当前位置>>>HYPERLINK"../../../china-met03.htm"金相分析及图谱>>HYPERLINK"../china-met03-71.htm"有色金属及高温合金组织分析 锡基巴氏合金的金相组织和铸造缺陷孙旭茂 (南通轴瓦厂) 众所周知，巴氏合金通常用铸造的方法将其浇铸在低碳钢钢背上，制成钢背-巴氏合金双金属轴瓦。 巴氏合金由于其浇铸温度较低，加工工艺比较简单，合金的表面性能优良，故在很长的一段时期内成为发动机的主要轴瓦材料之一。但是，随着发动机向高速、重载的方向发展，巴氏合金作为轴瓦材料使用时，明显暴露出承载能力较低、疲劳强度不足，并随着工作温度的升高，机械性能急剧下降的弱点，故其应用范围逐渐缩小并受到一定的限制。然而，巴氏合金与其它轴瓦合金相比较，有良好的顺应性和抗咬合性，这种优点特别对运转初期的磨合十分有利，巴氏合金的嵌藏性好，故在轴颈表面不易出现划痕，它与润滑油的亲和力强，亲油性好，所以能很快达到液体润滑，锡和铅在常温下可形成再结晶而软化，因此在摩擦面上由手重复载荷作用而发生的硬化，可很快软化复原。因而，直至今日，巴氏合金轴瓦在汽油机、低速船片j柴油机以及内燃机车上仍有一定的应用。另外，在蒸汽透平机、透平泵、压缩机、发电机、电动机、球磨机、 齿轮箱上， _巴氏合金轴瓦的应用仍十分广泛。本文扼要介绍我国应用较广泛的锡基巴氏合金的金相组织租铸造缺陷，仅供参考。1 锡基巴氏合金的结晶过程和各元素的影响 锡基巴氏合金以锡锑合金的应用最为广泛。由图1的Sn-Sb二元合金平衡图可知，含Sb小于9％的合金刚凝固后的组织为锑溶于锡中的单相方固溶体；随着温度的降低，含Sb>3.5％的合金会从α固溶体中析出第二种相一化合物β’(SnSb)。 但在实际生产中，由于合金冷却速度较快，α固溶体一般不会析出SnSb。一当Sb超过9％而小于21.5％时，合金首先结晶析出SnSb相(呈立方体形，在金相显微镜下通常呈方形)这类合金在常温下的金相组织为α固溶体+SnSb化合物初晶体，由于初晶体比较轻，因而易于上浮产生比重偏析。在合金中加入适量的铜(一般为6％以下)，可以减轻和防止这种偏析。由图2的Cu-Sn二元合金平衡图可知，铜的加入量超过0.8％而小于8％时，则合金首先结晶析出金属化合物ε(Cu6Cn5)。，由于Cu6Sb5比重较大且形成针状及星状骨架，从而机械地阻碍后析出的SnSb的上浮。 图1Sn-Sb合金平衡图 图2、Cu—Sn二元合金平衡图 图3、Sn—Sb—Cu三元合金高锡部分在常温时的成分与组织分布区域示意图图3为Sn-Sb-Cu三元合金高锡部分在常温时的合金成分和组织分布区域的示意图。Sn-Sb-Cu三元合金高锡部分在常温时的组织分为五个区域；区域I为锡基α固溶体单相区，成分大致为Sb<8％～9％、Cu
8％～9％、CuO.8％～1.0％；区域Ⅳ和V为三相区，它们都是由α+Cu6Sn5+SnSb三相组成，所不同的是区域Ⅳ中Cu6Sn5为初晶体，SnSb为二次晶体，而区域Y中，SnSb为初晶体，Cu6Sn5为二次晶体，最后凝固的是锡基α固溶体。 常用锡基巴氏合金ChSnSb7.5-3，ChSnSb4-4的成分位于图3的区域Ⅲ中，故它们的组织通常为α+Cu6Sn5；ChSnSbll-6的成分位于区域Ⅳ中，故其组织为α+Cu6Sn5(初晶体)+SnSb(二次晶体)。 在锡基巴氏合金ChSnSbll-6中，含有83％Sn，1％Sb和6％CuSb一部分溶于锡中起强化基体的作甩，另一部分与Sn形成化合物SnSb；Cu与Sn形成针状或星状化合物Cu6Sn5首先从液相中析出，呈骨架阻止后结晶的SnSb的上浮，有效地防止SnSb的比重偏析。ChSnSbll-6合金正常金相组织见图4，黑色基体为，固溶体(软基体)，其上白色方形者为化合物SnSb(硬质点)，白色针状和星状者为化合物Cu6Sn5(亦为硬质点)。ChSnSb7.5-3和ChSnSb4-4两种合金的金相组织相似，都为α固溶体(软基体)和Cu6Sn5(硬质点)所组成，其正常金相组织为图5所示。这两种合金与ChSαSbll-6相比，Sb和Cn的含置较低，在金相组织上一般无方形SnSb，故化合物数量较少，硬度和强度较低，塑性和韧性好。 