6, 8, 10 h退火。

用SEM (KYKY1000) 作组织结构观察; 用SEM的EDS附件分析合金元素的分布; 力学性能检测在WD-10A型电子万能拉伸机上进行, 夹头移动速度为3.3×10^-2 m/s, 传感器量程为9.8×10² N, 按GB6397-86制作拉伸试样, L₀=40 mm。

2实验结果

合金颗粒的光学金相、 SEM相及EDS分析结果如图1, 2所示。 Pb可分布在枝晶间隙, 也会以较大颗粒“嵌”在基体内。合金颗粒挤制板材的纵向微观结构如图3所示, 从图中可以看出: 合金粒子经挤压变形后结合密实; 低熔点的Pb, Sn相呈球形分布, 局部顺挤压方向呈较粗的条状分布。图4, 图5所示分别是挤制板材经轧制退火 (300 ℃, 6 h) 后的板平面光学金相和SEM观察结果。由图中可以出经300 ℃, 6 h退火, Pb分布均匀, 已经球化。图6所示是300 ℃下退火时间 (t=2, 4, 6, 8, 10 h) 与强度 (σ_b) 和延伸率 (δ) 的关系曲线。 6 h退火后强度最高, 延伸率随退火时间的延长而升高。

3分析与讨论

Al-1.52%Pb合金共晶点为659 ℃, 在常温与颗粒挤压加热温度 (250 ℃) 下, Pb和Sn几乎不会固溶于Al基体, 但在950 ℃下熔炼时, Al-Pb处于液态单相区。在强力搅拌作用下, Al-Pb能混合均匀。旋转圆筒中的熔体在离心力作用下从筒壁孔甩入水中而快速冷却, Pb来不及完成液态时的分层、聚集就已凝固。由于Pb的熔点比基体低得多, 故Pb主要分布在枝晶间隙中 (如图1所示) 。图1中较大的球形Pb团, 可能是在粒子的飞行过程中, 枝晶骨架未完全形成时, Pb在离心力作用下绕过枝晶骨架发生的聚集。

图1 合金颗粒的光学金相

Fig.1 Metalograph of alloy particle

Pb-61.9%Sn合金共晶点为183 ℃, 在熔炼与凝固过程中很容易聚集在一起, 成为合金中第二相的主要成分 (如图2所示) 。图2的EDS结果还显示, 在低熔点第二相中含有Si, 出现“Pb包Si”微观结构, 这与Al-Sn-Si合金中的“Sn包Si”微观结构非常相似, 这一显微结构被认为是改善Al-Sn-Si合金磨合性的关键因素 ^[2,4] 。

如图3所示, 合金颗粒在250 ℃挤压成型时, 合金颗粒的平均变形程度达到98.8%, 合金颗粒延长, 表面积增加, 在强烈的三向压应力作用下, 合金颗粒结合在一起。由于变形温度超过了Pb和Sn固熔体的熔点, 低熔点相 (主要成分为Pb, Sn) 成球形或类球形分布在基体中, 同时, 变形热与颗粒间的摩擦热会使新生表面层的低熔点第二相 (主要成分为Pb, Sn) 熔化、聚集, 顺挤压方向呈条状分布。

图2 合金颗粒的SEM相及微区EDS分析结果

Fig.2 SEM photograph (a) and EDS result (b) for alloy particle

图3 挤制板材板平面的SEM相

Fig.3 SEM photograph of plane for extruded sheet

制材经300 ℃退火后, Pb均匀分布在板平面上 (图4) , 从SEM相 (图5) 可看出Pb会球化, 即使是挤压时形成的Pb局部粗条状分布也会球化, 在微观上为能连成一线的小球形 (小于10 μm) 。

图4 轧制退火板材的板平面光学金相

Fig.4 Metallograph of plane for rolled sheet after annealing

图5 轧制退火板材板平面SEM相

Fig.5 SEM photograph of plane for rolled sheet after annealing

图6t-σb-δ%关系曲线

Fig.6t-σ_b-δ% curves

随着退火时间的延长, 合金的强度先升后降, 延伸率上升。这说明低熔点第二相的分布与形状影响了合金的力学性能。轧制后, 合金的强度与延伸率都低, 可能是局部低熔点Pb和Sn的粗条状分布引起的。随着退火时间延长到6 h, Pb, Sn固熔体的球化已经基本完成, 此时, 强度达到峰值, 延伸率也较高。再延长退火时间, 合金基体可能发生再结晶, 强度下降, 延伸率继续上升。