（材料加工工程专业论文）机械合金化alpbcu合金与钢背的轧制复合及其结构与性能的研究.pdf

摘要 摘要 a 1 p b 系合金足一种能够对社会产生巨大经济效益的耐磨材料。本文采用机 械合金化( m a ) 高能球磨的手段制备了添加c u 的a l p b 系合金粉末，并将其与 钢背轧制复合制备滑动轴承材料。采用金相显微分析、x r a y 衍射分析、扫描电 镜( s e m ) 、拉伸强度实验以及摩擦磨损试验等手段对机械合金化a l p b c u 合金 的组织结构、a l p b c u 合金与钢背轧制复合过程、烧结过程中的组织结构变化、 烧结得到的合金层的结合强度与摩擦磨损性能进行了分析和测试。 结果发现：通过机械合金化的手段能够制备p b 均匀弥散分布于a l 基体上的 a l p b c u 合金。球磨后出现纳米数量级的p b ，p b 的平均晶粒尺寸约1 0 n m ，比未 加c u 的m a a i p b 合金所得到的p b 晶粒更细小。与m a a i p b 合金相比，c u 元 素有促进品粒细化的效果。 将a l p b c u 台金粉末与钢背冷轧复合后，发现粉末已经能较好地和钢背结合 在一起。在合金层中，细小的p b 相保持均匀弥散分布。为使材料获得最大的致 密度和最佳的性能，将制得的复合金属条坯进行不同温度的烧结实验。结果发现， 随着烧结温度的升高，p b 粒子会长大，在8 7 3 k 时氏大到2 4 0 n m 左右。然而，p b 粒子基本上仍保持了均匀弥散的分布状态，而且其晶粒的长大相对压制烧结的 a l p b 合金和快速凝固法制各的a 1 p b c u 合金而言，要轻微很多。由此可见，轧 制后的烧结工艺确实能够保持优良的组织、结构和性能。另外，烧结过程中一部 分p b 颗粒的液相强化烧结作用对合金致密化做出贡献，另一部分p b 仍能均匀弥 散地分布在墓体中。 在轧制复合后的烧结过程中，a l s t e e l 界面的宽度可达i 4pm ，而 a i a i p b c u 界面可达l oum ，达到了较好的冶金结合。随着烧结温度的升高，结 合强度呈现先增大而后缓慢降低的趋势。 对a i p b c u 轧制复合合金的耐磨性能的研究结果表明：4 0 0 。c 烧结的合金比 5 0 0 。c 烧结的合金具有稍妤的磨合性，能更快的进入稳定磨损阶段。而且，不同载 倚下对磨损性能的测试也表明，4 0 0 。c 烧结合金的磨损性能比其它温度烧结的合金 稍好。对磨损形貌的s e m 分析表明：该合金以粘着磨损、磨粒磨损的磨损形式 为主，并辅以剥层磨损。 华南珲= 大学硕士学位论文 作为一种新型的、成本低廉和性能优良的滑动轴承材料，m a a l p b c u 合 金与钢背轧制复合技术具有广泛而诱人的应用前景。 关键词：a 1 p b c u 合金：滑动轴承材料；机械合金化：轧制复合合金：磨损 a b s t r a c t a l _ p ba l l o yi sw e a rr e s i s t a n c em a t e r i a lw h i c hc a nb r i n g so u t g r e a ts o c i a l e c o n o m i ci n t e r e s t s i nt h i sw o r k ，a i p ba l l o yp o w d e rw i t ha d d i t i o no fc uw a sp r e p a r e d b ym e c h a n i c a la l l o y i n g ( m a ) t h r o u g hh i g he n e r g yb a l lm i l l i n g t h e n ，s l i d i n gb e a r i n g m a t e r i a lw a sf a b r i c a t e df r o mt h ep o w d e rw h i c hw a sr o l l e dw i t hs t e e lb a c ka tr o o m t e m p e r a t u r e t h e m i c r o s t r u c t u r eo fm aa i p b c u a l l o y ，r o l l i n gp r o c e s so fm a a i p b c ua l l o yp o w d e rw i t hs t e e lb a c k m i c r o s t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o ni n s i n t e r i n g p r o c e s s ，b o n d i n gs t r e n g t h a n dw e a r p r o p e r t i e s o fm aa i p b c u m l o y w e r e i n v e s t i g a t e db yo m ( o p t i c a lm i c r o g r a p h ) ，x r d ( x r a yd i f f r