葉片對(duì)鋁鉛合金液中鉛分布的影響

張 君，張 鵬，杜云慧，姚莎莎

(北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100044)

葉片對(duì)鋁鉛合金液中鉛分布的影響

張 君，張 鵬，杜云慧，姚莎莎

(北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100044)

針對(duì)鋁鉛合金液電磁攪拌中存在的重金屬鉛偏聚問題，在常規(guī)電磁攪拌方法基礎(chǔ)上，利用自行設(shè)計(jì)的內(nèi)壁布有直葉片坩堝，對(duì)鋁鉛合金液進(jìn)行了電磁-葉片攪拌研究，采用多點(diǎn)冷淬方法，得到了葉片布置角度對(duì)鋁鉛合金液內(nèi)鉛分布的影響規(guī)律，確定了鉛分布均勻的鋁鉛合金液的電磁-葉片攪拌技術(shù).結(jié)果表明:葉片與坩堝徑向夾角β決定著鉛在坩堝徑向上的分布，葉片與坩堝軸向夾角γ決定著鉛在坩堝軸向上的分布，當(dāng)β為35°、γ為25°時(shí)，可得到鉛在坩堝徑向上和軸向上都分布均勻的Al-28%Pb合金液，顯著地提高了鑄造Al-28%Pb合金材料的性能.

合金液;攪拌;均勻分布

鋁鉛合金既具有鋁的耐腐蝕、嵌藏性好、導(dǎo)熱快又具有鉛的潤(rùn)滑性能好等優(yōu)點(diǎn)［1-4］，疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于巴氏合金［5］，是理想的現(xiàn)代軸瓦材料［6-7］，需求面遍布于汽車、鐵路、機(jī)械、航空航天等廣泛領(lǐng)域［8-10］.

鋁鉛合金的典型制備方法主要包括粉末冶金法、噴射沉積法、鑄軋法和鑄造法等方法［11-13］.其中，鑄造法直接采用鋁鉛合金液制備鋁鉛合金材料，其工藝最短、能耗最小，是最節(jié)能、最符合材料制備發(fā)展方向的制備技術(shù)，但是由于材料組織中總是存在鉛的偏聚現(xiàn)象，所以鑄造鋁鉛合金材料的耐磨性、減摩性、抗咬合性、承載能力等都沒有得到理想狀態(tài)，應(yīng)用受到了很大的限制.

攪拌可以促進(jìn)合金液各組分的均勻分散，但是由于鋁鉛合金為偏晶合金，熔煉時(shí)基本不互溶，而且鉛的密度11.3×103kg·m-3遠(yuǎn)大于鋁的密度2.7×103kg·m-3，所以，在常規(guī)電磁攪拌中總是存在重金屬鉛偏聚問題，即便施加超聲振動(dòng)，對(duì)重金屬鉛的均勻分散效果也十分有限［14］.長(zhǎng)期以來(lái)，“組分密度差別大的鋁鉛合金液在電磁攪拌中的重金屬鉛偏聚”問題一直沒有得到很好地解決.

鉛在鋁鉛合金液中的分布狀態(tài)將會(huì)遺傳到鑄造鋁鉛合金材料組織中，如果在經(jīng)過(guò)攪拌的鋁鉛合金液中鉛的分布已經(jīng)是處于不均勻狀態(tài)，那么鑄造鋁鉛合金材料的組織就肯定存在鉛的不均勻偏聚現(xiàn)象(如圖1所示，圖中深色部分為鉛，其它部分為鋁基體)，可見，必須先制備出鉛均勻分布的鋁鉛合金液，才能通過(guò)快速凝固等鑄造手段得到鉛均勻分布的鋁鉛合金材料.

本文在常規(guī)電磁攪拌方法基礎(chǔ)上，利用自行設(shè)計(jì)的內(nèi)壁布有直葉片坩堝，對(duì)鋁鉛合金液進(jìn)行了電磁-葉片攪拌研究，通過(guò)調(diào)整葉片與坩堝徑向夾角β實(shí)現(xiàn)了鉛在坩堝徑向上的均勻分布;通過(guò)調(diào)整葉片與坩堝軸向夾角γ實(shí)現(xiàn)了鉛在坩堝軸向上的均勻分布，得到了鉛分布均勻的Al-28%Pb合金液的電磁-葉片攪拌技術(shù).

