專利名稱：偏晶合金減磨軸承材料的控制鑄造技術(shù)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及鑄造技術(shù)，特別提供了一種偏晶合金減磨軸承材料的鑄造技術(shù)。
偏晶合金是一類用途廣泛的金屬材料，目前最主要的幾種偏晶合金包括銅基偏晶合金(銅鉛基)、鋁基偏晶合金(如鋁鉛或鋁鉍基)、鋅基偏晶合金(如鋅鉛或鋅鉍基)等，這些偏晶合金共同的特點是在較硬的金屬基體上彌散分布大量細軟的第二相Pb、Bi軟球粒，大量的試驗結(jié)果表明，具有這種金相組織結(jié)構(gòu)的合金一般具有良好的減磨性能，因此這類偏晶合金特別適用于制造不同滑動條件下的減磨軸承樹料。
偏晶合金熔煉時與其它合金重要的差別是在這種二元合金相圖上，在偏晶線以上，雙結(jié)點線以下，存在一個液相不混溶區(qū)，在這一溫度區(qū)間，已熔化的金屬各組元之間彼此互不混合，當這些金屬組元密度各不相同時，在地球重力場作用下，不同密度又互相不混溶的金屬組元將自動分離，凝固后得到具有宏觀重力偏析特征的鑄錠，嚴重時這種重力偏析甚至可以發(fā)展成為分層的金屬塊，根本不能獲得合金，所以與其它合金相比，利用常規(guī)鑄錠技術(shù)生產(chǎn)偏晶合金是不可能的，這也是偏晶合金發(fā)展緩慢的主要原因之一。
為了克服制備偏晶合金過程中強烈的相分離行為，制取勻質(zhì)偏晶合金材料，人們曾經(jīng)進行了長期的努力，目前主要的方法有粉末冶金法，帶形連續(xù)澆鑄法(張寶義，內(nèi)燃機滑動軸承材料，機械工業(yè)出版社(1989))，熱等靜壓燒結(jié)法(DE3604861，(1986))，高速機械攪拌法(S.Mohan，etal，Z.Metallkd，80，(1989)，904)，連續(xù)鑄造法(EPO440275A1，(1992)，EP545607，(1993))等。粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點是它能成功的克服重力場下偏晶合金的液相分離傾向，易于調(diào)整偏晶合金的成份以獲得最佳的軸承性能，但這種技術(shù)的缺點是材料的致密度較低，其強度水平也相對較低，其次粉末冶金要求復雜的金屬制粉工藝，均勻的粉末混合以及氣體保護燒結(jié)，所以相對制造成本較高。帶形連續(xù)澆鑄法生產(chǎn)效率較高，但由于工藝復雜，設備投資高以及對偏晶合金種類敏感等缺點，有待進一步改進，高速機械攪拌法是采用轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分到3200轉(zhuǎn)/分的高速攪拌器攪拌偏晶合金熔體，使之均勻化，然后鑄造，利用高速運動的液體達到抑制重力偏析的目的。這種技術(shù)對Al基偏晶合金主要的缺點是很難找到高溫下不與Al發(fā)生反應，且具有足夠機械強度和抗熱沖擊性的材料制造優(yōu)質(zhì)高速攪拌器，而對Cu基偏晶合金由于熔化溫度高，液體粘度大，找到一種適合的高溫材料更加困難。在連鑄技術(shù)中，采用對熔體高速冷卻的方法抑制熔體中第二相液滴的重力偏析，從而獲得勻質(zhì)偏晶合金連鑄坯，這種技術(shù)主要的缺點是受偏晶合金導熱性的限制，連鑄坯尺寸被限制的很小，同時由于過高的冷卻速率，使偏晶合金中第二相軟粒子尺寸極為細小，這種極為細小的軟粒子在繼后的軋制過程中，將繼續(xù)沿軋制方向變形成更為細小的條帶組織，而這種過分細小的軟相粒子難以在偏晶減磨軸承材料中發(fā)揮應有的有利作用。
本發(fā)明目的在于提供一種控制鑄造的方法，低成本生產(chǎn)勻質(zhì)偏晶合金，并最大限度的減少這種合金在重力場下嚴重的重力偏析效應。