a c t i o n ) ，s e m ( s c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o g r a p h ) ，b o n d i n gs t r e n g t ht e s ta n dw e a rt e s t i tw a sd i s c o v e r e dt h a tm aa 1 一p b - c ua l l o y , o fw h i c hp bp a r t i c l ed i s p e r s e df i n e l y a n dh o m o g e n e o u s l yw i t h i na im a t r i x ，c a nb e p r e p a r e dt h r o u g hm am e t h o d t h e n a n o s c a l ep bp a r t i c l e ，w i t ha v e r a g eg r a i ns i z eo f1 0 n m ，i sm u c hf i n e rt h a nt h a ti nm a a l p ba l l o y t h ea d d i t i o ne l e m e n tc uh a sa ne f f e c to fa c c e l e r a t i n gg r a i nf i n i n gr a t ei n m a p r o c e s s m aa 1 _ _ p b c ua l l o yp o w d e ri sf o u n dt ob i n dc o m p a r a t i v e l ys t r o n g l yw i t hs t e e l b a c ka f t e rb e i n gr o l l e dw i t ht h eb a c k i no r d e rt og e tt h em o s td e n s i t ya n dt h eb e s t p e r f o r m a n c e ，s i n t e r i n gp r o c e s sa tv a r i e dt e m p e r a t u r ei sc a r r i e do nt h ec l a ds t r i pw h i c h w a sm a d eb yc o l dr o l l i n g a st h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r er i s e s ，p b p a r t i c l ek e e p s g r o w i n ga n dr e a c h e st ot h es i z eo f2 4 0 n m a t8 7 3 k h o w e v e r , p bp a r t i c l e ss t i l ld i s p e r s e f i n e l y a n dh o m o g e n e o u s l yo nt h ew h o l ea n dt h ea v e r a g eg r a i ns i z eo fp bi nm a a l p b c uc l a da l l o yi sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to fm aa i p ba l l o ya n dt h a to f r a p i d l y s o l i d i f i c a t i o na i p b c n a l l o y i ti s o b v i o u st h a t r o l l i n ga n ds u c c e e d i n gs i n t e r i n g p r o c e s sc a nm a i n t a i nt h em e r i to fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fm aa i p b - c ua l l o y m o r e o v e r ，t h ei n t e n s i f i c a t i o no fp bl i q u i dp h a s ec o n t r i b u t e st od e n s i f i c a t i o no fa l l o y p o w d e rd u r i n gs i n t e r i n gp e r i o d t h eb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e na 1 - - p b - c ua l l o y l a y e ra n ds t e e lb a c kh a sa n i m p o r t a n te f f e c to nb e a r i n gl i f e t h ew i d t ho fa u s t e e li