圖1 Al－28%Pb中鉛的不均勻偏聚現(xiàn)象

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料為工業(yè)純鋁和鉛.

1.2 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.三對(duì)電磁極對(duì)1均布在內(nèi)徑為200 mm、高為250 mm的石墨坩堝2周圍，構(gòu)成額定功率為10 kW的電磁攪拌動(dòng)力裝置(其交-交變頻電源為:三相、50 Hz、380 V輸入;三相、頻率 10 Hz、380 V輸出即攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min)，其內(nèi)側(cè)與坩堝外壁之間的距離為5 mm，其外側(cè)加外罩12形成保護(hù)，F(xiàn)為攪拌方向.底架13用于固定電磁攪拌動(dòng)力裝置與坩堝.直葉片6采用機(jī)械連接方式固定于坩堝內(nèi)壁上，在坩堝不同高度上呈水平層狀分布，最下層的葉片下部與坩堝內(nèi)底面的間隔a為10 mm，相鄰葉片層之間的間隔b為40 mm.在同一葉片層內(nèi)，三個(gè)葉片的根部在周向上間隔120°均勻分布，葉片長(zhǎng)度c均為80 mm，寬度d均為40 mm.葉片與坩堝徑向均構(gòu)成β夾角(見圖2(b))，以便不斷地將周圍的鋁鉛合金液3移到內(nèi)部;葉片與坩堝軸向均構(gòu)成γ夾角(見圖2(a))，以便不斷地將下部的鋁鉛合金液移到上部.相鄰葉片層內(nèi)的葉片在同一水平面上的投影根部在周向上間隔60o均勻分布.鋁鉛合金液的溫度由熱電偶9、坩堝壁內(nèi)的加熱管4和冷卻管5控制.插在坩堝上蓋7上的氬氣管8用于防止鋁鉛合金液氧化.中心堵塞10、邊部堵塞11用于向水槽14內(nèi)釋放坩堝下部中心與邊部的鋁鉛合金液，以便制備冷淬鑄錠、開展鋁鉛合金液中的鉛分布研究.

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下:

1)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備Al-28%Pb合金液.除氣后，溫度保持在700℃;

2)首先接通加熱管將坩堝預(yù)熱至700℃，倒入制備好的Al-28%Pb合金液，蓋上上蓋，吹入氬氣;

3)攪拌Al-28%Pb合金液.接通攪拌裝置，在所布置的β與γ條件下，對(duì)Al-28%Pb合金液進(jìn)行攪拌.Al-28%Pb合金液的溫度由熱電偶、加熱管和冷卻管控制在700℃，溫度精度為±1℃;

4)多點(diǎn)冷淬Al-28%Pb合金液.攪拌20 min后，依次拔出堵塞，向水槽中放出適量的Al-28%Pb合金液，制備坩堝不同部位Al-28%Pb合金液的冷淬鑄錠(其中坩堝上部中心與邊部處Al-28%Pb合金液的冷淬鑄錠是利用取樣勺制取的);

5)進(jìn)行微觀組織分析.采用線切割技術(shù)由冷淬鑄錠制取大小為10×10×5 mm的試樣;利用研磨機(jī)和30 μm的金剛石研磨膏研磨后，再依次使用9，6，3和1 μm的金剛石研磨膏拋光;經(jīng)過(guò)Keller腐蝕液腐蝕處理后，利用OLYMPUS BX61光學(xué)顯微系統(tǒng)進(jìn)行微觀組織分析，確定鉛在Al-28%Pb合金液中的分布.

2 結(jié)果與討論

2.1 β對(duì)鉛分布的影響

如果鉛在Al-28%Pb合金液中的分布是均勻的，則鉛不論在坩堝軸向上還是徑向上的分布都應(yīng)該是均勻的，也就是說(shuō)，坩堝不同部位的Al -28%Pb合金液中的鉛含量是相同的，因此本文選定坩堝上部中心、邊部以及底部中心、邊部等四處Al-28%Pb合金液中的鉛含量來(lái)評(píng)定Al-28%Pb合金液中鉛的分布狀態(tài)，具體說(shuō)就是，利用中心與邊部的鉛含量差值來(lái)評(píng)定鉛在坩堝徑向上的分布均勻程度;利用上部與底部的鉛含量差值來(lái)評(píng)定鉛在坩堝軸向上的分布均勻程度.

