一种具有弥散型复合凝固组织Al-Pb或Al-Bi合金的制备方法与流程

本发明涉及Al-Pb及Al-Bi轴瓦合金材制备技术领域，具体地说是一种具有弥散型复合凝固组织Al-Pb或Al-Bi合金的制备方法。

背景技术：

Al-Pb及合Al-Bi金是一种重要的轴瓦材料，在Al中加入适量的Bi或Pb可提高材料的减摩性。Al-Pb及Al-Bi合金相图如图1所示。它们在液态存在着组元不混溶温度区间(L₁+L₂，L₁和L₂分别为富集不同组元的熔体)。当均一的合金熔体冷却到L₁+L₂区内时，它将发生液-液相变(L→L₁+L₂)，富Pb或富Bi相液滴自熔体中沉淀析出。由于两液相间的比重差很大，液-液相变期间极易形成相偏析严重乃至两相分层的现象，因此，制备具有弥散型凝固组织的Al-Pb和Al-Bi合金极为困难，这限制了Al-Pb和Al-Bi合金的工业应用。采取适当的措施，提高弥散相液滴的形核率，从而减小弥散相液滴的尺寸及迁移速度，减缓相偏析的形成速度，是制备Al-Pb和Al-Bi合金的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有弥散型复合凝固组织Al-Pb或Al-Bi合金的制备方法，向Al-Pb或Al-Bi合金熔体中添加微量的Ti和C，在合金熔体冷却发生液-液相变前，Ti和C以TiC粒子形式沉淀析出，该粒子可以做为富Pb或富Bi相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Pb或富Bi相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb或Al-Bi合金复合凝固组织的形成。

本发明的技术方案是：

一种具有弥散型复合凝固组织Al-Pb或Al-Bi合金的制备方法，该方法采用铸 造技术(模铸或连铸)，向Al-Pb或Al-Bi合金熔体中添加微量的Ti和C，在合金熔体冷却过程中，于液-液相变前，Ti和C以TiC粒子形式自合金熔体中沉淀析出(Ti+C→TiC(s))，析出的TiC粒子在合金熔体发生液-液相变时作为富Pb相或富Bi相液滴的形核基底，提高富Pb或富Bi相液滴的形核率，促进具有弥散型复合凝固组织的Al-Pb或Al-Bi合金的获得。

所述Ti和C在熔炼Al-Pb或Al-Bi合金时加入，合金熔体的熔炼温度和浇注温度高于合金组元互溶温度200K以上，低于1373K。

所述Ti和C加入合金熔体后全部溶解于合金熔体中，合金熔体中添加的Ti和C的摩尔比例为(1～1.1)：1。

合金熔体中Ti和C的加入量由下式(1)确定：

$\mathrm{\ΔG}\left({\mathrm{Jmol}}^{-1}\right)=-163382+80.347T+0.460\×{10}^{-3}{T}^2+\frac{3.096\×{10}^5}{T}-0.962T\ln T,$

$[\mathrm{wt}\%\mathrm{Ti}][\mathrm{wt}\%C]=(1\±0.1){10}^{-4}\exp \left[\frac{\mathrm{\ΔG}}{R(T_b+200)}\right]---\left(1\right);$

式(1)中：Ti和C表示溶解于Al熔体的Ti和C，ΔG为TiC沉淀析出导致的体系自由能变化，T为绝对温度，T_b为合金组元互溶温度，R为气体常数，wt％Ti和wt％C分别为Al-Pb或Al-Bi合金中Ti和C的重量百分数。

所述Al-Pb合金中，Pb元素含量小于9wt.％；所述Al-Bi合金中，Bi元素含量为5～20wt.％。本发明Al-Pb或Al-Bi合金亦可含有一些合金化元素，如Cu、Zn、Mg等，这些元素可以进一步提高Al基体的强度。

所制备的Al-Pb或Al-Bi合金中，Pb或Bi以粒子形式弥散分布于Al基体中。

本发明的原理如下：

本发明通过向Al-Pb、Al-Bi合金熔体中添加微量的Ti和C。在合金熔炼过程中Ti和C能够全部溶解于合金熔体中。在Al-Pb、Al-Bi合金熔体冷却发生液-液相变前，Ti和C以TiC粒子形式自熔体中沉淀析出，这些TiC粒子可作为Al-Pb、Al-Bi合金液-液相变过程中富Pb相或富Bi相液滴的形核基底，从而大幅度提高富Pb或富Bi相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb、Al-Bi合金复合凝固组织的获得。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用异质形核技术，控制Al-Pb、Al-Bi合金的凝固动力学，获得具有Pb或Bi以粒子形成弥散分布于Al基体的Al-Pb、Al-Bi合金复合材料，满足工业需求。

2、本发明尤其适合于冷却速度较快的铸造技术，如：铸锭尺寸较小，金属型、石墨型铸造，薄板连铸等。

附图说明

图1为偏晶合金示意相图。

图2为Al-9wt％Bi合金试样的金相；图中：(a)未添加Ti和C；(b)添加Ti和C(Al-9wt％Bi-0.1wt％Ti-0.025wt％C)。图中黑色相为Al基体，白色相为Bi粒子。

图3为Al-5wt％Pb合金试样的金相；图中：(a)未添加Ti和C；(b)添加Ti和C(Al-5wt％Pb-0.1wt％Ti-0.025wt％C)。图中黑色相为Al基体，白色相为Pb粒子。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

Al-Pb、Al-Bi合金凝固时极易形成偏析严重乃至两相分层的凝固组织，制备极为困难。本发明研究表明，微、纳米尺寸TiC粒子能显著提高Al-Pb、Al-Bi合金液-液相变过程中弥散相富Pb、富Bi相液滴的异质形核率、细化凝固组织、促进弥散型凝固组织的获得。据此，本发明通过以Al-Ti-C中间合金的方式向Al-Pb、Al-Bi合金熔体中添加微量的Ti和C，所述Ti和C在合金熔炼时加入，合金熔体的熔炼温度高于合金组元互溶温度(即合金的平衡液-液相变温度T_b，见图1)200K以上。在Al-Pb、Al-Bi合金熔体冷却过程中，于熔体发生液-液相变前，Ti和C以TiC粒子形式沉淀析出，从而，大幅度提高富Pb或富Bi相液滴的形核率，促进弥散型Al-Pb、Al-Bi合金复合凝固组织的获得。用此方法制备的Al-Pb、Al-Bi合金组织如图2、图3所示。

实施例1

如图2所示，铸造Al-9wt％Bi合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加微量的Ti和C的试样相比，添加Ti和C的合金试样中富Bi相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。

其制备过程如下：

用电阻炉熔炼Al-9wt％Bi晶合金，熔体升温至1100℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Bi的溶解，然后以Al-Ti-C中间合金的形式，向1100℃合金熔体中添加0.11wt％Ti和0.026wt％C，搅拌溶均后浇注。

实施例2

如图3所示，铸造Al-5wt％Pb合金，使用石墨模，浇注前石墨模温度为室温，试样直径15mm。与未添加微量的Ti和C的试样相比，添加Ti和C的合金试样中富Pb相粒子显著细化，粒子分布均匀性提高。

其制备过程如下：

用电阻炉熔炼Al-5wt％Pb合金，熔体升温至1050℃保温30分钟，保温期间搅拌熔体，促进Pb的溶解，然后以Al-Ti-C中间合金的形式，向1050℃合金熔体中添加0.10wt％Ti和0.025wt％C，搅拌溶均后浇注。