n t e r f a c er a n g e sf r o miumt o4 uma n dt h ew i d t ho fa i a i p b c ui n t e r f a c ec a nr e a c ht o10uma f t e rs i n t e r i n g 1 1 i 华南理工大学硕士学位论文 p r o c e s s ，w h i c hm a n i f e s t sam e c h a n i s m o fn i c em e t a l l u r g i c a lb o n d i n g d u r i n gt h ei n v e s t i g a t i o no fw e a rp r o p e r t y ，i ti so b s e r v e dt h a tt h ea i p b c ua l l o y s i n t e r i n ga t4 0 0 c a ne n t e ri n t os t e a d i l yw e a r i n gp e r i o dm o r er a p i d l yt h a nt h a to f5 0 0 f u r t h e r m o r e a m o n gt h ea l l o y ss i n t e r i n ga tv a r i o u st e m p e r a t u r e s ，t h eo p t i m u m w e a rr e s i s t a n c ew a sn o t e df o rt h ea l l o ys i n t e r e da t4 0 0 i tc a nb ee x p l a i n e dt h a tt h e w e a l r e s i s t a n c eo ft h ea l l o y sb yh i g ht e m p e r a t u r es i n t e r i n gw i l lb eu n d e r m i n e db yi t s l o wh a r d n e s sa n dt h ew e a rv o l u m eo ft h ea l l o y sb yl o wt e m p e r a t u r es i n t e r i n gw i l l i n c r e a s eb e c a u s eo fc o l l a p s ei ns o m em i c r o s t r u c t u r e s a d h e s i v ew e a r ，a b r a s i v ew e a r a n ds t r i p p i n gw e a ro c c u r r e di nw e a rb e t w e e nb u l ks a m p l eo fm aa 1 _ _ p b c ua l l o ya n d g c r l 5w e a rr i n g a san e w s t y l e 1 0 w c o s t ，a n dh i g hq u a l i t ys l i d i n gb e a d n gm a t e r i a l ，m aa i p b - c u a l l o yh a sap r o m i s i n ga n da t t r a c t i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ，a l o n gw i t ht h ec o l dr o l l i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：a i p b c ua l l o y ：s l i d i n gb e a r i n g m a t e r i a l ；m e c h a n i c a la l l o y i n g r o l l c o m p a c t e da l l o y ：w e a r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 式标明。本 作者签 篡彩的铬诞v 和集体，均已在文中以明确方 法律后果由本人承担。 日期：年月日 使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e j 件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 奉学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密曰，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相 作者签名： 导师签名： “0 ”、 日期： 日期： 年月 日 年月日 第一节绪论 第一章绪论 1 1 引言 滑动轴承是机械主机和装备的重要基础件之一，它广泛应用于国民经济各部 门、各领域。其产品的多样性和应用的广泛性，决定了它与主机产品其存共荣， 与国民经济保持同步发展的特性。 