石墨和硅对偏晶Al-15Pb合金组织和耐磨性能的影响-USB迷|专注于互联网分享

2024年9月7日发(作者：章佳嫒)

第２８卷第５期　

２０１０年０９月　

佳木斯大学学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉａｍｕｓｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　

ＶＤ１．２８　Ｎｏ。５　

Ｓｅｐ．　２０１０　

文章编号：１００８—１４０２（２０１０）０５—０７３２—０４　

石墨和硅对偏晶ＡＩ一１５Ｐｂ合金组织和耐磨性能的影响①　

王振玲　２，　张宏芳。，　江宇红４，　王佳杰　，　李莉２　

（１．黑龙江科技学院材料学院．黑龙江哈尔滨１５００２７；２．哈尔滨工程大学材化学院．黑龙江哈尔滨１５０００１；３．沈阳黎明航空发动机有　

限责任公司．辽宁沈阳１１００４３；４．中煤集团平朔公司非煤机加一厂。陕西平朔０３６０００；５．黑龙江工程学院材料学院．黑龙江哈尔滨　

１５００５０）　

摘　要：采用金相显微镜、ｘ射线衍射仪和摩擦磨损试验机对Ａ１—１５Ｐｂ、ＡＩ一１５ｂ一５Ｓｉ一０．　

２ＲＥ和Ａｌ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２ＲＥ合金的组织和耐磨性能进行了研究．试验结果表明：将合金　

液浇注到金属型中后，其凝固组织中，铅相呈粒状分布于铝基体中；加入硅后，硅相沿晶界偏聚；　

同时加入硅和石墨后，铅相、硅相均呈颗粒状分布，且Ｓｉ相均匀分布，无偏聚．在三组合金中，随　

着硅和石墨的加入，摩擦系数逐渐减小，磨损失重逐渐减小，Ａ１—１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２ＲＥ合金表　

现出较佳的耐磨性能．　

关键词：　ＡＩ一１５Ｐｂ合金；硅；石墨；显微组织；耐磨性能　

中图分类号：ＴＧ１４６．２　文献标识码：Ａ　

金中加入石墨和硅，制备出ＡＩ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一０．　

传统的轴瓦材料，主要是锡、铅基巴氏合金和　

ｃｕ—Ｐｂ合金等，其耐蚀性和适应性均较差，适用于　

重载、低速发动机．Ａｌ—ｓｎ合金虽然具有良好的表　

面和耐蚀性能，但由于锡价格高、储量少、抗磨损性　

能较差等经济和技术上的原因，而影响其进一步的　

大规模应用．随着技术的进步，人们采用成本比较　

低的Ｐｂ来代替比较贵的Ｓｎ．由于铅的弹性模量和　

剪切强度极低，使Ａ】一Ｐｂ轴瓦合金具有低磨损率、　

良好减摩性能、可靠的承载能力和适应性，尤其与　

目前广泛应用的球墨铸铁曲轴可理想匹配，能满足　

中等载荷的高速发动机要求．同时，用铅取代锡，在　

技术和经济上具有很大的优势，因而广泛应用于轿　

车和轻型车中，再加上铝、铅资源丰富，成本低廉，　

市场大，铝铅合金的应用也将被逐渐的开发，其前　

景将非常广阔¨“Ｊ．　

２Ｒｅ和Ａ１—１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２Ｒｅ的合金．研究　

石墨和硅对Ａ１—１５Ｐｂ合金的组织结构和耐磨性能　

的影响并分析其影响机理．其意义在于探索新型轴　

瓦材料，并为实践生产提供一定的理论参考，具有　

重要的理论和实践意义．　

但是铝铅系合金是一种典型的非互溶偏晶合　

金，重力铸造条件下，ｐｂ偏析严重，极大影响了其　

耐磨性能的发挥，限制了其应用范围．许多资料表　

明，当向铝合金中加入合金元素后，能显著降低这　

种偏聚现象，同时还可能减少缺陷如气孔、空穴的　

数量，进而提高其强度和耐磨性．因此本研究选择　

图１加入硅和石墨的ＡＪ一１５Ｐｂ合金的ｘ射线衍射谱　

Ａｌ—ｌ５Ｐｂ合金做为研究对象，通过向Ａ１—１５Ｐｂ合　

①收稿日期：２０１０—０８一ｌ９　

基金项目：黑龙江科技学院人才引进基金资助（ｏ８—１２）．　

作者简介：王振玲（１９７５一），女，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，主要从事铝合金及其超高压凝固行为研究　