本發(fā)明提供了一種偏晶合金減磨軸承材料的控制鑄造技術(shù)，主要針對下述偏晶合金a.Al基偏晶合金如Al-Bi或Al-Pb基合金；b.Cu基偏晶合金如Cu-Pb基合金；c.Zn基偏晶合金如Zn-Bi或Zn-Pb基合金；其工藝過程為首先將偏晶合金熔化，并加熱至雙結(jié)點線以上10～250℃，使其成為成份均勻的單相合金熔體；其特征在于對鑄造過程施行下述控制(1)控制注錠速度，使單位時間注入鑄錠模中的合金熔體量與鑄錠模中合金的凝固量相等，即v1·S1＝v2·S2，其中v1為高溫熔體的注流速度，v2為鑄錠中凝固速度(即鑄錠模中固—液界面向上推移的速度)，S1為注水口有效截面積，S2為鑄錠截面積，S1/S2控制在0.005～0.3范圍之內(nèi)。
(2)對流動的偏晶合金熔體進行動態(tài)預冷卻，使其接近該合金凝固點，一般為該合金開始凝固點以上5～150℃；(3)對鑄錠進行強制冷卻，其冷卻速度應保證，鑄錠凝固速度v2在5～15mm/s之間變化。
本發(fā)明還提供了專用于上述技術(shù)的設備，包括加熱爐(1)、帶加熱裝置的底注式中間包(2)、鑄錠模(4)，其特征在于在中間包(2)與鑄錠模(4)之間還設置一可用循環(huán)水強制冷卻的流槽(3)，流槽(3)與地面傾斜5°～80°的夾角。
本發(fā)明所述的合金加熱方法可以選用電阻加熱、中頻加熱或等離子體加熱等任一種常規(guī)加熱方法，本發(fā)明所述的控制注錠速度可以用錐形塞棒法或滑動水口，或固定水口等任一種常規(guī)方法，注流的速度由中間包的液面高度來控制，所以在注錠過程中要及時向保溫中間包內(nèi)補充新的合金熔體，使中間包液面高度保持一個穩(wěn)定值。本發(fā)明所述的對偏晶合金熔體進行動態(tài)預冷卻是通過一個強制冷卻并與地面成一定角度的特制流槽進行的，這種特制流槽內(nèi)表面可以是管狀、半園或長方形，可以用石墨或金屬材料如碳鋼、鑄鐵、不銹鋼等制成，在特制流槽的外側(cè)有一密封的水套，可以通過循環(huán)冷卻劑(包括水、油或氣)強制冷卻，流槽與地面的夾角為5°～80°，最佳值為30°～60°，合金熔體的預冷卻溫度可以通過特制流槽的長度進行調(diào)整，該特制流槽可以是整體的，也可以是分片拼裝而成。本發(fā)明所述的對鑄錠進行強制冷卻是通過一特制的鑄錠模進行的，這種特制鑄錠?？梢杂墒蛱间?、鑄鐵、不銹鋼等金屬材料制成，外側(cè)有密封的水套，可以通過循環(huán)冷卻劑(包括水、油或氣)強制冷卻。鑄錠模的橫截面可以是園型、長扁型或方型。鑄錠的冷卻速率是根據(jù)錠模的內(nèi)徑、錠模材料的熱傳導率、錠模的壁厚以及循環(huán)冷卻劑等綜合因素決定的，可以通過傳熱學理論計算使鑄錠的凝固速率控制在5～15mm/s范圍之內(nèi)。當鑄錠尺寸較小，錠模本身傳熱較好，且熱容量較大，鑄錠冷卻速率能保證上述凝固速率范圍時，也可使用非強制冷卻的普通金屬?；蚴４嫔鲜龅奶刂畦T錠模。錠模的冷卻能力應當與所謂控制鑄造的注錠速度匹配，錠模冷卻能力太快，注錠速度不足將在鑄錠中產(chǎn)生氧化夾層缺陷，反之錠模冷卻能力不足而注錠速度太快，則將在鑄錠中產(chǎn)生宏觀的重力偏析，即較重的金屬組元將沉積在鑄錠底部。本發(fā)明適合制備的鑄錠尺寸為直徑20～50mm(園型)或板厚15～40mm(板型)。