圖2 攪拌實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3與圖4為γ取40°時(shí)β與坩堝底部和上部鉛含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的關(guān)系圖，圖5為β和坩堝中心與邊部鉛含量差值dr(絕對(duì)值)的關(guān)系圖，可見，坩堝底部與坩堝上部的中心與邊部鉛含量差值十分接近，取平均值后，經(jīng)過(guò)非線性回歸得到的β與dr之間的關(guān)系方程為

圖3 β與坩堝底部中心、邊部鉛含量

圖4 β與坩堝上部中心、邊部鉛含量

圖5 β和坩堝底部、上部的dr

回歸相關(guān)系數(shù)Rl為0.99713，這說(shuō)明回歸方程(1)已正確地建立了β與dr之間的關(guān)系.令方程(1)導(dǎo)數(shù)為零，得到dr為零即鉛在坩堝徑向上均勻分布的條件為:β=35°.

2.2 γ對(duì)鉛分布的影響

圖6與圖7為β取35°時(shí)γ與坩堝中心和邊部鉛含量的關(guān)系圖，圖8為γ和坩堝底部與上部鉛含量差值da(絕對(duì)值)的關(guān)系圖，可見，坩堝中心與坩堝邊部的底部與上部鉛含量差值十分接近，取平均值后，經(jīng)過(guò)非線性回歸得到的γ與da之間的關(guān)系方程為

圖6 γ與坩堝底部、上部中心鉛含量

圖7 γ與坩堝底部、上部邊部鉛含量

圖8 γ和坩堝中心、邊部的da

回歸相關(guān)系數(shù)Rl為0.99803，這說(shuō)明回歸方程(2)已正確地建立了γ和da之間的關(guān)系.令方程(2)導(dǎo)數(shù)為零，得到da為零即鉛在坩堝軸向上均勻分布的條件為:γ=25°.

顯然，當(dāng)β取35°、γ取25°時(shí)，坩堝內(nèi)Al-28%Pb合金液中的鉛在坩堝徑向上和軸向上的分布都十分均勻，可見，采用電磁-葉片攪拌技術(shù)對(duì)Al-28%Pb合金液進(jìn)行攪拌時(shí)，鉛均勻分布的攪拌參數(shù)為:β取35°、γ取25°.

2.3 討論

由于鉛的密度遠(yuǎn)大于鋁的密度，因此，在常規(guī)圓形坩堝內(nèi)，Al-28%Pb合金液中的鉛液滴將發(fā)生沉淀，造成鉛在坩堝軸向上的分布不均.

如果對(duì)常規(guī)圓形坩堝內(nèi)的Al-28%Pb合金液進(jìn)行電磁攪拌，則鉛液滴將作規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，并在如下離心力的作用下產(chǎn)生由坩堝中心向邊部偏聚的離心運(yùn)動(dòng)［15］:

式中:m為鉛液滴的質(zhì)量，ω為鉛液滴繞坩堝軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，r為鉛液滴距坩堝軸線的距離.可見，這將造成鉛在坩堝徑向上的分布不均.

本研究采用內(nèi)壁布有直葉片的坩堝進(jìn)行Al -28%Pb合金液的電磁攪拌，這些葉片與坩堝的徑向和軸向分別成一定的β和γ角度，它們將極大地改變Al-28%Pb合金液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變鉛在Al-28%Pb合金液中的分布狀態(tài).

當(dāng)β為0°時(shí)，鉛液滴沿圓周方向垂直撞擊在葉片上，葉片不能造成鉛液滴的徑向運(yùn)動(dòng)，即不能改變鉛液滴的離心偏聚運(yùn)動(dòng)，仍然相當(dāng)于常規(guī)電磁攪拌的狀態(tài)，所以此時(shí)鉛在坩堝徑向上的分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，這也直觀地反映出，在常規(guī)電磁攪拌下鉛在坩堝徑向上的分布是非常不均勻的;隨著β的增大，鉛液滴沿圓周方向傾斜撞擊在葉片上，鉛液滴將沿葉片表面向坩堝內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，該向內(nèi)運(yùn)動(dòng)將在一定程度上改善鉛液滴的離心偏聚，β越大，對(duì)離心偏聚的改善作用越大，所以鉛在坩堝徑向上的分布越來(lái)越均勻，當(dāng)β為35°時(shí)，鉛液滴的向內(nèi)運(yùn)動(dòng)消除了離心偏聚，因此此時(shí)實(shí)現(xiàn)了鉛在坩堝徑向上的均勻分布;但是，當(dāng)β過(guò)大時(shí)(如45°以后)，葉片表面對(duì)鉛液滴產(chǎn)生的向內(nèi)運(yùn)動(dòng)逐漸減小，對(duì)離心偏聚的改善作用也逐漸減小，β越大，對(duì)離心偏聚的改善作用越小，所以鉛在坩堝徑向上的分布越來(lái)越不均勻.

