第三组元对过冷Cu―Pb偏晶合金凝固组织均质化的影响

1、第二组兀对过冷 Cu Pb偏晶合金凝固组织均质化的影响【摘 要】第三组元的的加入可有效地抑制过冷熔中 第二相在不混溶区内体积分数的增加，并且随着第三组兀含 量的增加，均质化过冷度区间加大，利用深过冷的方法通过 第三组元的加入对Cu-Pb偏晶合金的均质化凝固进行了初步 的探讨。【关键词】第三组元；Cu-Pb偏晶合金；均质化凝固二元 Cu-Pb，Ni-Pb 合金以及三元 Cu-Ni-Pb 合金作为轴承 材料得到了广泛的应用， 特别是三元 Cu-Ni-Pb 合金的应用更 为广泛。此外，添加第三组元也可有效地改变合金的凝固组 织，本文利用深过冷的方法通过第三组元的加入对Cu-Pb偏晶合金的均质化凝固进

2、行了初步的探讨，合金成分配比分别 为：Cu-40%Pb-5%N， Cu-40%Pb-10%N。1 实验方法实验选择的过偏晶 Cu-40%Pb合金成分，试样由纯度为 99.99%的电解Cu和99.75%Pb熔配而成，第三组元 Ni纯度 为 99.9%，试样重 8g 左右。首先将 Cu 和玻璃净化剂（约为 试样重量的 2/3 ）一同放入石英管中， 待 Cu 完全熔化后加入 第三组元Ni和Pb，液态合金在1500K温度下保温5分钟， 切断加热电源。当冷却温度达到1250K时施加电磁场，待 a(Cu)凝固完成后关闭电磁场，试样随炉冷却。完全凝固的 试样尺寸长为30mm，宽为10mm，高为5mm。地面常

3、规凝 固实验省去了微重力电磁模拟的过程，金相试样在试样的中 部沿高度方向截取。采用 Neophot-1 型普通光学显微镜和 HITACHI S-570型扫描电镜(附带 TN-5400能谱仪)进行组织 分析。图 1 熔化及过冷实验装置示意图2 组织分析三元 Cu-40%Pb-5wt%Ni、Cu-40%Pb-10%Ni合金同Cu-37.4%Pb偏晶合金凝固冷却曲线很相似，冷却曲线上明显出现了二次再辉 (见图 2)，同时这也说明该成分的合金冷却 过程中也存在着两液相的不混溶区。图 2 试验合金冷却曲线(a) Cu-40%Pb-5%Ni；( b) Cu-40%Pb-10%Ni和Cu-37.4%Pb偏晶

4、合金凝固组织在均质化过冷区间凝 固过程和演化规律一样，三元Cu-40%Pb-5%Ni，Cu-40%Pb-10%Ni合金凝固也是经历了液液分离节段、凝固初期的快速生长阶段和再辉后体系进入受外界冷却控制的慢 速凝固阶段这样的过程。在均质化过冷区间内得到的是第二 相S ( Pb)弥散在a (Cu)枝晶间的凝固组织，并且随着过 冷度的增加a枝晶也越细，Pb的分布愈加均匀。但是从图3和图 4 可明显看到，随着第三组元含量的增加，过冷熔体获 得的均质化过冷度区间也变得越大，得到的凝固组织中第二 相在基体中分布也就越加均匀，另外均质化过冷度区间内随 着 Ni 含量的提高第二相由在枝晶间的均匀分布向第一类粒

5、化转变。图 3 不同过冷度下 Cu-40%Pb-5%Ni 合金凝固组织(a) T=58K ( b) T=75K; (c) T=98K;(d) T=120K; (e) T=143K; (f) T=160K通过分析三元 Cu-40%Pb-5%Ni 合金的凝固组织可看出， 当过冷度达到143K时，凝固组织中明显出现了少量团絮状 的 Pb 相弥散在基体中，这也就说明了由均匀熔体 L 分离出 的 L2 相随分离时间延长液滴半径在长大， 第二相体积分数已 接近或达到了均质化临界值时，在此过冷度下熔体开始凝固 时，快速凝固的枝晶抑制了其体积分数的继续增加，完全凝 固后得到了图3 (e)所示的凝固组织；当过冷

6、度大于143K时，凝固组织中枝晶间团絮状 Pb 颗粒尺寸随过冷度的增加 逐渐变大，并且在基体中的分布也愈加不均匀，当过冷度超 过160K时，第二相发生了 Stocks沉积，导致最终的凝固组 织出现了分层。图4不同过冷度下 Cu-40%Pb-10%Ni合金凝固组织(a) T=96K ( b) T=136K3 均质化原理分析由上面的组织分析可看出， 凝固组织中随着 Ni 含量的提 高，组织中的第二相细化的程度明显增加。文献4中对Cu-Pb-X三元难混熔合金的研究结果说明， 第三组元的加入增加了液-液之间转变的界面能 y以及固相S 和第二相L2之间转变的界面能丫。Y值的增加意味着形成第 二相液滴需要

7、克服更大的能垒，这样分离出的第二相液滴的 聚集也愈加困难，过冷熔体中第二相的体积分数增加需要更 长的时间； y 值的提高改变了第二相对结晶出的固相润湿环 境，这样就减小了偏晶反应后第二相体积分数的增加。 再者， 通过对冷却曲线的分析可看出随着第三组元含量的增加，液 相分离的转变温度也在提高，同时第一次再辉的峰值高度也 在降低，结合文献 5研究结果，这一现象说明了 Ni 含量的 提高，降低了过冷熔体中第二相的体积分数。亦即，第三组 元含量的增加可获得更大的均质化凝固的临界过冷度。文献 6研究结果还表明：随第三组元含量的增加，基体的晶格常 数也会随之变大，对于本试验合金由于 Cu 与 Ni 的亲和

8、力远 大于 Ni 与 Pb 的亲和力，故在过热单相熔体冷却进入液态不 混溶区时，偏聚的液滴基本为纯 Pb 相。当温度进一步降低 时，首先凝固的是a (Cu, Ni)相，未分离的出 Pb相通过 偏晶反应在增大的晶格空隙处析出，这样也就减少了偏晶反 应后第二相聚集的可能， 熔体获得过冷能力也在增加， 因此， 组织中第二相也就愈加细化。4 小结第三组元的的加入可有效地抑制过冷熔中第二相在不 混溶区内体积分数的增加，并且随着第三组元含量的增加， 均质化过冷度区间加大，因此，在均质化区间内随着过冷度 的增加凝固组织中第二相在基体中的分布也愈加均匀和细 化。【参考文献】1 刘源，郭景杰，贾均，等 .偏晶合

9、金液 -液相分离机制 和均质偏晶合金的制备方法J.铸造，2000, 49 (1): 11-17.2 郝维新，杨根仓，谢辉，等 .过偏晶 Cu-40wt%Pb 合金 凝固组织的深过冷细化J.铸造技术，2004, 25 ( 4): 255-258.3 冼爱平，张修睦，李钟玉，等 .利用 Marangoni 对流制备均质偏晶合金J.金属学报，1996，32( 2)： 113-119.4 Akihiko Kamio ， Shinji Kumai ， Hiroyasu Tezuka.Solidification structure of monotectic alloysJ. Materials Science and Engineering. AI46( 1991 ):105-121.5 郝维新，杨根仓，谢辉.深过冷Cu-37.4%Pb偏晶合金 凝固行为