第５期　王振玲，等：石墨和硅对偏晶Ａ１—１５Ｐｂ合金组织和耐磨性能的影响　７３３　

１试验材料与试验方法　

本试验采用９９．９７ｗｔ．％的纯铝、速熔硅和９９．　

９９％的纯铅在电阻坩埚炉中熔炼制备了Ａｌ一　

１５Ｐｂ、ＡＩ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一０．２ＲＥ和Ａ１—１５Ｐｂ一５Ｓｉ一　

图谱．从图中可以看出，Ａｌ一１５Ｐｂ合金主要由仅一　

Ａｌ相和Ｐｂ相组成；当向该合金加入５％Ｓｉ和０．　

２％ＲＥ后，相组成中除了　一Ａ１相和Ｐｂ相外，出　

现了ｓｉ相的衍射峰；在此合金基础上，再加入２％　

石墨后，合金仍由仅一Ａ１相，Ｐｂ相和Ｓｉ相组成，并　

没有出现石墨相的衍射峰，这很可能是合金中的石　

墨相数量太少，其衍射峰强度太弱，以至于没有出　

现其相应的衍射峰．　

图２（ａ）为Ａ１—１５Ｐｂ合金的显微组织．从该图　

可以看出，在铝基体上分布着大量铅粒子相．当向　

２Ｇ一０．２ＲＥ三种成分的合金．采用金属型浇注成　

０　Ｘ　１２０ｍｍ的圆棒，浇注前用搅拌棒对铝液进行　

强烈搅拌，以期均匀成分，降低偏析．　

系列成分铝铅合金采用ＸＪＰ一３Ａ型金相显微　

镜观察组织，金相试样的腐蚀剂为０．５％的氢氟酸　

水溶液．采用ＸＤ２型ｘ射线衍射仪对系列铝铅合　

金进行了相分析．摩擦磨损试验在ＭＭＳ一２Ａ屏显　

式摩擦磨损试验机上进行，实验力选取为１００Ｎ，时　

该合金中加人５％Ｓｉ和０．２％ＲＥ后，从图２（ｂ）可　

以看出，除了铝基体上分布着大量铅粒子外，在　

—

Ａｌ晶界处有ｓｉ相偏聚．由于合金中加入了ＲＥ，　

间为４０ｍｉｎ，转速为２００　ｒ／ｍｉｎ，摩擦副为４５＃钢．　

对硅相有变质作用，所以硅相长成粒子状形态，并　

且硅粒子的尺寸要比铅相尺寸大．当Ａ１—１５Ｐｂ合　

金同时加入硅和石墨以及稀土后，铅相和硅相均呈　

粒子状均匀分布，未发现硅相在晶界处偏聚现象，　

２试验结果与讨论　

２．１　硅和石墨对铝铅合金组织结构的影响　

图１是Ａ１—１５Ｐｂ，Ａ１—１５Ｐｂ一５Ｓｉ一０．２ＲＥ和　

如图２（ｃ）所示．但此时，有部分粒子尺寸较大，这　

部分大尺寸粒子相应该是硅相．可见，铝铅硅合金　

中加入石墨，具有改善硅相偏聚的作用．　

ＡＩ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２ＲＥ合金的Ｘ射线衍射　

图２系列成分铝铅合金的显微组织　

（ａ）Ａ１—１５Ｐｂ（ｂ）Ａ１—１５Ｐｂ一５Ｓｉ一０．２ＲＥ（ｃ）ｈｌ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２ＲＥ　

