2024年4月26日发(作者：三星taba7)

半固态成形制备铝铅难混溶合金

刘明伟;陈体军;刘二勇;张素卿

【摘 要】Al-Pb alloy immiscible mixing has been synthesized by

mechanical agitation technology combined with preparation of semi-solid

forming technology and the temperature impact on the lead particles

grain size, distribution and solid fraction of alloys have been researched.

Microstructure observation showed that lead particles of Al-Pb alloy could

distributed homogeneously with the matrix alloy by strong mechanical

agitation. The solid fraction increased with the temperature decreased. The

solid fraction up to 67.1％ from coagulating at 630℃ to 585℃ and showed

a nonlinear change. The primary α-Al particles became round under the

effect of mechanical agitation; Lead particle size tended to reduce and its

distribution to uniform, and also showed a nonlinear change with the

temperature. Test on the lead content of alloy showed that lead content

was about 5.80. Al-Pb alloy mixing capacity could synthesized by

mechanical agitation combined with preparation of semi-solid forming

technology.%通过机械搅拌半固态成形技术制备铝铅系难混溶合金.研究了温度对

该合金铅颗粒晶粒尺寸和分布及固相率的影响.微观结构观察表明:通过强力的机械

搅拌,可以把铝铅合金中的铅颗粒弥散均匀分布于基体合金中.随着温度的降低:合金

的固相率增大,从630℃开始凝固到585℃合金固相率升到67%,呈非线性变化;初

生α-Al颗粒在机械搅拌的作用下变得圆整;铅颗粒粒度趋于减小,分布分布趋于均

匀、一致,与温度之间同样呈非线性变化;合金中铅含量测试表明,铅的含量处于5.80%

左右.说明可利用机械搅拌结合半固态成形技术制备铝铅系难混溶合金.

【期刊名称】《中国铸造装备与技术》

【年(卷),期】2011(000)002

【总页数】4页(P20-23)

