叶片对铝铅合金液中铅分布的影响

张 君，张 鹏，杜云慧，姚莎莎

(北京交通大学机电学院，北京100044)

叶片对铝铅合金液中铅分布的影响

张 君，张 鹏，杜云慧，姚莎莎

(北京交通大学机电学院，北京100044)

针对铝铅合金液电磁搅拌中存在的重金属铅偏聚问题，在常规电磁搅拌方法基础上，利用自行设计的内壁布有直叶片坩埚，对铝铅合金液进行了电磁-叶片搅拌研究，采用多点冷淬方法，得到了叶片布置角度对铝铅合金液内铅分布的影响规律，确定了铅分布均匀的铝铅合金液的电磁-叶片搅拌技术.结果表明:叶片与坩埚径向夹角β决定着铅在坩埚径向上的分布，叶片与坩埚轴向夹角γ决定着铅在坩埚轴向上的分布，当β为35°、γ为25°时，可得到铅在坩埚径向上和轴向上都分布均匀的Al-28%Pb合金液，显著地提高了铸造Al-28%Pb合金材料的性能.

合金液;搅拌;均匀分布

铝铅合金既具有铝的耐腐蚀、嵌藏性好、导热快又具有铅的润滑性能好等优点［1-4］，疲劳强度远优于巴氏合金［5］，是理想的现代轴瓦材料［6-7］，需求面遍布于汽车、铁路、机械、航空航天等广泛领域［8-10］.

铝铅合金的典型制备方法主要包括粉末冶金法、喷射沉积法、铸轧法和铸造法等方法［11-13］.其中，铸造法直接采用铝铅合金液制备铝铅合金材料，其工艺最短、能耗最小，是最节能、最符合材料制备发展方向的制备技术，但是由于材料组织中总是存在铅的偏聚现象，所以铸造铝铅合金材料的耐磨性、减摩性、抗咬合性、承载能力等都没有得到理想状态，应用受到了很大的限制.

搅拌可以促进合金液各组分的均匀分散，但是由于铝铅合金为偏晶合金，熔炼时基本不互溶，而且铅的密度11.3×103kg·m-3远大于铝的密度2.7×103kg·m-3，所以，在常规电磁搅拌中总是存在重金属铅偏聚问题，即便施加超声振动，对重金属铅的均匀分散效果也十分有限［14］.长期以来，“组分密度差别大的铝铅合金液在电磁搅拌中的重金属铅偏聚”问题一直没有得到很好地解决.

铅在铝铅合金液中的分布状态将会遗传到铸造铝铅合金材料组织中，如果在经过搅拌的铝铅合金液中铅的分布已经是处于不均匀状态，那么铸造铝铅合金材料的组织就肯定存在铅的不均匀偏聚现象(如图1所示，图中深色部分为铅，其它部分为铝基体)，可见，必须先制备出铅均匀分布的铝铅合金液，才能通过快速凝固等铸造手段得到铅均匀分布的铝铅合金材料.

本文在常规电磁搅拌方法基础上，利用自行设计的内壁布有直叶片坩埚，对铝铅合金液进行了电磁-叶片搅拌研究，通过调整叶片与坩埚径向夹角β实现了铅在坩埚径向上的均匀分布;通过调整叶片与坩埚轴向夹角γ实现了铅在坩埚轴向上的均匀分布，得到了铅分布均匀的Al-28%Pb合金液的电磁-叶片搅拌技术.

图1 Al－28%Pb中铅的不均匀偏聚现象

1 试验

1.1 材料

试验材料为工业纯铝和铅.

1.2 装置

实验装置如图2所示.三对电磁极对1均布在内径为200 mm、高为250 mm的石墨坩埚2周围，构成额定功率为10 kW的电磁搅拌动力装置(其交-交变频电源为:三相、50 Hz、380 V输入;三相、频率 10 Hz、380 V输出即搅拌转速为200 r/min)，其内侧与坩埚外壁之间的距离为5 mm，其外侧加外罩12形成保护，F为搅拌方向.底架13用于固定电磁搅拌动力装置与坩埚.直叶片6采用机械连接方式固定于坩埚内壁上，在坩埚不同高度上呈水平层状分布，最下层的叶片下部与坩埚内底面的间隔a为10 mm，相邻叶片层之间的间隔b为40 mm.在同一叶片层内，三个叶片的根部在周向上间隔120°均匀分布，叶片长度c均为80 mm，宽度d均为40 mm.叶片与坩埚径向均构成β夹角(见图2(b))，以便不断地将周围的铝铅合金液3移到内部;叶片与坩埚轴向均构成γ夹角(见图2(a))，以便不断地将下部的铝铅合金液移到上部.相邻叶片层内的叶片在同一水平面上的投影根部在周向上间隔60o均匀分布.铝铅合金液的温度由热电偶9、坩埚壁内的加热管4和冷却管5控制.插在坩埚上盖7上的氩气管8用于防止铝铅合金液氧化.中心堵塞10、边部堵塞11用于向水槽14内释放坩埚下部中心与边部的铝铅合金液，以便制备冷淬铸锭、开展铝铅合金液中的铅分布研究.