２．２　硅和石墨对铝铅合金耐磨性能的影响　

２．２．１　摩擦系数　

图３为系列成分Ａｌ—Ｐｂ系合金摩擦系数与时　

增加．图３（ｂ）为Ａ１—１５Ｐｂ一５Ｓｉ一０．２Ｒｅ合金的摩　

擦系数曲线，从图中可以发现，加人硅和稀土的Ａｌ　

一

１５Ｐｂ合金的摩擦系数值比纯Ａ１—１５Ｐｂ合金的　

要小，其值在０．３６４５～０．７８０５范围内．随着磨损时　

间的关系曲线．从图３（ａ）可以看出，ＡＩ一１５Ｐｂ合　

金的摩擦系数在０．４５０９～０．７６１９范围内，随着摩　

间的增加，摩擦系数仍呈增大趋势．图３（ｃ）为Ａｌ一　

１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２Ｒｅ合金的摩擦系数曲线．从　

图中看出，加入石墨后随着磨损时问的增加，摩擦　

系数变化比较平稳，并且其摩擦系数值进一步减　

擦磨损时间的增加，摩擦系数呈增大趋势．这表明　

摩擦磨损刚开始进行时，由于材料表面层存在的大　

量铅粒子相，在磨损表面形成的铅膜具有良好的润　

滑作用，此时材料的耐磨性能较好．随着磨损时间　

小，具体范围在０．３２２９～０．６５２５内．这主要是因为　

石墨本身也是一种很好的润滑剂，在整个磨损试验　

过程，石墨在材料磨损表面与铅相共同参与形成润　

滑膜，使得材料的耐磨性能更加优良，且能够较长　

的增加，材料表面铅膜逐渐被磨损掉，失去润滑作　

用，导致其耐磨性下降，具体表现为摩擦的系数的　

７３４　佳木斯大学学报（自然科学版）　２０１０年　

时间保持其耐磨性能．　

图３摩擦系数与时问关系曲线　

（ａ）Ａ１—１５Ｐｂ（ｂ）ＡＩ一１５Ｐｂ一５ｓｊ一０．２ＲＥ（ｃ）ＡＩ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２ＲＥ　

２．２．２磨损量　Ａｌ—Ｐｂ合金中加人石墨后，石墨本身的自润滑作　

材料耐磨性能好坏，除了通过摩擦系数进行评　用，使得合金的磨损量进一步降低，并且与铅相在　

定外，还需参考磨损量．图２．４是加入硅和石墨的　

材料磨损表面共同形成润滑膜，使得材料在较长时　

Ａ１—１５Ｐｂ合金的磨损量柱状图，从图中可以看出：　

间内保持较好的耐磨性．　

向ＡＩ—Ｉ５Ｐｂ合金中加入硅，磨损量降低地较明显，　

说明硅的加入显著改善了ＡＩ一１５Ｐｂ合金的耐磨性　

能；向ＡＩ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ合金中加入石墨后，磨损量　

继续减小，说明石墨的加入进～步提高了Ａｌ一　

１５Ｐｂ一５Ｓｉ合金的耐磨性能．　

从以上分析可以发现，在耐磨性较好的轴瓦材　

料Ａｌ—Ｐｂ合金中加人硅和石墨后，使其耐磨性能　

明显改善．原因有如下几点：　

在颗粒增强技术中，硅是硬质点增强颗粒，能　

显著增加合金的硬度，进而减少磨损量；理论上讲，　

颗粒愈小，分布越均匀，材料弥散强化作用愈好，耐　

磨性能也越高．结合图２中所示加入硅和石墨的　

ｍ一１５Ｐｂ合金的显微组织图，图２（ｂ）中硅相呈聚　

集态沿晶界分布，图２（Ｃ）中硅呈较均匀的颗粒状　

图４加人硅和石墨的ＡＩ一１５Ｐｂ合金的磨损量柱状图　

分布，这对于提高材料的耐磨性是比较有利的；当　

第５期　王振玲，等：石墨和硅对偏晶Ａ１—１５Ｐｂ合金组织和耐磨性能的影响　７３５　

３　结　论　

通过对添加了，硅和石墨的Ａｌ一１５Ｐｂ合金的组　

擦系数减小，磨损量减小．硅和石墨能够明显改善　

一

１５Ｐｂ合金的耐磨性能．　

织、耐磨性进行了研究，具体的出结论如下：　

（１）Ａ１—１５Ｐｂ合金的组织由仅一Ａ１相和Ｐｂ　

相组成，其中Ｐｂ相以颗粒状形态分布在铝基体上；　

向Ａ

１－１５Ｐｂ合金中力Ⅱ人５％ｓｉ和０．

．．

参考文献：　

［１］　Ｓｈｉｍ　Ｊ　Ｈ，Ｌｅｅ　Ｈ　Ｎ．Ｈａ　Ｈ　Ｐ　ｅｔ　ａ１．Ｌｉｑｕｉｄ　Ｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙ　Ｇａｐ　ｉｎ　