【关键词】半固态成型;铝铅合金;机械搅拌;温度;固相率

【作 者】刘明伟;陈体军;刘二勇;张素卿

【作者单位】兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰

州,730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰

州,730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,兰州,730050;兰

州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州,730050;兰州理

工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州,730050

【正文语种】中 文

【中图分类】TB331

半固态成形技术是由美国麻省理工大学的Flemings教授在1971年发明的。其过

程为：在合金结晶的温度范围内进行搅拌，获得细小球状初生相颗粒均布于液体基

体的半固态浆料，将此浆料压力充型、凝固即可。铝铅合金属于难混溶合金，也称

偏晶合金。难混溶合金是一种应用广泛的材料，具有很多优异的物理、化学性能，

如可做高矫顽力永磁体、高性能电极、具有良好导热导电性的电接触材料。特别是

它具有优良的摩擦学特征，作为金属自润滑材料被广泛用于无油轴承、轴瓦、滑块、

衬套、活塞、阀门座和轴承保持架等，已经成为汽车工业中一种理想的轴瓦合金，

是世界各国重点发展的新型汽车的主导轴瓦材料[1]。但是，由于难混溶合金的二

元相图存在一个两种不同成分的液相平衡共存的不混溶区，当凝固经过这个区域时，

两种液相间的密度差导致该类合金在重力场铸造条件下极易形成严重的偏析乃至分

层现象，即较重的在试样底部，而较轻的在上部[2-5]。为了解决这一问题，促进

偏晶合金的应用，各国科研工作者都致力于其理论和实际应用研究，相继有各种工

艺应用于制备偏晶合金[6-9]。诸如快速凝固工艺、快速凝固/粉末冶金工艺、搅拌

铸造法、机械合金化法等相继研发，但是都有自身的缺点：如快速凝固工艺、快速

凝固/粉末冶金工艺，存在设备成本高，投资大，工艺复杂，而且，铅的含量受到

限制（＜10%），而铝铅合金的含铅量在铅含量＞10%时，铅对磨损特性才有较

明显的作用；搅拌铸造法工艺简单，但存在第二相粒子的尺寸较大，分布不是很均

匀，仍有一定的重力偏析等缺点；机械合金化过程本身的复杂性，对MA制备Al

－Pb系材料的一些理论问题，如球磨过程中是否存在相变及能量转化等问题仍有

待于深入研究[10]。以上方法除上述缺点外，另一致命弱点是生产工艺复杂，材料

成本高[11]，因此有必要开发一种新型的制备方法。机械搅拌半固态成形技术不仅

利用搅拌作用使铅液滴细小、均布，而且利用半固态浆料大粘度的特点阻止充型后

凝固过程中的密度偏析，具备获得组织细小、铅颗粒均匀分布的条件[12－13]，

而且具有低成本和可大批量生产的优势，是一种新型的集制备与成形一体的高性能、

低成本的均质难混溶合金的制备技术。

实验设备主要有自行制作的双筒式机械搅拌装置，如图1所示。搅拌过程中的剪

切力可通过调整双筒间隙和搅拌速度来实现，温度采用KSW型坩埚电阻炉来控制。

所用的铝铅合金（除铅的所有合金元素）成分如下（体积分数）：0.8%Cu，3%Si，

3.5%Zn，余量为 Al。

熔炼工艺：在坩埚中加入基体合金，使其熔化，在适当的温度下，用六氯乙烷精炼，

扒渣，加入质量分数分别为20%的铅，保温10min，倒入双筒机械搅拌装置中，

待温度为650℃开始搅拌，合金液随炉冷却，在不同的温度用玻璃管取样、水淬。

直至合金液凝固结束。

截取各水淬试样，制备金相试样。利用光学显微镜观测铝铅合金的铅颗粒分布及显

微组织的变化，用Image pro plus定量测定了铅颗粒的尺寸和体积分数。

采用机械搅拌制备铝铅难混溶合金的重要工艺参数是搅拌温度。通过DSC已测得

合金的凝固温度范围为629.7～579.4℃，因此选择从650℃纯液相区域开始搅拌，

直到合金液凝固。图2为不同温度下铅颗粒的分布情况，从图可以看出：在温度

为635℃纯液相区域时，铅颗粒大且稍有偏聚，当温度降到620℃，进入固液两

相区域后，铅颗粒的粒度有所减小，分布更趋于均匀；温度继续降低到595℃时，

铅颗粒以微小粒子状均与分布在铝基体中；当合金液温度降到585℃，合金液的

固相率很高，初生铝相颗粒较大，反而不利于铅颗粒的均匀分布。

对不同温度的金相图用Image pro plus定量测定了铅颗粒的尺寸和体积分数，测

量结果如图3。当温度为635℃，合金液处于液相区时，铅颗粒的晶粒尺寸最大，

达到了18.6μm，且铅所占的体积分数为6.23，理论值为5.99，高于理论含量；