图4ChSnSb11-6合金正常金相组织 图5 ChSnSb7.5-3合金正常金相组织 (4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×) (4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×) 锡基巴氏合金的结晶过程可分为如下四个阶段： 第一阶段，合金从浇铸温度冷却到液相线，这时合金为单一的液相。 第二阶段，从合金溶液中析出化合物Cu6Sn5和SnSb(ChSnSb4-4及ClhSnSh7.5-3等合金通常仅析出Cu6Sn5，ChSnSb1l-6合金既析出初晶体Cu6Sn5，又析出二次晶体SnSb)。常用锡基巴氏合金的Cu6Sn5开始析出温度约为350℃～380℃，SnSb开始析出温度约为250—270℃，最后凝固的是锡基α固溶体(开始凝固温度约为24l℃)。若在化合物析出的温度范围内缓冷，易于出现Cu6Sn5的下沉和SnSb的上浮，导致比重偏析，在卧式离心挠铸时，这种偏析倾向会更加严重。为了减轻和防止这种偏析，在Cu6Sn5和SnSb的结晶温度范围内(约241-380℃)应速冷。 第三阶段，锡基固溶体的凝固(凝固温度范围约为223～24l℃)。固溶体的凝固会引起合金体积的收缩，如无合金液补缩，就会产生缩孔。 第四级段，已完全凝固的合金从较高温度冷却到室温。在这一阶段，合金体积发生收缩。在该阶段合金应缓慢冷却，否则轴瓦铸件内部会产生较大内应力，易导致变形和形成裂纹等缺陷，有时还会出现合金层脱壳。 在锡基巴氏合金中，Cu6Sn5和SnSb的数量占合金整个体积的15％～30％为宜；过少，硬相骨架作用较差，合金较软，机械强度不足，受压时合金易于产生变形甚至被压塌；过多，合金变得硬而脆，塑性韧性不足，在交变和冲击载荷作用下，合金容易碎裂和剥落，使轴瓦使用寿命缩短，另外，硬相过多，还会给合金与钢背的粘结质量带来不良影响。 在锡基巴氏合金中，常用的添加元素有Ni、cd、As、P、稀土等，常见的杂质元素是Bi，Pb，Fe等，它们对合金的组织和性能有一定的影响。 在合金中加入Ni会减少组织组成物的偏析，减少Cu6Sn5的析出量，降低合金的硬度、强度，还会降低合金流动性。 在合金中加入Cd，可以细化晶粒，提高合金的硬度、强度和耐疲劳性能，并且改善合金的耐磨性，有使SnSb晶体由方形变成针状的倾向。 As是巴氏合金常用的添加元素之一。部分Αs可以溶于固溶体中，起到强化基体的作用。As能成为合金的结晶中心，较强烈的细化合金的晶粒，减轻以致消除合金的偏析，显著地改善合金的组织，提高合金的硬度、强度和耐磨性。加入0.1％As就有明显细化晶粒的效果。 P增加合金铸造时的流动性，少量时(O.Ol％)能增加合金的韧性，过量时(O.08％)则使合金变脆。 在合金中加入混合稀土后，可使Cu6Sn5变得短小而圆滑，从而提高合金的塑性和韧性，但有时会使CU6CN5聚集成团状(见图6、 图6 ChSnSb7.5-3合金加入稀土后的组织(4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×) Bi是合金中的有害元素，因为Bi会使合金晶界处形成Pb-Sn-Bi三元易熔共晶体，熔点仅为135℃，因而激剧地降低合金的耐热性和疲劳强度，并使合金在短时间过热的情况下发生晶界熔化，加速轴瓦的损坏。为此，在ChSnSbll-6合金中Bi量限制在0.05％以下，在ChSnSb4-4，ChSnSb7.5-3合金中Bi量限制在O.08％以下。 Pb是合金中的有害元素，当含Pb量≥0.2％时，铅与锡会形成脆性共晶体(62％Sn+38％Pb)，熔点18l℃，并沿固溶体晶界析出，降低合金的高温强度和冲击韧性；含Pb量>％1.15就可以在合金中明显看出Pb-Sn共晶体，当含Pb量近于5％时即可形成连续的网状铅。为此，合金中的含Pb量不应>0.35％。 Fe亦是合金中的有害元素，形成的硬相会使轴颈的磨损增大，且形成的硬粒极易剥落。加剧轴颈的刮伤。