世界市场对耐磨轴承产品的需求以每年7 的速度增长，预测2 0 0 3 年将超过 4 0 0 亿美元。工业化国家拥有巨大和成熟的滑动轴承市场，但发展中地区，如 亚洲、拉丁美洲、非洲和中东也表现出对滑动轴承产品的快速增k 的需求。世界 滑动轴承 ? 业发展迅速，在设计、材料选用、密封和润滑等方面部有很大突破。 己知滑动轴承产品在品种上规格十分丰富，在振动、噪声与异音方面，日本己推 m 静音及超静音轴承；在寿命与wj 靠性方面，国外名牌产品的寿命般为计算寿 命的8 倍以卜( 最高可达3 0 倍以卜) ，可靠性为9 8 以卜- ( 或追求与主机等寿命) 。 l l l 匿 。一一。_ 豳，_ 匿 u 3 al a t i n w e s t e r n d 卅o a n 觚e r i c ee u r o p e 图1 1 世界轴承需求量( 百万美元) f i 9 1 一lw o r l db e a t i n gd e m a n d ( u s $ m i l l i o n ) 我国轴承t 业于1 9 5 0 年开始起步建设，经过半个世纪的发展，已经形成了比 嘞 帅 o 5 毒 3 2 i 华南理工大学硕士学位沦文 较系统完整的生产与技术体系，成为排名于日本、美国和德国之后的世界轴承生 产第四大国。近年来，我国的滑动轴承工业整体上保持着稳定良好的发展势头， 国内外宏观经济环境及轴承国内外市场需求起着决定性作用和重要影响。我同坚 持扩大内需的方针，例如国家经贸委2 0 0 1 年下达的第二批国家重点技术改造“双 高一优”项目导向计划口l ，其中轴承行业个项目，总投资8 8 亿元，重点支持 精密轴承、轿车轴承、铁路提速列车轴承、冶金矿山机械轴承的发展。“三车”、 “i 机”电是近年来我国重点基础设施建设和国家财政政策支扮项目中所需要的 机械主机和装备，而“_ 一车”、“三机”所需要的配套与维修轴承仍将是轴承需求 的重点领域。如以汽车、摩托车、铁路客货车、工程农机车辆( 含农用运输车) 为代表的“三车”和以冶金、矿i l j 、石油化工机械、精密机床、电机为代表的“三 机”产品，其配套与维修的需求量大，产品附加值高，都是轴承需求的主要大户。 因此，发展高精度、高可靠性、高技术含量、高附加值、低磨擦、低振动、低噪 声的轴承产品，是我国轴承行业的发展目标。 摩擦磨损问题在滑动轴承制造技术和实际应用中是一个重要问题，并且近4 0 年来一百在科学研究领域中处于重要的位置。磨损是金属零件失效的三种主要原 因( 磨损、腐蚀和疲劳) 之一，根据不完全统计，能源的1 1 31 2 消耗于摩擦与 磨损：对材料来说，约8 0 的零件失效是由磨损引起的，世界各国尤其工业发达 国家对摩擦磨损进行了积极系统的研究。邵荷生将磨损定义为“由于机械作嗣， 怒一杂秘 间或伴有化学和 ( 或) 电的作用， 物体工作表面材料 在相对运动中不断 损耗的现象引。一 般认为：磨损是摩 擦的结果，摩擦是 磨损的起因。具有 更好的耐磨性能， 更低摩擦系数，更低成本的耐磨材料一直是人f j 努力追求的一个目标。经过多年 不懈的探索，在该领域取得了众多有意义的成果。研究发现如果材料是由一种较 硬的组分分布于较软的基体的话，那么这种材料的耐磨性能就会较好，甚至相当 2 第一常绪论 f 自润滑材料，( 如图l 一2 所示1 4 1 ) 。当机器运转之后，软的基体很快就会被磨损 而凹下去，硬的质点比较抗磨而变得凸起来，这样凸起来的硬质点支承轴所施加 的压力，叫下去的坑可以贮存润滑油，从而保证了近乎理想的摩擦条件和极低的 摩擦系数。同时软的基体还能起潜藏硬质点的作用，从而保汪轴颈不被擦伤。其 中c u p b 和a l s n 系合金就属于这种结构。反之亦然，硬基体卜分布着软质点的 组织形式也可以达到同样的日的，只是同前者比较起来，磨合能力要差一些。 对于滑动轴承材料来说，挠性、润滑材料湿润性、嵌入性、耐磨性、抗咬粘 性、与配对材料的相容性、磨合性、机械承载能力和疲劳强度等性能决定了材料 的使用场合和范围，但是，没有一种材料能同时满足上述的要求，囚此，针对各 种使用范围逐渐形成滑动轴承材料各种各样的组合。近年来，滑动轴承合金材料 的研究工作蓬勃发展：含高铅的巴氏台金由于塑性好，且铅具有特殊的润滑性能， 很早被使用，现在仍应_ l | ：j 于表面粗糙的低载轴承，并被继续改进性能以适应高速 重载的应用场合晤6 i ；含锕多于5 0 的铜合金轴承材料 7 9 1 利刖了铜的导热系数 高而机械性能好的特点，其中含高锡的铅锡青铜大多用于轴瓦；基体硬度适中的 锌基材料综合性能较好1 0 i ；新型的铝基轴承材料”“7 1 的承载能力高同时滑 动性和磨损性能也较好。 1 2a l p b 系轴承合金 1 2 1a 1 一p b 系合金发展史 以汽车工业为例说明，汽车尤其是乘用轿车的发展对汽车的发动机提出了向 高速、高载荷、低污染和低能耗等方向发展的要求，相应的对发动机轴瓦的要求 是：l ，优良的承载能力和抗疲劳性能：2 ，良好的表面性能和减磨性能，当然经 济成本也要考虑在内。 就目前而言，c u p b 作为新一代的耐磨材料已经在汽车轴承上得到了应用。 