ｈｅ　ｍ—Ｐｂ一　“　ｙｓｔ一・Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｏｙ。ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｕｎ　ｓ，　

性能［Ｊ］．特种铸造及有色合金

２００３，（３）：２３—２６．　

，

后，合金由ｑ—Ａ１相、Ｐｂ相和Ｓｉ相组成．Ｐｂ相仍以　

２％ＲＥ　土　［２］　器　等．铸造　ｂ轴承合金的组织和　

［３］　胡劲，孙勇，姜东慧，等．ＡＩ—Ｐｂ体系研究进展［Ｊ］．昆明理　

工大学学报，２００３，２ｓ（１）：２３—２８．　

［４］　徐永富，朱敏・Ａ１一Ｐｂ系耐磨合金的制造技术、组织结构及　

力学性能［Ｊ］．材料科学与工程，１９９９，１７（２）：７１一　’・　

粒状形态分布在铝基体上，Ｓｉ相呈粒状偏聚在Ｏｔ一　

Ａｌ相晶界位置；在此合金基础上，再加入２％石墨　

后，Ｐｂ相和Ｓｉ相均呈粒状分布，且Ｓｉ相无偏聚现　

象，分布较均匀．　

（２）在Ａｌ一１５Ｐｂ合金中加入硅和石墨后，摩　

Ｅ仃ｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　

Ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ＡＩ一１　５　Ｐｂ　Ａｌｌｏｙ　

ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎ—ｌｉｎｇ１

．　

ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｒｔｇｆ－ａｎｇ　，　ＪＩＡＮＧ　Ｙｕ—ｈｏｎｇ５，　ＷＡＮＧ　Ｊｉａ—ｊ　，Ｈ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｇｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔａｉｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｄｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｌａｒｂｉｎ　１５００２７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌ－　

ｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｎａｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５∞ｌｏ１，Ｃｈｉｎａ；３．ＡＶＩＣ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｌｉｍｉｎｇ　

Ａｅｒｏ—Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｐｐｏｒａｔｎｎ　Ｌｔｉｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００４３，Ｃｈｉｎａ；４．Ｃｈｉｎａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏａｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｐｉｎｇｓｈｕｏ　０３６０００，Ｃｈｉｎａ；５．Ｈｅ．ｉ－　

ｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

—

Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｅａｌ＂一ｒｅｓｉｓｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　Ａ１一ｌ５Ｐｂ．Ａｌ一１５ｂ一５Ｓｉ—Ｏ。２ＲＥ　ａｎｄ　Ａ１　

１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｇ一０．２ＲＥ　ａｌｌｏｙｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｌｐｈｉｃ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　

ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｗｅｓｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　Ｐｂ　ｐｈａｓｅｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｓ　ｇｒａｉｎｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａ１　ｍａｔｒｉｘ　ａｆｔｅｒ　ｐｏｕ—　

ｒｉｎｇ　ｈｅ　ｍｏｌｔｔｅｎ　ｍｅｔａｌ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｍｏｕｌｄ　ａｎｄ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｈａｓｅｓ　ｓｅｇｒｅｇａｔｅｄ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ａｓ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ａｄｄ－　

ｅｄ　ｉｎｔｏ　Ａｌ一１５Ｐｂ　ａⅡｏｙ．Ｗｈｅｎ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ａｌｌ　ａｄｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｌ一１５Ｐｂ　ａｌｌｏｙ。Ｓｉ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　Ｐｂ　ｐｈａｓｅ　ｗｅｒｅ　

ａｌｌ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎｅｓｓ　ｄｉｓｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａ１　ｍａｔｒｉｘ，ａｎｄ　Ｓｉ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ．Ｉｎ　

ｈｒｔｅｅ　ａｌｌｏｙｓ，ｔｈｅ　ｃｏｒｎｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｌｏｓｓ　ｉｎ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｈ　ｔｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄ　

ｒａｐｈｉｇｔｅ．ｓ０　ＡＩ一１５Ｐｂ一５Ｓｉ一２Ｃ一０．２ＲＥ　ａｌｌｏｙ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　Ａｌ—ｌ５Ｐｂ　ａｌｌｏｙ；ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃａｒｂｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　