Cu-Pb合金粉末的制备.pdf

第6 0 卷第1 期 20 08 年2 月 有色金属 N o n f e r n mM e t a l s V D l ．6 0 ．N o ．1 F e b r u a r y 2008 C u P b 合金粉末的制备 诸小丽1 ，王飚2 1 ．南宁职业技术学院机电工程系，南宁5 3 0 0 0 3 ；2 ．昆明理工大学机械学院，昆明6 5 0 0 5 1 摘 要针对C u ．P b 合金材料存在不能互溶和成分偏析的问题。通过改善铜铅合金粉末熔炼时所加的添加剂和加强熔炼合 金的搅拌，获得了具有均匀致密微观组织的铜铅合金粉末。铜铅合金粉末具有耐磨和耐高温性能，可用于汽车工业中轴瓦制造。 关键词金属材料；C u P b 合金；粉末制备；成分偏析 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 ；T F l 2 3 ．7 1文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 0 2 9 0 3 粉末冶金是一种将金属材料制造与零件加工 结合在同一工艺过程的特殊技术，是提高金属材料 性能和发展新材料的有效手段，对推动科学技术进 步和国民经济发展起着重要作用。粉末合金材料在 汽车工业中得到广泛的应用【“，其中耐磨材料最为 引入注目。C u - P h 合金作为固体自润滑轴承减摩材 料，承载能力大，耐磨性能好，疲劳强度高。C u ．P b 耐磨合金制备的轴承，运转时在摩擦热的作用下，固 体润滑材料不断渗出、转移并在对磨面上形成了转 移膜，有助于降低摩擦阻力和摩擦温升，能够提高材 料的抗粘结性、抗卡滞能力。基体磨损时，基体中的 自润滑材料逐步露出，起到修补作用，从而延长使用 寿命。故C u ．P b 合金材料对汽车工业的发展起到了 举足轻重的作用，非互溶合金材料的研究及制造技 术也是目前许多国家重要的研究课题。 1C u P b 合金粉末冶金的研究现状 对于目前广泛应用的C u 。P b 合金来说，可以说 是一种典型的轴衬合金，主要用来制造舰船、火车机 车、大型内燃机等各种型号的大功率滑动轴瓦，C u ． P b 合金性能的好坏直接影响着轴瓦的寿命[ 2 1 。然 而由于铜铅这两种金属互不相溶，因此使这两种金 属结合的技术便是最关键的部分。到目前为止。这 方面的技术有很多，对于传统冷压烧结工艺来说，传 统冷压烧结工艺生产的粉末冶金材料的内部常含有 ～定量的孔隙而使其力学性能水平受到一定的限 收稿日期2 0 0 7 0 7 0 9 基金项目云南省自然科学基金资助项目 9 8 E 0 4 1 M 作者简介诸小丽 1 9 6 1 一 ，女。上海市人，副教授，主要从事金属 材料等方面的研究。 制，通过热压、二次压制烧结 复压复烧 、熔渗等处 理虽可提高粉末冶金材料或制品的相对密度进而提 高其性能，但这些处理工艺条件要求和成本都相对 较高，因而应用范围受到一定的限制【3 J 。 虽然以上提到的方法，在粉末冶金方面有一定 的可行之处，但对于大规模利用生产而言，还是有一 定的局限。为此，需要尽可能地研究出即经济又实 用的合金粉末制备技术，使铜铅合金的导热性、减摩 性、承载性、抗咬合性和机械性能都有很大的提高。 铜铅两种金属密度差异大，且熔点不同，互不相 溶，如图1 所示。铜铅在高温下不互溶 溶解度仅 0 ．0 7 ％ ，但现代汽车工业中，C u - P b 合金轴承是最 受欢迎的材料，此材料主要是由基材C u P b 粉末烧 结而成。粉末冶金烧结的铜铅合金钢背轴承材料是 一种承载能力大、疲劳强度高的减摩材料，在现代汽 车工业中得到广泛应用。自从1 9 3 9 年提出粉末冶 金烧结铜铅合金工艺以来，国内外对铜铅合金粉末 的烧结工艺，烧结组织和性能等作了大量的研究工 作【4J 。然而，有关铜铅合金粉末的特性，特别是粉 末的微观组织结构对烧结机制和烧结合金组织的影 响仍不清楚。到了上世纪7 0 年代，机械合金粉末得 到了较快的发展，但是国内对有关铜铅合金粉末的 制备技术和粉末研究的特性，特别是如何找到一种 即经济又实用的烧结方法，以及粉末的微观组织结 构对材料的影响的研究，同样也是进展不大。虽然 有些对铜铅合金粉末的烧结机制以及烧结轧制工艺 参数对烧结合金组织的影响的研究，但效果还是不 太明显。其主要问题在于铜铅合金还存在结晶偏 析，当铅包覆铜铅合金粉末烧结时，会发生严重的铅 流动沉积，导致合余组织中铅相粗大且分布不均匀。 这些缺陷必将影响合金材料疲劳强度和使用寿命。 万方数据 有色金属第6 0 卷 A I ％C u I ～ ．