但是c u p b 合金耐蚀性和适应性较差，只适用于重载、低速发动机。锚基轴承台 金是6 0 年代发展起来的一种新型减磨材料8 i ，它具有下歹0 特点：承载能力大、耐 磨性好、耐蚀性好、适应性广。汽油机及小型柴油机有很大一部分采用铝基合金 作为轴承材料，而且正在中型柴油机中扩展。最甲的铝合金轴承材料，主要是 a i s n 系合金，它们常常具有良好的表面和耐蚀性能，但是因为锡储量少，价格 较昂贵，使得轴承的经济成本过高，而且单就与轴的配合上来讲，锡的表面性能 牛南辉工大学硕士学位论文 不如铅，常常还会引起较大的磨损”】。这是因为p b 是较软的金属，比s n 更易形 成一层润滑膜，从而降低轴与轴承之问的摩擦。正因为如此，于是人们开始尝试 使用比s n 廉价数倍的p b 来代替s n 制造a l p b 耐磨合金以降低成本，提高耐磨 性，研究并开发了以铅代锡的铝铅合金轴承。 而铝铅合金是在铝锡台金中添加铅、硅等元素而发展起来的。研究表明，合 金中加入铅与锡，轴承合金的表面性能会提高。日本d 公司所开发的一系列铝基 轴承合金 2 0 】中，a 1 7 x 对球墨铸铁轴承具有优良的抗咬粘性能，现已成为发动机 轴承的t 耍材料：用粉末冶金的方法制造的a 1 1 7 具有国内发动机所要求的耐疲劳 性，对钢轴和球墨铸铁轴均有良好的抗咬粘性，其应用目益增加。 a l p b 合金足7 0 年代由美国发展起来的一种新型汽车发动机用轴瓦材料。由 于铅的弹性模量和剪切强度极低【2 “，使a l p b 轴瓦合金具有低磨损率，良好的防 抱死和减磨性能、可靠的承载能力和适应性尤其与目前广泛应用的球墨铸铁曲轴 可理想匹配，能满足中等载荷的高速发动机要求。如前所述，用铅取代锡，证技 术和经济上具有很大优势，因而在轿车和轻型车方面得到了广泛应用。a l p b 合 金的研究报道最早见于1 9 6 9 年美国的s a e 会议报告2 2 l 和同年的a d m i c h a e l 等 发表的专利2 3 1 。美国的g o u l d 公司( 后更名为i m p e r i a lc l e v i t a ) 于1 9 6 5 1 9 7 3 年 闻对a l p b 合金进行了开发。并于1 9 7 5 年在c l e v a l a n d 建立生产厂，1 9 7 3 年投入 批量生产，产品牌号为c l e v i t e 6 6 1 2 4 。1 9 7 9 年日本n d c 公司引入该技术，并于1 9 8 1 年投产，产品牌号为f 6 6 f 2 “。经过近2 0 年的发展，在中等载荷发动机中a l p b 合 金己最具各竞争力。据统计，日本1 9 8 8 年a i p b 轴瓦的年产量即已达4 0 0 0 万片 2 6 1 ，1 9 9 4 年美国三大汽车公司生产的乘用车中，a l p b 以及含铅的a 1 s n 系合金 轴瓦的占有率已达8 0 ，年产量达7 0 0 0 万片。 国内从1 9 8 4 年开始了a l p b 系轴瓦合金的工业化开发研究，1 9 9 5 年北京有 色金属研究总院与北京汽车摩托车轴瓦厂合作，建立了年生产能力为1 0 0 0 t 的 a l p b 系轴瓦合金的生产线，并加工成轴瓦产品在国产切诺基汽车发动机、c a 4 8 8 发动机上应用，其采用的是传统的r s p m l 2 7 1 工艺生产。 1 2 2a 1 p b 系合金材料的制造技术 最初人们是用传统的铸造方法生产a 1 p b 系合金，但是遇到了许多问题，其 中尤以比重偏析为最。出现比重偏析的原因可以从以下两点来分析说明：一，从 4 第一学绪论 a l 和p b 的二元系合金相图r 2 8 1 ( 参考附录a 1 p b 合金相图) 可咀看出，住固态下两 者的固溶度几乎为零，液态下9 3 0 k 时铅在铝中的溶解度为t 0 ，二，由于p b 和 a i 的密度( 铅的密度为1 1 3 4 x 1 0 3 k m 3 ，铝的密度为2 7 x 1 0 3 k m 3 ) 差别很大， 合金熔体存冷却时会因铅下沉而引起严重的比重偏析( 分层) 。 要获得组织均匀和摩擦性能良好的a l p b 合金，关键在于要克服制各过程中 铅的比重偏析，控制合金中的软相的组织形态，也就是要铅相尽可能细小、均匀 且弥散的分布于铝基体中。为此，人们进行了各种尝试，并取得了许多有意义的 成果。下面就这些方法分别介绍： 1 铸造方法 ( 1 ) 速冷法又可以分为：( i ) 快速凝固法【2 9 j ，该方法是将a l p b 合金加热 到1 8 3 9 k 以上得到单相液柑区，然后快冷( 冷速高达1 0 0 0 k s ) ，使p b 来不及析 出k 大，从而获得均匀弥散的组织。虽然该方法能得到p b 在a l 中的均匀分布的 组织，但要求的加热温度高、冷速快，而且不一定能得到完全单一的均匀组织， 也就是说所得到的结构可能出现富铝和富铅的两种区域。( 2 ) 搅拌一速冷铸造法， 此法分为两种：一种是在液固混合液状态下搅拌铸造mj ：另一种是在液一液状态 下搅拌铸造3 刚。液一固搅拌铸造是将p b 分布于固态的a l 合金的晶界上：液液搅 拌铸造法碍到a i p b 系合金实质上是将液态f 的p b 弥散于a l 液中，随后速冷。 