1.3 试验步骤

试验步骤如下:

1)按质量分数制备Al-28%Pb合金液.除气后，温度保持在700℃;

2)首先接通加热管将坩埚预热至700℃，倒入制备好的Al-28%Pb合金液，盖上上盖，吹入氩气;

3)搅拌Al-28%Pb合金液.接通搅拌装置，在所布置的β与γ条件下，对Al-28%Pb合金液进行搅拌.Al-28%Pb合金液的温度由热电偶、加热管和冷却管控制在700℃，温度精度为±1℃;

4)多点冷淬Al-28%Pb合金液.搅拌20 min后，依次拔出堵塞，向水槽中放出适量的Al-28%Pb合金液，制备坩埚不同部位Al-28%Pb合金液的冷淬铸锭(其中坩埚上部中心与边部处Al-28%Pb合金液的冷淬铸锭是利用取样勺制取的);

5)进行微观组织分析.采用线切割技术由冷淬铸锭制取大小为10×10×5 mm的试样;利用研磨机和30 μm的金刚石研磨膏研磨后，再依次使用9，6，3和1 μm的金刚石研磨膏抛光;经过Keller腐蚀液腐蚀处理后，利用OLYMPUS BX61光学显微系统进行微观组织分析，确定铅在Al-28%Pb合金液中的分布.

2 结果与讨论

2.1 β对铅分布的影响

如果铅在Al-28%Pb合金液中的分布是均匀的，则铅不论在坩埚轴向上还是径向上的分布都应该是均匀的，也就是说，坩埚不同部位的Al -28%Pb合金液中的铅含量是相同的，因此本文选定坩埚上部中心、边部以及底部中心、边部等四处Al-28%Pb合金液中的铅含量来评定Al-28%Pb合金液中铅的分布状态，具体说就是，利用中心与边部的铅含量差值来评定铅在坩埚径向上的分布均匀程度;利用上部与底部的铅含量差值来评定铅在坩埚轴向上的分布均匀程度.

图2 搅拌实验装置示意图

图3与图4为γ取40°时β与坩埚底部和上部铅含量(质量分数)的关系图，图5为β和坩埚中心与边部铅含量差值dr(绝对值)的关系图，可见，坩埚底部与坩埚上部的中心与边部铅含量差值十分接近，取平均值后，经过非线性回归得到的β与dr之间的关系方程为

图3 β与坩埚底部中心、边部铅含量

图4 β与坩埚上部中心、边部铅含量

图5 β和坩埚底部、上部的dr

回归相关系数Rl为0.99713，这说明回归方程(1)已正确地建立了β与dr之间的关系.令方程(1)导数为零，得到dr为零即铅在坩埚径向上均匀分布的条件为:β=35°.

2.2 γ对铅分布的影响

图6与图7为β取35°时γ与坩埚中心和边部铅含量的关系图，图8为γ和坩埚底部与上部铅含量差值da(绝对值)的关系图，可见，坩埚中心与坩埚边部的底部与上部铅含量差值十分接近，取平均值后，经过非线性回归得到的γ与da之间的关系方程为

图6 γ与坩埚底部、上部中心铅含量

图7 γ与坩埚底部、上部边部铅含量

图8 γ和坩埚中心、边部的da

回归相关系数Rl为0.99803，这说明回归方程(2)已正确地建立了γ和da之间的关系.令方程(2)导数为零，得到da为零即铅在坩埚轴向上均匀分布的条件为:γ=25°.

显然，当β取35°、γ取25°时，坩埚内Al-28%Pb合金液中的铅在坩埚径向上和轴向上的分布都十分均匀，可见，采用电磁-叶片搅拌技术对Al-28%Pb合金液进行搅拌时，铅均匀分布的搅拌参数为:β取35°、γ取25°.

2.3 讨论

由于铅的密度远大于铝的密度，因此，在常规圆形坩埚内，Al-28%Pb合金液中的铅液滴将发生沉淀，造成铅在坩埚轴向上的分布不均.

如果对常规圆形坩埚内的Al-28%Pb合金液进行电磁搅拌，则铅液滴将作规则的圆周运动，并在如下离心力的作用下产生由坩埚中心向边部偏聚的离心运动［15］:

式中:m为铅液滴的质量，ω为铅液滴绕坩埚轴线转动的角速度，r为铅液滴距坩埚轴线的距离.可见，这将造成铅在坩埚径向上的分布不均.