L i eu i d ／7 7 l、、{ 、． ’一‘ j ，；止Ⅻ，j d s 、 ，L b ⅡU l U 0 1 1I l { 蝴。 、 ．9 5 2 0 2L i q u i dl o i e r s ＼ L - u ．I - L i a ⋯‘“、 i ’ ot ‘C u P b 图1C u ．P b 合金相图 F i g ．1 C u P ba l l o yp h a s e sd i a g r a m 从图l 可以看到，C u 的熔点为1 0 8 3 ℃，而铅的 熔点为3 2 6 ℃，其熔点远远低于铜的熔点，当温度达 到1 0 8 3 ℃时，铜和铅都熔化为金属液体。此时存在 着明显的铅偏析现象，从而可以看出C u P b 液态下 高于某一温度均为液相，在某一温度范围又生成两 种不同液相分层，继续冷却至大约为9 5 2 ℃后C u 的 固相出现而P b 仍为液相，C u P b 共晶温度仅比纯 P b 的熔点低一度 3 2 6 ℃ 。共晶体含P b 达 9 9 ．9 4 ％，铅严重的偏析。然而随着温度的进一步升 高，铅偏析现象逐渐减少，当温度达到1 6 3 0 ℃左右， 铅含量为4 0 ％左右时，铜铅几乎完全互溶，此时铅 的偏析现象也几乎被消除。所以说温度是影响铅偏 析的一个重要因素，只要温度足够的高，是可以解决 铅的偏析现象的，但是，就目前国内的技术而言，很 难达到1 6 3 0 ℃的高温。就算通过一些设施能达到 此温，但耗费太大，不适应于大规模的工业生产。那 么，寻求一种新的技术，使体系位能升高而处于一种 新的非平衡态，从而得到无偏析、组织均匀的C u P b 合金便是所探求的。 既然在没有其他元素参与下其互溶效果不太 好，那么是否能考虑下在第三者元素的参与下，使其 铜铅的互溶过程有一个过渡阶段，从而使铜铅的互 溶更彻底，更完全。于是在前人研究结果的基础上， 通过添加剂改变铜铅合金的结晶过程，并改进熔炼 搅拌设备，使c u P b 从分层状态变成互溶状，并高速 雾化冷却使其形成均匀的C u P b 粉末颗粒，从而改 善合金的金相组织。 2实验方法 2 ．1 基本原理 通过添加剂的中介作用，使密度大的铅能与其 中的某一元素结合形成金属间化物，这样便使其结 合的铅化合物相对铅来说，密度大大减小，熔点大大 提高㈣5 。这样，就可以减少它与铜之间的密度差 异，在高温的情况下，铜铅二者之间的分层现象便大 大减少，由于所加元素的结构特性，可以使铅化合物 与铜形成共格，再通过不断的机械搅拌，使其互溶完 全，最后将互溶液倒入快速的冷却装置中，便形成所 要的粉末合金。在整个加工期间，所涉及到的主要 化学反应为M e C 0 3 - - * M e O c c h ；M e O C M e C O ；z M e y P b - - ，M e 。P b 。。其中M e 表示某种添加 剂元素。 2 ．2 试验装置 用电炉中的电阻丝的热量熔化合金和覆盖剂， 炉顶加一个保温盖以减少热量的损失，有利于快速 熔化，给合金的熔化提供充足的热量。另外，这个装 置中耐火泥的作用是在炉温未达到1 2 5 0 ℃左右时， 使整个坩埚处于封闭状态，让坩埚得到足够的热量， 使铜铅合金熔化完全，当达到这个温度后，便可使用 工具将耐热泥打破，让混合液顷流而下，倒人冷却装 置中。冷却装置主要是由高压喷水管和冷容器组 成，见图2 。 玲夕量磷 L J _ 冷容器 图2 试验装置 F i g ．2 T e a ta p p a r a t u s 2 ．3 试验步骤 经过反复试验和论证，确定最佳的铜铅合金熔 炼工艺为坩埚加热一加铜一加覆盖剂一升温熔铜 1 1 0 0 ℃ 一加铅并搅拌一升温1 2 5 0 ℃一加添加剂 一搅拌5 m i 一水淬一液固分离一合金颗粒。 2 ．4 试验材料 所用添加剂成分是碳酸盐、还原剂和粘合剂。 主要是在熔炼中起到均质和粘合作用。将总量为 2 0 0 9 的添加剂混合物均匀用少量的水拌匀，搓成圆 团在烘干机中烘烤3 ～4 h ，温度控制在1 0 0 “ 3 左右， 空冷后备用。用电铜7 5 ％ 电铅2 5 ％配制合金，添 加少量的覆盖剂。 ℃洲 枷 缄 帆 洲 删 删 删 万方数据 第1 期诸小丽等C u ．P b 合金的粉末的制备 3 l 3 试验结果与讨论 囊冀芸冀笔未曼篓鐾慧暴蒜喜叉嚣墨 将熔炼后的成品进行取样、磨光、抛光、腐蚀等，有达到预期的试验效果。 以便看到清晰的显微结构。第二次熔炼后的合金显微结构如图4 所示。对 在同样的试验条件下，第一次熔炼试验不加任比图3 和图4 的显微结构可以看出，第二次试验的 何添加剂，第二次熔炼试验则加入相应的添加剂。