随着温度降低，铅颗粒的晶粒尺寸减小，体积分数接近理论值；当温度继续降低到

585℃，铅颗粒的晶粒尺寸继续减小，但分布的均匀性变差。可见随着温度的降低，

铅颗粒尺寸减小，铅颗粒所占得体积分数无明显变化。

温度对铅颗粒的的粒度和分布有很大的影响。在搅拌过程中，双筒式机械搅拌装置

要将铝铅合金液搅拌成乳浊液，这就要选择适宜的搅拌温度。满足两个要求，合金

液有适宜的粘度，以阻止铅颗粒的沉降和凝并，合金液有适宜的固相率，以利于后

期的浆料的成形。当搅拌温度为635℃时，合金液为全液态，粘度很低，铅颗粒

在搅拌过程中受到基体合金的阻力小，从而使铅颗粒有更多的机会凝并和长大；随

着温度的降低，合金液开始凝固，粘度增大，铅颗粒在搅拌过程中受到基体合金的

阻力逐渐增大，铅颗粒的粒度逐渐减小；到585℃时，合金液接近凝固状态，铅

颗粒的分布受到初生α-Al颗粒的影响，铅颗粒多分布初生α-Al颗粒晶界处和液

相区，如图4所示，因此，均匀性反而降低。所以，机械搅拌制备铝铅难混溶合

金的适宜温度在595℃。

对铅颗粒的晶粒尺寸和温度关系曲线进行回归分析，得到铅颗粒的晶粒尺寸与温度

的关系方程为：

式中，d为铅颗粒的晶粒尺寸，t为温度。该函数表示合金中铅颗粒的晶粒尺寸与

温度之间的关系。

铅颗粒的尺寸受到温度的影响呈非线性变化，从该公式可计算适宜的铅颗粒晶粒尺

寸所需的温度，同时温度也通过浆料的固相率的关系来影响铅颗粒的晶粒尺寸，因

此，适宜的温度是机械搅拌制备铝铅难混溶合金的关键工艺条件。

在重力作用下，铅颗粒会不断沉淀和聚集，将造成铸锭中铅颗粒尺寸沿纵向上的不

同，即铅的分布不均，其中最大尺寸将沉淀和聚集在铸锭底部，这是我们在常规铸

造中不能获得均质的铝铅合金的原因之一。而在机械搅拌中，浆料中的铅颗粒在内

筒的强力剪切下可弥散分布与基体合金中，由于高固相率的合金溶液具有粘度大的

特点，可以阻止铅颗粒的沉降凝并，从而获得均质铝铅难混溶合金。因此，不同的

浆料固相率对铅颗粒的尺寸和分布有很大的影响。

图6为不同的固相率下浆料的金相图。当合金液温度低于熔点时，金属便发生凝

固，生成枝晶，这部分初生固相在整个金属中所占的比例称为固相率。从图6可

看出半固态浆料固相率与温度之间存在联系。当合金液在常规铸造条件下凝固时，

合金中存在的为长长的树枝晶，如图5所示。而在机械搅拌的作用下，合金液凝

固过程所产生的细长的枝晶不断被打断，随着搅拌的进行，被打断的树枝晶逐渐转

变成球状或椭球状的固相颗粒。当搅拌温度适宜的条件下，在充分搅拌的情况下，

初生固相颗粒会均匀地分布在未凝固的液相中，形成半固态浆料。通过基体合金的

DSC曲线可知其固液二相区温度范围为629.7～579.4℃，所以半固态浆料的固相

率主要取决于温度。

当温度为635℃时，合金液为全液态，经过水淬所形成细小晶粒，铅颗粒可以均

匀分布于这些晶粒之间，且液相中铅颗粒受到液相的阻力较小，因此颗粒较大；随

着温度的降低，当温度低于629.7℃时，合金液开始凝固，出现枝晶，枝晶在搅拌

的作用下被打断，形成均匀分布于液相中的近似球状的固相颗粒，如图6中温度

为620℃、595℃所示，固相率较低，铅颗粒有较多的位置存在，且搅拌过程中初

生α-Al颗粒对铅液滴有打碎、搅拌作用，铅颗粒的尺寸减小；随着固相率的增大，

颗粒的增多，铅颗粒的粒度在搅拌的作用下继续减小，初生α-Al颗粒在搅拌作用

下碰撞，凝并，受到Ostwald熟化影响。在搅拌初期，晶粒主要受到搅拌所产生

的剪切力作用，打断和破碎作用占主导，到搅拌后期，固相率增大，初生颗粒受

Ostwald熟化影响占主导，晶粒以合并和长大为主。

对不同温度的金相图用Image pro plus定量测定初生α-Al颗粒的面积比，可确

定合金液在此温度的固相率，结果如图6所示。可发现，固相率同温度之间并非

线性变化关系。

对图7的固相率－温度关系图进行回归分析，得到固相率与温度的关系方程为：

式中，fs为固相率，t为温度，相关系数 R为0.9992，说明该函数可以表示合金

的固相率与温度之间的关系。

从图2和图6可知，在合金液的半固态泥区，可以通过强力的机械搅拌来制备铝

铅难混溶合金。作为第二相的铅颗粒的粒度和分布均匀、弥散。所以，采用机械搅

拌法在温度为595℃时可以制备出铅颗粒均匀、弥散分布的铝铅难混溶合金。这

不失为难混溶合金的制备探索了一种的新的工艺。

（1）利用机械搅拌可以使第二相Pb液滴受力处于平衡状态，可以很大程度减少

铅颗粒的重力偏析。

（2）温度对铅颗粒的粒度和分布有很大的影响。随着温度的降低，铅颗粒的粒度

逐渐减小，分布趋于均匀，弥散。

（3）温度对半固态浆料的固相率有很大的影响。随着温度的降低，合金液的固相

率增大，粘度变大，铅颗粒的粒度变小，分布变的均匀。

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