在锡基巴氏合金中，Fe的含量应控制在O.08％以下。2 铸造工艺对锡基巴氏合金组织和性能的影响 铸造工艺因素，如浇铸温度、冷却速度等，对合金的组织和性能有重大的影响。2.1 控制冷速可以调整晶粒的大小 锡基巴氏合金组织中的Cu6Sn5和SnSb晶体的大小，与冷却速度密切相关。一般来说，速冷可以细化晶粒；缓冷会使晶粒粗化。图4和5分别为ChSnSbll-6及ChSnsb7.5-3合金速冷后的金相组织，Cu6Sn5和SnSb晶体较细小。图7为ChSnSbll-6合金缓冷后的金相组织，化合物SnSb、Cu6Sn5都大。 图7 ChSnSb11-6合金缓冷后的金相组织(4％硝酸酒精溶液浸蚀．125×) 组织细化且均匀分布的合金，不仅机械强度较高，而且塑性韧性较好，有利于提高合金的疲劳性能和使用寿命。2.2 快速冷却可以防止偏析得到均匀的组织 速冷不仅可以细化晶粒，还可以匀化组织，防止偏析。图4及5分别为ChSnSbll-6和ChSnSb7.5-3合金速冷后的金相组织，较细小的SnSb及Cu6Sn5均匀地分布在锡基Α固溶体上。相反，缓冷会导致化合物粗化和分布的不均匀性。图8为ChSnSb4-4合金缓冷后的金相组织，Cu6Sn5严重偏析，堆积在钢背附近，不仅恶化合金的性能，而且不利于合金与钢背的粘结。图9亦为ChSnSb7.5-3合金缓冷后的金相组织，Cu6Sn5粗大，偏析分布。 图8 ChSnSb4-4合金缓冷组织 图9 ChSnSb-3合金缓冷组织 (4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×) (4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×) ChSnSbll-6合金在270℃以上温度速冷而后缓冷，Cu6Sn5初晶体细小，SnSb二次晶体粗大，为图lO所示，图中SuSb巳聚合成蝶形，相反在270℃以上温度缓冷而后速冷，Cu6Sn5初晶体粗大，SnSb一次晶体细小，如图11所示。当Α固溶体完全凝固后(约223℃以下)，冷速的快慢对该两组织组成物的形状、大小和分布情况没有影响；不过，为了减小内应力，合金在该阶段应缓冷。 图10 ChSnSbll-6合金在270以上速冷而后 图11 ChSnSb合金在270C以上缓冷而后 缓冷的金相组织(4％硝酸酒精溶液漫蚀，150×) 速冷的金相组织(4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×) 综上所述，锡基巴氏合金的冷却可以采用五种方式，如图12所示。曲线①表示从浇铸温度到常温都采用速冷法，此法可以得到细小且均匀分布的金相组织，但合金铸造应力较大。曲线②表示合金从浇铸温度到常温都采用缓冷法，合金易于得到粗大且呈偏析分布的组织。曲线③表示合金在Cu6Sn5结晶温度范围内(约在270℃以上)速冷， 而在SnSb结晶温度范围内约(241～270℃)缓冷，虽能得到细小的Cu6Sn5，但SnSb粗大，化合物的偏析现象不能完全克服。曲线④表示在Cu6Sn5结晶温度范围内缓冷，而从SnSb开始结晶温度(约270℃)速冷至室温，此法得到粗大的Cu6Sn5和细小的SnSb金相组织，且合金中的铸造应力也较大。曲线⑤是比较理想的冷却方式，合金在固相线以上温度采用速冷、而后进行缓冷，既能得到细小而均匀分布的金相组织，又能减小合金中的铸造应力。 图12 锡基巴氏合金几种冷速方式示意图2.3 控制浇铸温度和冷速可以改变化合物的形状 当高温浇铸而速冷时，有利于CU6CN5呈羽毛状发展，如图13所示。当低温浇铸缓冷时，有利于Cu6Sn5呈放射状发展，为图14所示。 图13 ChSnSb4-4合金中的羽毛状Cu6Sn5 图14 ChSnSb-3合金中的放射状Cu6Sn5 (4％硝酸酒精溶液，浸蚀150×) (4％硝酸酒精溶液浸蚀，150×)2.4 控制冷却速度可以改变Cu6Sn5的分布方向 当合金速冷时，有利于CU6CN5化合物顺序结晶凝固和垂直于钢背分布，这样的组织有利于提高台金与钢背的粘结强度。