本研究采用内壁布有直叶片的坩埚进行Al -28%Pb合金液的电磁搅拌，这些叶片与坩埚的径向和轴向分别成一定的β和γ角度，它们将极大地改变Al-28%Pb合金液的运动状态，从而改变铅在Al-28%Pb合金液中的分布状态.

当β为0°时，铅液滴沿圆周方向垂直撞击在叶片上，叶片不能造成铅液滴的径向运动，即不能改变铅液滴的离心偏聚运动，仍然相当于常规电磁搅拌的状态，所以此时铅在坩埚径向上的分布呈现不均匀状态，这也直观地反映出，在常规电磁搅拌下铅在坩埚径向上的分布是非常不均匀的;随着β的增大，铅液滴沿圆周方向倾斜撞击在叶片上，铅液滴将沿叶片表面向坩埚内部运动，该向内运动将在一定程度上改善铅液滴的离心偏聚，β越大，对离心偏聚的改善作用越大，所以铅在坩埚径向上的分布越来越均匀，当β为35°时，铅液滴的向内运动消除了离心偏聚，因此此时实现了铅在坩埚径向上的均匀分布;但是，当β过大时(如45°以后)，叶片表面对铅液滴产生的向内运动逐渐减小，对离心偏聚的改善作用也逐渐减小，β越大，对离心偏聚的改善作用越小，所以铅在坩埚径向上的分布越来越不均匀.

当γ为0°时，铅液滴沿水平方向垂直撞击在叶片上，叶片不能造成铅液滴的轴向运动，即叶片不能改变铅液滴的沉淀偏聚运动，仍然相当于常规电磁搅拌的状态，所以此时铅在坩埚轴向上的分布呈现不均匀状态，这也直观地反映出，在常规电磁搅拌下铅在坩埚轴向上的分布是非常不均匀的;随着γ的增大，铅液滴沿水平方向倾斜撞击在叶片上，铅液滴将沿叶片表面向坩埚上部运动，该向上运动将在一定程度上改善铅液滴的沉淀偏聚，γ越大，对沉淀偏聚的改善作用越大，所以铅在坩埚轴向上的分布越来越均匀，当γ为25°时，铅液滴的向上运动消除了沉淀偏聚，因此此时实现了铅在坩埚轴向上的均匀分布;但是，当γ过大时(如30°以后)，叶片表面对铅液滴产生的向上运动逐渐减小，对沉淀偏聚的改善作用也逐渐减小，γ越大，对沉淀偏聚的改善作用越小，所以铅在坩埚轴向上的分布越来越不均匀.

图9和图10是β为35°、γ为25°时坩埚上部中心与底部边部处Al-28%Pb合金液的微观组织照片，图中深色小块部分为铅，其它部分为铝基体，可见，本文的电磁-叶片搅拌技术解决了常规电磁搅拌技术中存在的重金属铅偏聚问题，这对提高铸造Al-28%Pb合金材料的性能是至关重要的.表1为常规电磁搅拌与电磁-叶片搅拌Al-28%Pb合金液金属型铸锭(冷却速度300℃·min-1)的性能(数值为5次实验数据的平均值).硬度值在KPE-300型布氏硬度机上测定;摩擦学性能在MM-200型环-块摩擦磨损试验机上测试，对摩试环为GCr15钢环，试验块尺寸为10×10×8mm，对摩表面用800号水砂纸打磨光滑后，用酒精清洗并烘干.法向压力为60N，主轴转速为200r·min-1，摩擦时间为30min，滑动距离785 m，试验为干摩擦.可见，经过电磁-叶片搅拌的Al-28%Pb合金液金属型铸锭性能得到了显著的提高.

图9 上部中心Al－28%Pb合金液的微观组织

图10 底部边部Al－28%Pb合金液的微观组织

表1 Al－28%Pb合金液金属型铸锭的性能

3 结论

1)采用电磁-叶片搅拌方法对铝铅合金液进行搅拌，可以解决常规电磁搅拌方法中存在的重金属铅偏聚问题，该方法为制备均匀的组分密度差别大的合金液探索了一条行之有效的途径.

2)在Al-28%Pb合金液的电磁-叶片搅拌中，叶片与坩埚径向夹角β决定着铅在坩埚径向上的分布，β与坩埚中心与边部铅含量差值dr之间的关系为

叶片与坩埚轴向夹角γ决定着铅在坩埚轴向上的分布，γ与坩埚底部与上部铅含量差值da之间的关系为

3)可实现重金属铅在Al-28%Pb合金液中均匀分布的电磁-叶片搅拌参数为:β为35°、γ为25°，本文研究结果可为制备高性能Al-28% Pb合金材料提供参考.

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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 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)06-0063-06

2012-08-19.

国家自然科学基金资助项目(50974010).

张 君(1982-)，女，博士研究生;

张 鹏(1966-)，男，教授，博士生导师.

张 鹏，E-mail:pzhang1@bjtu.edu.cn.

(编辑 张积宾)