當(dāng)γ為0°時(shí)，鉛液滴沿水平方向垂直撞擊在葉片上，葉片不能造成鉛液滴的軸向運(yùn)動(dòng)，即葉片不能改變鉛液滴的沉淀偏聚運(yùn)動(dòng)，仍然相當(dāng)于常規(guī)電磁攪拌的狀態(tài)，所以此時(shí)鉛在坩堝軸向上的分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，這也直觀地反映出，在常規(guī)電磁攪拌下鉛在坩堝軸向上的分布是非常不均勻的;隨著γ的增大，鉛液滴沿水平方向傾斜撞擊在葉片上，鉛液滴將沿葉片表面向坩堝上部運(yùn)動(dòng)，該向上運(yùn)動(dòng)將在一定程度上改善鉛液滴的沉淀偏聚，γ越大，對(duì)沉淀偏聚的改善作用越大，所以鉛在坩堝軸向上的分布越來(lái)越均勻，當(dāng)γ為25°時(shí)，鉛液滴的向上運(yùn)動(dòng)消除了沉淀偏聚，因此此時(shí)實(shí)現(xiàn)了鉛在坩堝軸向上的均勻分布;但是，當(dāng)γ過(guò)大時(shí)(如30°以后)，葉片表面對(duì)鉛液滴產(chǎn)生的向上運(yùn)動(dòng)逐漸減小，對(duì)沉淀偏聚的改善作用也逐漸減小，γ越大，對(duì)沉淀偏聚的改善作用越小，所以鉛在坩堝軸向上的分布越來(lái)越不均勻.

圖9和圖10是β為35°、γ為25°時(shí)坩堝上部中心與底部邊部處Al-28%Pb合金液的微觀組織照片，圖中深色小塊部分為鉛，其它部分為鋁基體，可見，本文的電磁-葉片攪拌技術(shù)解決了常規(guī)電磁攪拌技術(shù)中存在的重金屬鉛偏聚問題，這對(duì)提高鑄造Al-28%Pb合金材料的性能是至關(guān)重要的.表1為常規(guī)電磁攪拌與電磁-葉片攪拌Al-28%Pb合金液金屬型鑄錠(冷卻速度300℃·min-1)的性能(數(shù)值為5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值).硬度值在KPE-300型布氏硬度機(jī)上測(cè)定;摩擦學(xué)性能在MM-200型環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，對(duì)摩試環(huán)為GCr15鋼環(huán)，試驗(yàn)塊尺寸為10×10×8mm，對(duì)摩表面用800號(hào)水砂紙打磨光滑后，用酒精清洗并烘干.法向壓力為60N，主軸轉(zhuǎn)速為200r·min-1，摩擦?xí)r間為30min，滑動(dòng)距離785 m，試驗(yàn)為干摩擦.可見，經(jīng)過(guò)電磁-葉片攪拌的Al-28%Pb合金液金屬型鑄錠性能得到了顯著的提高.

圖9 上部中心Al－28%Pb合金液的微觀組織

圖10 底部邊部Al－28%Pb合金液的微觀組織

表1 Al－28%Pb合金液金屬型鑄錠的性能

3 結(jié)論

1)采用電磁-葉片攪拌方法對(duì)鋁鉛合金液進(jìn)行攪拌，可以解決常規(guī)電磁攪拌方法中存在的重金屬鉛偏聚問題，該方法為制備均勻的組分密度差別大的合金液探索了一條行之有效的途徑.

2)在Al-28%Pb合金液的電磁-葉片攪拌中，葉片與坩堝徑向夾角β決定著鉛在坩堝徑向上的分布，β與坩堝中心與邊部鉛含量差值dr之間的關(guān)系為

葉片與坩堝軸向夾角γ決定著鉛在坩堝軸向上的分布，γ與坩堝底部與上部鉛含量差值da之間的關(guān)系為

3)可實(shí)現(xiàn)重金屬鉛在Al-28%Pb合金液中均勻分布的電磁-葉片攪拌參數(shù)為:β為35°、γ為25°，本文研究結(jié)果可為制備高性能Al-28% Pb合金材料提供參考.