陔法要求温度较低，近年来研究较多。除以上方法外，还有超声波混合i ，熔体 旋淬1 法等等。 ( 2 ) 消重力法它又分为：( 1 ) 电磁场补偿重力法o ”j ，该方法根据p b 有磁性的 特点，将a i p bd n - 01 8 3 9 k 以上得到单相合金，然后在随后的冷却过程中采用电 磁场以防止重力偏析。同前该方法少有报道。( 2 ) 垂直连铸法1 ，该工艺就是使熔 体在冷凝过程中自由降落，从而避免铅的重力偏析。另外，根据同样的原理，有 人提出了空间微重力场下进行a l p b 台金铸造的方法。但这类方法难以在t 业上 应用。 ( 3 ) 水平连铸法该法就是采用水平连铸工艺f 3 引，控制熔体冷却过程中富铅相 的沉降，沿带材断面形成铅的浓度梯度分布：上表面为贫铅层，下表面为富铅层， 通过后续加工获得预定的铅分布。 这些铸造方法分类示意如图l 一3 。 5 华南理工大学硕士学位论文 匿液 漫搅 台拌 蒲液 混搅 台葶 ! 铸法 图1 3a 1 一p b 轴承合金铸造法分类 f i g l - - 3c a t e g o r i e so f c a s t i n go f a l p bb e a t i n ga l l o y 图l 一4 混合粉末烧结制造a 1 p b 合金轴承材料 f i g i 一4a l p bb e a r i n ga l l o y sm a n u f a c t u r e db ys i n t e r i n gm i x t u r eo fa ia n dt a bp o w d e r s ( 3 3 惑e 蔓妒 图1 - 5 台金粉末烧结制造a l p b 合金轴承材料m f i gl 一5a i p bb e a r i n ga l l o y sm a n u f a c t u r e db ys i n t e r i n ga i p ba l l o yp o w d e r s 3 3 6 第一章绪论 2 粉末冶金法 该法可以分为以下几种： ( 1 ) 粉末烧结法1 3 3 1 此法是将铝粉与铅锡合金粉预先混和，然后放到有粘合粉 末的衬背上，然后通过轧制，烧结制成有钢背的轴承材料带，如图l 一4 所示。 ( 2 ) 合金粉末烧结法3 3 1 此法足将铅等粉 与作为粘合层的铝粉末一道，通过轧制制成 复合板材，然后再将该复合板轧制到轴承衬 背上，如图1 5 所示。 ( 3 ) 雾化沉积法”1 该法要点就是利用 高压气体、蒸汽或水射流的作用，将a i p b 熔液柱流冲击雾化成很小的液滴。经过在环 境巾的飞行，液滴急速冷却和凝固成为微 细的固态粉末。由于来不及偏析，所以也形 成了p b 均匀分布于a l 基体的形态。再通过 热轧或温轧使制品具有细晶粒、结构均匀、 无偏析的特性，所示如图1 - 6 。有研究3 5 1 将 图1 - 6 喷射沉积成形原理示意图8 1 f i g i 一6i l l u s t r a t i o no fs p r a yf o r m i n g 【1 8 加入其他元素( 如c u 、m g ) 的a i p b 合金加热到1 3 7 3 k 利用氮气加压通过喷雾器 快冷，冷速可达2 x1 0 。2 k g s ，再将制得的粉末挤压成形制得块体，从而得到了较 均匀的组织 3 机械合金化+ 粉末冶金法 近年来，一些研究者对a l p b 系合金进行机械合金化( m a ) 后再通过粉末冶 金的方法制备轴承合金的可能性进行了研究。a l p b 系合金经机械合金化后能形 成纳米晶结构，其结构状态随球磨参数以及合金成分的变化而改变。文献m 3 7 i 对a l p b 二元系的机械合金化进行了较为系统的研究，结果发现机械合金化对 a l p b 二元系固溶度的扩大作用并不明显，但球磨后得到的a l p b 合金显微结构 十分独特，具有纳米相复合结构。特点是a l 相和p b 相均匀弥散分布，a l 的甲均 晶粒尺寸为数十纳米，p b 则存在两种分布，一部分p b 相的晶粒尺寸为数百纳水 并且还有l o n m 的p b 颗粒分布于a l 晶粒内部，十分简便的获得组织均匀、弥散 分布的a 1 p b 合金。 文献3 9 1 在对a l p b 球磨实验中，观察到层状p b 的存在。随球磨时间的延氏， 7 华南理工大学硕士学位论文 p b 颗粒逐渐分散进a l 基体中，晶粒进步细化。文献 4 0 1 报道了球磨不同p b 含最 的a i 和p b 混合粉末的实验结果，发现纳米级p b 颗粒嵌入到基体a l 中，而且随 球磨时间的延长，p b 颗粒尺寸减小，随p b 含量的增加最小p b 颗粒的尺寸电线性 增加。 4 各种方法的比较 ( 1 ) 铸造法要克服铅的比重偏析，要使铅均匀弥散分布制造难度大，成本高， 未能广泛使用。 ( 2 ) 混合粉末法简单，但铅锡相分布不够均匀细小。由于铅锡合金粉末存在于 铝基粉末之间，使锱基粉末自身间的结合力减弱，因而使疲劳性能和承载能力卜| 降，这是主要缺点。合金粉末法得到的铝铅合金基体铝粉末自身问结合力强，铅 相分布均匀细小，因此能充分发挥铝铅合金轴承的特性。 ( 3 ) 通过机械合金化制得的合金粉末，通过后续的粉末冶金方法制各成轴承材 料，可以利_ | = j 已有的粉末冶金技术装各和条件。 l _ 7 - 3a l p b 系合金的组织结构特点 无论采用何种方法，到目前为止制成的a 1 p b 二元合金的组织组成都是只有 a l 、p b 两相，只不过两相的大小、分布不同而已。 用传统的铸造方法得到的a l p b 系合金，由于比重偏析的缘故，铸件的重力 方向从上到下的p b 的分布梯度很大，甚至出王抛完全的a l 相和完全的p b 相区。 这种结构是不适合做耐磨材料的【4 “。采用快速凝固法则有可能获得均匀的组织结 构。d o b a t k i n 等【42 1 用喷射已加热到单相区的a 1 p b 系合金的快速凝固法发现能在 含p b 量高达2 0 w t 的a l p b 合金中的获得p b 颗粒均匀分布于a l 基体的组织， l c h i k a w a 等 2 9 l 将a l p b 加热到单相区( 1 8 3 9 k 以上) ，随后快冷得到的组织是由颗 粒平均直径约li xm 的p b 颗粒弥散分布于一a l 基体的组织。但如果冷却速度不 够将得到富a l 和富p b 的两种成分不同的混合组织。该方法要求的加热温度太高， 冷却速度太快。 采用搅拌速冷铸造法则可降低快速凝固法要求的很高的加热温度和极快的 冷却速度，b o r g u n o v 等川利用超声波混合处于分层温度的a l p b 液一液混合液( 温 度在9 3 2 k 与1 8 3 9 k 之间) ，获得均匀的a l p b 组织，但颗粒太粗大；m o o r 等【4 3 i 比较冷铸法和熔体旋转法( m e l t s p u n ) 获得的合金组织结构特点，发现了p b 颗 8 第一章绪沧 粒以两种模式a i 基体中，一种模式是由于液相分离而引起直径较大的p b 颗粒分 布于a l 基体中，另一种模式是由于偏晶凝固而引起直径较小的p b 颗粒分布于 a l 基体中的模式，而且还发现了p b 粒子与a i 基体之间取呈各向甲行关系，p b 粒子是沿 1 1 1 和f 1 0 0 晶面生长析成的。通过比较发现旋淬法显微组织比冷铸法 制得的细小约1 0 0 0 倍；用搅拌一速冷铸造法所得组织中p b 颗粒的直径般在 1 i _ 0 0 微米之间，近年来，s m o h a n 4 4 1 等人对用搅拌速冷铸造法制造a l p b 耐磨 合金进行了比较深入的研究，曾通过将a l 和p b 两种金属一起加热到1 1 7 3 k ，在 搅拌后速冷铸造获得的a l p b 系合金的组织中发现p b 粒子均匀弥散的分布于a l 基体上，而且搅拌的速度对最终获得的p b 颗粒的尺寸大小影响最大，如当搅拌 速度为5 3 转秒时，p b 颗粒的直径为4 5 7 0 u m ，随着搅拌速度的减小，p b 粒子 的大小变化范围缩小，即p b 粒子的最大直径减小，最小直径增大。如当搅拌速 度为2 5 转秒时p b 粒子的直径变化范围为5 5 2 8 2 u m 。并发现对于搅拌速冷铸 造法制得的a l p b 系合金，铅粒子的均匀分布是主要分布于a a i 基体的晶界而 少部分于a a i 是体的晶内。搅拌速度不但对p b 颗粒大小而且对于a a i 枝晶间 距减小但p b 的含量大小对_ l j 搅拌一速冷铸造法获得的a l p b 系合金组织中的p b 颗 粒的大小影响不大。a b r a m o v 等1 采用电磁场补偿重力法，制得了 a i 一1 0 w t p b 1 w t s n 1 w t c u 和a l 1 2 w t p b 一4 w t s n 一0 5 w t m g o 5 w t c u 两种 合金，结果表明，用该方法也能获得p b 粒子均匀分布于a l 基体内。 以l 几种铸造法中，除传统铸造法之外都能获得p b 均匀分布于a l 基体或 a l 晶粒的晶界的合金组织。而且p b 颗粒的大小都在l t i m 以上。j h u a n g 等 4 6 】将 经铸造所得的a 1 p b 系合金通过锻打、轧制后发现a l 基体中有大约为2 0 0 n m 的 p b 颗粒。 粉末冶金法所得的a 1 p b 系合金的组织另有特点。 由于在同态下a l 、p b 两种金属间的同溶度几乎为零，所以压制不太可能出 现固溶体。不过压力大粉末变形越大，所获得的组织越致密。r a y b o u l d i 4 7 1 采用动 态制备a l f e p b 合金，压制时p b 粉发生了严重的塑性变形，使得p b 粒填补基体 中的空隙，观察发现压制过程中的p b 粒子会产生破碎。将压制后的试样经7 2 3 k 保温l 小时，由于p b 的熔点仅有6 0 0 k ，存7 2 3 k 保温时p b 粉熔化，经冷却后与 a l 连接在一起，p b 呈嘲状分布于a l 基体中，成了连接基体粉末的中介物。 s h e n g 等人【3 9 j 研究了a 1 1 0 w t m ( m = i n ，s i ，b i ，c d ，p b ) 合金体系球磨后的 9 华南理工大学硕士学位论文 熔化和凝固行为，发现球磨后嵌入a l 基体中的5 种金属纳米颗粒的熔点均降低了， 认为这主要是小颗粒的尺寸效应造成的。