本發(fā)明技術(shù)上的優(yōu)點是顯而易見的1.它不需要復雜的設備投資和特殊的高溫材料，因而偏晶合金的制造成本較低；2.由于在對過熱熔體的預冷卻時，熔體處于流動狀態(tài)，其能夠有效的抑制在常規(guī)的靜態(tài)冷卻過程中不可避免的重力偏析效應，這樣就獲得了制造勻質(zhì)偏晶合金鑄造錠所必須的低溫勻質(zhì)偏晶合金熔體；3.由于注錠速度與鑄錠的凝固速度相等，這樣就在鑄錠上部保持了一個尺寸大小相對穩(wěn)定的小熔池，在這個小熔池中存在一個較大的溫度梯度，在這個溫度梯度驅(qū)動下，已經(jīng)形核并長大的第二相液滴將作Marangoni運動，其方向與重力場方向恰好相反(因為偏晶合金中第二相液滴如Pb、Bi的密度比基體金屬高)，這一效應部份抵消了常規(guī)凝固過程中重力偏析引起的第二相沉淀，這種相對靜止的第二相液滴將被快速推進的固—液界面所捕獲，因而本發(fā)明能夠獲得勻質(zhì)偏晶合金鑄錠。
下面詳述本發(fā)明的具體實施例。
附

圖1為偏晶合金減磨軸承材料的控制鑄流程示意；附圖2為流槽剖示圖；附圖3為10Bi90Al偏晶合金相圖(×12)。
實施例1配制10％Bi(重量百分比，以下均同)，其余為Al的二元偏晶合金，由Al-Bi二元相圖上查得該合金的雙結(jié)點線臨界溫度為800℃，偏晶線溫度657℃。將該合金放入石墨坩堝中，在電阻爐內(nèi)熔化，并加熱至900℃(雙結(jié)點線以上100℃)，保溫一段時間，使其均勻化以后，將其注入保溫中間包中，中間包加熱溫度為920℃。當中間包中合金熔體的液面升到指定高度時，打開中間包底部的水口，將其控制注入一特制的石墨流槽中進行動態(tài)預冷卻，控制澆鑄速度使注流水口有效直徑為Φ2mm，注流速度為0.8m/s，(注錠速度2.5cm3/s)，特制流槽與地面夾角為60度，由流動空氣冷卻，熔體經(jīng)預冷卻后，注入錠模前的溫度為700℃左右(高于固相線溫度約40℃左右)。特制鑄模為石墨制成，內(nèi)徑20mm，其鑄錠凝固速度為8mm/s(2.5cm3/s)，，即單位時間注入錠模的液體量與錠模中同一時間內(nèi)凝固量相等，冷卻后，獲得第二相Bi粒子分布均勻的Al-Bi鑄錠，其金相組織如圖3所示。
實施例2配制10％Pb，5％Si，其余為Al的三元偏晶合金，由Al-Pb二元相圖查得該合金雙結(jié)點線臨界溫度為960℃，Al-Si二元合金的液相線為630℃，采用如實施例1所述的方法，其中選用熔化及加熱溫度為1100℃(高于雙結(jié)點線140℃)，控制澆鑄速度，便注流水口有效直徑為Φ4mm，注流速度為1.56m/s(注錠速度19.6cm3/s)，預冷卻后的熔體溫度為780℃(高于開始凝固點150℃)，不銹鋼制特制流槽，水冷，與地面夾角為30°，特制鑄模為不銹鋼制成，水冷，內(nèi)徑Φ50mm，其鑄錠凝固速度10mm/s(19.6cm3/s)，冷卻后獲得第二相Pb粒子分布均勻的Al-Si-Pb偏晶合金鑄錠。
實施例3配制10％Bi，3％Sn，5％Si.其余為Al的偏晶合金，如實施例1中所述的方法控制鑄造，注流速度為2.4m/s，水口有效直徑為Φ4mm(注錠速度30cm3/s)，特制鑄模為不銹鋼制造，油冷，鑄板截面尺寸為10×200mm，該合金在鑄模中凝固速度為15mm/s(凝固速度30cm3/s)，冷卻后得到了第二相Bi粒子分布均勻的偏晶合金鑄板。
實施例4配制20％Pb，4％Sn，其余為Cu的三元偏晶合金，由Cu-Pb二元相圖，該合金液相線臨界溫度為1010℃，固相線(析出Cu)為955℃，將該合金由中頻電爐加熱熔化并升溫到1200℃，然后注入1210℃的保溫中間包中，控制鑄的條件為注流速度0.6m/s，水口有效直徑Φ5mm(注錠速度120cm3/s)，石墨制特制流槽，由三片組裝而成，總長600mm，外殼由碳鋼制成，外殼與石墨片之間流動空氣冷卻，流槽與地面夾角45°，熔體經(jīng)流槽預冷卻后溫度為970℃，特制鑄模為板型，鑄板截面尺寸為40mm×600mm，該合金在錠模內(nèi)的凝固速度為5mm/s(120cm3/s)，冷卻后獲得了第二相Pb粒子分布均勻的鉛青銅鑄板。