［1］ 李溪濱，楊慧敏，劉如鐵.鋁-鉛固體自潤(rùn)滑材料［J］.潤(rùn)滑與密封，2003，28(2):52-55.

［2］ CSANA'DY A，SAJO'I，LA'BA'R J L，et al.Al–Pb nanocomposites made by mechanical alloying and consolidation［J］.Current Applied Physics，2006，6(2): 131–134.

［3］ AN J，LIU Y B，LU Y，et al.Dry sliding wear behavior of hot extruded Al–Si–Pb alloys in the temperature range 25-200℃［J］.Wear，2004，256(3-4):374–385.

［4］ 陳桂云，田 沖，楊 林，等.噴射成形制備鋼/A1-Pb合金軸瓦材料的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(8):139-142.

［5］ 李永偉，張少明，石力開，等.Al-Pb軸瓦合金的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，1999，13(2):4-7.

［6］ AN J，LIU Y B，LU Y.The influence ofPb on the friction and wear behavior of Al-Si-Pb alloys［J］.Mate-rials Science and Engineering A，2004，373(1/2):294 -302.

［7］ RUDRAKSHI G B，SRIVASTAVA V C，PATHAK J P，et al.Spray forming of Al-Si-Pb alloys and their wear characteristics［J］.Materials Science and Engineering A，2004，383(1):30-38.

［8］ YU F X，DWARAKADASA D S，RANGANATHAN S.Microstructure and mechanical properties of sprayformed Al-Si-Pb alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，137(1-3):164-167.

［9］ 冉 廣，周敬恩，席生岐，等.A1-Pb-Si-Sn-Cu軸瓦合金的微觀結(jié)構(gòu)及特征［J］.金屬熱處理，2004，29(2):3-5.

［10］王 磊，張少明，石力開，等.Al-Pb合金軸瓦帶坯的燒結(jié)工藝研究［J］.稀有金屬，2001，25(3):181-186.

［11］楊 林，董滿忠，吳 偉，等.噴射成形鋼/Al-Pb軸瓦合金復(fù)合板材的組織及耐磨性［J］.鑄造，2005，54(3):279-281.

［12］ 賀會(huì)軍，李永偉，朱學(xué)新，等.雙輥連續(xù)鑄軋Al-Pb系軸瓦合金帶材的技術(shù)研究［J］.稀有金屬，2000，24(4):244-246.

［13］ ZHAO J Z，DREES S，RATKE L.Strip casting of Al -Pb alloys— a numerical analysis［J］.Materials Science and Engineering A，2000，282(1-2):262–269.

［14］ 賈 征，李軍文，宋生海，等.超聲波處理對(duì)Al-Pb合金鑄錠偏析及性能的影響［J］.鑄造工程，2010，(3):22-25.

［15］ 張也影.流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

Effect of blade on the distribution of Pb in Al－Pb alloy liquid

ZHANG Jun，ZHANG Peng，DU Yun-hui，YAO Sha-sha
(School of Mechanical＆Controlled Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

To solve the problem of Pb segregation in electromagnetic stirring of Al-Pb alloy liquid，a specially designed crucible with straight blades on its inner wall was used on the basis of conventional electromagnetic stirring.The research on electromagnetic-blade stirring of Al-Pb alloy liquid was carried out.The effect of blade angles on the distribution of Pb in Al-Pb alloy liquid was obtained by multi-point water quenching method and the electromagnetic-blade stirring technique of Al-Pb alloy liquid with uniform distribution of Pb was determined.The results show that:the radial distribution of Pb in crucible is determined by the angle β between blade and the radial of crucible.The axial distribution of Pb in crucible is determined by the angle γ between blade and the axes of crucible.When β is 35oand γ is 25o，Al28Pb alloy liquid with both radial and axial uniform distribution of Pb can be prepared and the properties of cast Al28Pb alloy are enlarged remarkably.

alloy liquid;stirring;uniform distribution

TG29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1005-0299(2012)06-0063-06

2012-08-19.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974010).

張 君(1982-)，女，博士研究生;

張 鵬(1966-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

張 鵬，E-mail:pzhang1@bjtu.edu.cn.

(編輯 張積賓)