研究发现，正是由于球磨后p b 熔点的 降低，才能在2 8 0 。c 将a l p b 纳米相复合结构压制成周体块状物而保持其纳米尺 寸，这无疑给纳米相结构的稳定性研究提供了新思路。 朱敏等1 3 6 1 74 8 1 对a i - p b 采用高能球磨的方法将a l 和p b 的金属粉末进行机械 合金化。研究结果表明，即使在p b 一5 0 w t a l 情况下部能得到均匀分布的晶粒大 小约为o 5 u m 的组织。而且在进一步的电镜观察中发现在a i 基体中有约为5 1 0 n m 的p b 粒子存在，p b 与a i 之间晶体学肇立方一立方关系，这与m o o r t 4 3 1 用冷铸法和 熔体旋淬法制得的a 1 一p b 系合金中的a l 和p b 的取向关系一致。而且在一个a l 晶粒内的所有p b 粒子的取向相同。 i 2 4a 1 p b 系合金的耐磨性能 相比其它性能而言，耐磨性能是轴承材料最重要的性能。它决定r 材料能否 成为轴承材料。 a b r a m o v 等 4 5 1 对通过用电磁力补偿重力法制得的a i 1 0 w t p b 1 w t s n 1 w t c u ( w t 为重量百分比，下同) 和a i 一1 2 w t p b - 4 w t s n 一0 5 w t m g 一0 5 w t c u 研究结果证明了两种合金的耐磨性能非常高并推荐作为轴承材料使用； k a w a m o t o 等4 9 1 发现用搅拌速冷铸造法制得的a l 一( 5 1 5 ) w t p b 1 w t c u 和 a 1 ( 5 1 5 ) w t p b 一5 w t c u 合金在低相对高接触压力条件下耐磨性很好。 m o h a n 等5 0 坝0 试了搅拌速冷铸造法a i 一9 2 w t p b 合金的耐磨性，结果汪明 a l p b 系合金的耐磨性明显优于a l 。这是由于有p b 润滑层作用使得a i 9 2 w t p b 的耐磨性优于a l 。而且铸造时搅拌速度越高，耐磨性越好，这是p b 粒子变得更 加弥敞的缘故。m o h a n 5 1 1 还对p b 含量对耐磨性的影响进行了研究结果表明对于 含8 w t p b 以上的a 1 p b 系合金磨损性能，特别在低速下更是如此：随着p b 含量 的增加体磨损量减小，但当p b 含量约为大于2 0 w t 以后，又出现磨损加剧的现 象。 m o h a n 等】对搅拌铸造的不同成分的a l p b 系合金的摩擦系数研究结果发现 a l 及一定成分与凝固条件的a l p b 系合金的摩擦系数u ，随着载荷及相对滑动速 度的增加会处在一个稳定值。但对一定成分的a l p b 系合金搅拌速度越大，摩擦 系数越小；当p b 含量约为2 0 w t 时摩擦系数最小。 1 0 第草绪论 r a i n i s hg a r g 等5 2 】蹦a 1 c u s i 作基体，采用r h e o c a s t 法在8 9 8 k 液固两相共 存下搅拌铸造，制备了成分为1 9 8 w t p b ，4 9 6 w t c u 0 7 4 w t f e 2 2 7 w t s i 的 a l p b 系合金。研究结果表明，体磨损景随载荷和相对滑动速度的增加而增加， 这不同于上述m o h a n 5 1 1 等人对a l p b 系合金的耐磨性研究的结果，这是因为其基 体中含有硬颗粒c u a l 2 的缘故，体磨损量曲线在初期显示减速磨损阶段，但紧接 着是稳定磨损阶段，这种硬牲体的a 1 p b 系合金适用于高速、高载。 o g i t a 等5 3 1 研究了热工艺对粉末冶金法制得a l p b 轴承合金的性能的影响， 通过热冲压获得a 1 p b 轴承合金的性能得到了优化；疲劳强度比用传统烧结的高 出3 0 ：有优异的抗咬合性能( 当p b 含_ 旱= 大于1 0 w t h 寸) 。 表l 一1 中列出了a l ，s n 合金( n o 1 ) ：用传统的烧结法制得的a 1 p b 系合金( n o 2 ) ； 用新的热冲压处理工艺制得的a 1 p b 系合金( n o _ 3 ) 的成分及硬度。研究发现a i p b 系合金的硬度比相同的温度下的a l s n 台金高约1 0 h v ：a 1 一p b 系合金的这种高硬 度对于其应用于轴承上相当重要。对于疲劳强度的测试结果发现其中n o 3 试样的 疲劳强度与a i s n 合金相当，这也证实了a l p b 系合金取代a l - s n 合金的可行性。 另外，在磨抗试验( c a v i t a t i o n ) 中n o 3 试样的体积减少最少，试验结果还证明 n o 3 合金的耐磨性远远优于其它两种合金，而抗咬合磨损性能比a i s n 合金高一 倍以上。 表i 一1 试样的化学成分及硬度 5 3 | t a b l e1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dh a r d n e s sf o rs p e c i m e n l 5 3 朱敏等j 发现，经过机械合金化制备的a 1 一p b 合金耐磨性有了大