2.5 改变冷速会使析出的化合物数量有所变化 Sn-Sb-Cu三元台金结晶时，会形成Sb溶于Sn中的固溶体。增大冷速，固溶于Sn中的Sb量增多，析出的SnSb量减少，相反，缓慢冷却，SnSb可以充分析出，结晶凝固后的锡基固溶体中也会析出少量细散的SnSb，故SnSb量多一些。但一般来说，这种量的变化不大。3 锡基巴氏合金常见的铸造缺馅 锡基巴氏合金的铸造缺陷有：脱壳和粘结不良、结晶粗大、组织组成物偏析、裂纹缩孔和缩疏、气孔和夹渣等。其中最常见的有如下三种：脱壳和粘结不良、结晶粗大、化合物偏析。3.1 脱壳和粘结不良 合金脱壳和粘结不良是锡基巴氏合金常见主要铸造缺陷之一，是造成浇铸废品和轴瓦在使用中合金层发生早期疲劳剥落而损坏的一个重要原因。 产生脱壳和粘结不良的原因很多，主要有：①钢壳清洗不符要求，钢壳内表面不清洁，有氧化物、油污和脏物等，在钢壳外涂保护剂(如泥浆和水玻璃等)，不小心，钢壳内表面沾上保护剂会影响挂锡质量，挂锡前钢壳内表面涂刷熔剂(如ZnCl2)不均匀，局部地方未涂到。②挂锡工艺和锡的纯度不符要求。挂锡用的锡必须是纯锡；如锡中杂质多，或误用了焊锡及巴氏合金，都会影响挂锡质量，挂锡温度要适宜(350℃左右)，太高了锡会氧化，太低了锡不易粘住钢背，挂锡厚度要均匀，不能太厚，钢壳挂锡后应立即浇铸，否则钢壳和挂锡层的温度太低会降低粘结强度。③浇铸工艺不当，合金组织不良。浇铸温度太高，在化合物结晶温度范围内冷速缓慢，会导致出现粗大组织，偏析分布，Cu6Sn5堆聚在钢背附近，降低粘结质量，在合金完全凝固后仍速冷，合金层内和结合界面处的内应力较大，会降低粘结强度，离心机转速太快，离心力增大会加剧化合物偏析，对粘结不利；浇铸合金层太厚，相应减慢了合金的冷速，助大了化合物的长大、聚集和偏析分布，同时合金层的收缩应力增大，都不利于合金层与钢背的牢固粘结。 此外，合金层与瓦背的粘结质量，还与下列因素有关：例如:①与合金种类有关。ChSnSbll-6合金中的化合物数量较ChSnSb4-4、ChSnSb7.5-3合金多，合金层较硬而脆，粘结质量相应要降低些；②与瓦背材料有关。如瓦背材料采用纯铜、粘结强度就较高，如采用低碳钢、青铜和黄铜，粘结强度也不差；如采用中碳钢、高碳钢甚至铸铁，粘结强度就较低。③合金与钢背的结合界面及其附近有缩孔、缩松，气孔、夹杂等缺陷，对粘结质量不利。3.2 结晶租大 结晶粗大是指合金结晶析出的化合物Cu6Sn5及SnSb粗大。粗大化合物会使合金性能恶化，强度降低，脆性增大，轴瓦在使用过程中易于产生合金层剥落而过早损坏。防止结晶粗大的
措施
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，除严格控制合金熔炼和浇铸工艺外，加入适量细化晶粒的元素如As、Cd等亦是有效方法之一。3.3 化合物偏析 合金中化学成分和组织组成物不均匀的现象叫做偏析。由于偏析，势必造成合金各部分物理、化学，机械性能的不一致，降低轴瓦的内在质量和使用寿命。防止化合物偏析的方法与防止结晶粗大的方法相似，即采甩合理的熔炼工艺、控制浇铸温度、浇铸前充分搅拌合金熔液，浇铸后及时速冷，加入少量细化晶粒的元素，采用合格的原材料等措施，都有利于减轻和防止化合物的偏析。 在锡基巴氏合金中，裂纹产生的主要原因是。冷速过快，特别是合金完全凝固后冷速过快，以及冷却不均匀，离心机精度差，其转轴与钢壳不同心，合金在结晶凝固时有振动现象。缩孔产生的主要原因是：冷速太快，合金凝固时得不到补缩；离心机转速较低。气孔产生的主要原因是：合金熔化温度过高，吸气较多，浇铸时冷速又较快，进入合金中的气体来不及析出；另外，在采用夹具浇铸时，夹具未经预热，也会产生气孔。夹渣产生的主要原因是；合金浇铸温度太低，由于合金流动性较差致使熔渣来不及上浮形成夹渣，或合金在浇铸时混入杂质所致。 若本文对您有所帮助，同时为了让更多人能看到此文章，请多宣传一下本站，支持本站发展；多谢！ 广 告建议用IE1024*768分辨率浏览本网站版权所有(c)中国金相分析网 
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