實施例5配制30％Pb，5％Sn，1％Ni，其余為Cu的四元偏晶合金，由Cu-Pb二元相圖，含30％Pb時液相線臨界溫度為990℃，固相線955℃(析出Cu)。采用如實施例4中所述的方法，控制鑄的條件為注流速度4.2m/s，水口有效直徑Φ3mm(注錠速度30cm3/s)，特制鑄模由鑄鐵制成，內(nèi)部水冷，鑄錠直徑Φ50mm，鑄錠凝固速度15mm/s(30cm3/s)，冷卻后獲得了第二相Pb粒子分布均勻的鉛青銅鑄錠。
實施例6配制12％Bi，2％Sn，10％Al，其余為Zn的鋅基偏晶合金，由Zn-Bi二元相圖上，含Bi10％時，雙結(jié)點線臨界溫度為510℃，偏晶線(析出Zn)溫度427℃，將合金加熱熔化，并升溫至550℃后，注入保溫中間包，控制鑄造條件為注流速度5.6m/s，水口有效直徑Φ2.1mm(注錠速度19.4cm3/s)，碳鋼制流槽，內(nèi)部循環(huán)氣冷卻，熔體預冷卻溫度440℃，碳鋼制特制鑄模內(nèi)徑42mm，鑄錠凝固速度為14mm/s(19.4cm3/s)，冷卻后得到第二相Bi粒子分布均勻的鋅基偏晶合金鑄錠。
本發(fā)明制造的偏晶合金的金相特點是組織均勻，致密，第二相粒子尺度適中，因此有良好的軸承性能。以Cu-Pb合金為例，30Pb，5％Sn，1％Ni其余為Cu的偏晶合金采用本發(fā)明制備的軸承，其疲勞強度高達60MPa，而同樣成份的材料，用粉末冶金法制備的軸承其疲勞強度僅為42MPa(引起軸承20％工作面疲勞剝落的比壓力)。同時，本發(fā)明所需的制造成本也比粉末冶金法低的多。
權(quán)利要求
1.一種偏晶合金減磨軸承材料的控制鑄造技術(shù)，主要針對下述偏晶合金a.Al基偏晶合金如Al-Bi或Al-Pb基合金；b.Cu基偏晶合金如Cu-Pb基合金；c.Zn基偏晶合金如Zn-Bi或Zn-Pb基合金；其工藝過程為首先將偏晶合金熔化，并加熱至雙結(jié)點線以上10～250℃，便其成為成份均勻的單相合金熔體；其特征在于對鑄造過程施行下述控制(1)控制注錠速度，使單位時間注入鑄錠模中的合金熔體量與鑄錠模中合金的凝固量相等，即v1·S1＝v2·S2，其中v1為高溫熔體的注流速度，v2為鑄錠中凝固速度(即鑄錠模中固—液界面向上推移的速度的速度)，S1為注水口有效截面積，S2為鑄錠截面積，S1/S2控制在0.005～0.3范圍之內(nèi))；(2)對流動的偏晶合金熔體進行動態(tài)預冷卻，使其接近該合金凝固點，一般為該合金開始凝固點以上5～150℃；(3)對鑄錠進行強制冷卻，其冷卻速度應保證，鑄錠凝固速度v2在5～15mm/s之間變化。
2.專利權(quán)要求1所述鑄造技術(shù)的設備，包括加熱爐(1)、保溫中間包(2)、鑄錠模(4)，其特征在于在中間包(2)與鑄錠模(4)之間設置一可用循環(huán)水強制冷卻的流槽(3)，流槽(3)與地面傾斜5°～80°的夾角。
3.按權(quán)利要求2所述鑄造技術(shù)專用設備，其特征在于所用鑄錠模(4)外如有強制水冷套(5)。
4.按權(quán)利要求2，3所述鑄造技術(shù)專用設備，其特征在于所述流槽(3)與地面傾斜角最好在30°～60°。
全文摘要
一種偏晶合金減磨軸承材料的控制鑄造技術(shù)，需先將合金熔化為均勻單相熔體，其特征在于對鑄造過程施行下述控制(1)控制注錠速度，使注入量與凝固量相等；(2)對流動合金熔體動態(tài)預冷卻；(3)對鑄錠強制冷卻。本發(fā)明可低成本生產(chǎn)勻質(zhì)偏晶合金，并最大限度的減少這種合金在重力場下嚴重的重力偏析。
文檔編號B22D21/00GK1121452SQ9411258
公開日1996年5月1日 申請日期1994年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月26日
發(fā)明者冼愛平, 張修睦, 陳繼志, 李忠玉, 劉清泉 申請人:中國科學院金屬研究所