铜铅互溶程度要比第一次好得多，并且铜铅的互溶 第一次熔炼后的合金显微结构如图3 所示。从分布比较均匀，同时，几乎不存在所谓的结晶偏析。 图3 可以看出，在一定的程度上，第一次试验的合金这种结构的合金，综合性能也十分的优越，是所希望 还是有一些铜铅互溶的，但是这种互溶量很少，并且得到的合金结构。 还存在着较严重的结晶偏析，P b 在金相磨片上呈网 状分布的黑点。颗粒较大时呈灰黑色块状。P b 的 存在严重降低了C u 的高温塑性，显然，C u ．P b 合金 在凝固过程中出现严重的密度偏析，形成以较高熔 图3 第一次试验C u ．P b 合金显微图 1 0 0 F i g ．3 C u ．P ba l l o ym i c r o s t r u c t u r eo ft e s t2 参考文献 图4 第二次试验C u ．P b 合金显微图 5 0 0 F i g ．4 C u P ba l l o yr n i c r o s t r u c t u r eo ft e s t2 4结论 通过改善铜铅合金粉末熔炼时所加的添加剂和 加强熔炼合金的搅拌，获得了具有均匀致密微观组 织的铜铅合金粉末。 【1 ] 韩风群．我国粉末冶金机械零件现状[ J ] ．粉末冶金技术，1 9 9 2 ， s 1 3 l 一3 3 ． [ 2 ] 陆远明．硬质合金的现状与发展[ J ] ．粉末冶金技术1 9 9 2 ， s 1 2 2 2 4 ． [ 3 ] 吕大咯．堆烙金属及其合金材料的应用与发展[ J ] ．粉末冶金技术，1 9 9 2 ， s 1 1 8 2 1 ． [ 4 ] 文行政．钢衬背铜铅粉末烧结瓦的生产及使用n ] ．武汉武汉汽车配件厂，1 9 8 1 4 6 ． [ 5 ] 吴菊清． 种铜铅合金粉末及其烧制机制[ J ] ．粉末冶金技术，1 9 9 1 ， s 1 4 5 4 7 ． P r e p a r a t i o nT e c h n o l o g yo fC u - P bA l l o yP o w d e r Z H UX i a o - l i l 。W A N GB ／a 0 2 1 ．M e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，N a n n i n gC o l l e g ef o ，．V o c t i o n a lT e c h n o l o g y ，N i n n i n g5 3 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ．M e c h a n i c a lC o l l e g e ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fi m m i s c i b l ea n dc o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o n so fC u P ba l l o y ，t h ea d d i t i v e sa r e a d o p t e da n ds t i r r i n gi se n h a n c e di nt h ep r o c e s so fC u P ba h o ys m e l t i n g ，t h eC u P ba l l o yw i t hh o m o g e n e o u sa n d c o m p a c tm i c r o - s t r u c t u r e si so b t a i n e d ，t h ep o w d e ri so fg o o dw e a rr e s i s t a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e ss o c a nb eu s e df o rb e a r i n gp r e p a r a t i o ni na u t oi n d u s t r y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；C u P ba l l o y ；p o w d e rp r e p a r a t i o n ；c o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o n s 万方数据