高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究

上海交通大学 硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 姓名：包新益 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及自动化 指导教师：乐书华;丁邦泰 20041201 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 包新益 日期 2005 年 12 月 24 日 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 2 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 包新益 指导教师签名 乐书华 日期: 2004年12月24日 日期 2004年12月24日 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 3 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 摘 要 合格的高铅青铜双金属轴承的组织是在硬的铜基体中均匀分布着许多软质点 的铅 这种轴承具有很高的疲劳强度 耐磨性 润滑性和导热性 并且在承受冲 击负荷时产生裂纹的倾向小 它是一种很有潜质的轴承合金 它为我们公司的无 心磨床向高精 高速 高效方向发展提供了匹配的轴承 但该双金属轴承在以往生产中主要存在铅偏析缺陷 本论文主要对高铅青铜 双金属轴承目前生产实践中存在的铅偏析现象进行探析 本文首先从理论入手 研究铅偏析存在的形成机理 以及各个工艺参数如旋转速度 空冷时间等的改变 对产生铅偏析的倾向 并通过建立数学模型 从理论上推导出最佳的工艺参数取 值范围 在此基础上 结合实际生产进行一系列的工艺试验 在理论数值的指导范围 内 通过改变各种工艺参数如:加热方式 浇注温度 浇注速度 空冷时间 冷 却速度等进行试验 摄制一系列的金相试样 对试样进行 研究,推导出铅 偏析最小的工艺参数 从而综合优化出最佳工艺参数 显然仅改变工艺参数有其局限性 为此本论文还通过加入附加元素的方法 观察这些附加元素对高铅青铜铅偏析的影响 试验表明 添加硫或稀士对防止铅 偏析具有良好的作用 而锡或镍的加入 虽然对减少铅偏析出有一定的作用 但 其效果不如硫和混合稀士 关键词 离心铸造 双金属轴承 高铅青铜 偏析,工艺参数, 附加元素 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 4 RESEARCH ON CENTRIFUGAL CASTING AND LEAD SEGREGATION OF THE BIMETALLIC BUSH OF HIGH LEAD BRONZE ABSTRACT The micro-structure of bimetallic bush of high lead bronze should be many soft lead particles distributed in the copper matrix homogeneously. This kind of bush has high fatigue strength, good wear-resistance, lubricating ability and thermal conductivity, it also has small crack tendency under the impact load, which is a worthy material of bushes. It can afford the accordant bushes of Centerless Grinders of high precision, high speed and high efficiency in our company. Nromally, there exists lead segregation in the bush. In this paper, this defect was analyzed theoretically, and the reason of lead segregation was discussed. The relationship between tendency of the lead segregation and the respective technological parameters, such as rolling rate, air- cooling time etc. were also discussed. Through establishing a mathematical model, the range of the optimal processing parameters were found out theoretically . On the foundation of theory analysis, a series of technological tests were carried out by changing heating method, pouring temperature, pouring velocity and air-cooling time etc.. Metallography samples were analyzed respectively. Optimizing parameters which can get mimmum lead segregation was obtained by analyzing the test results. There is limitation when just change technological parameters, The influence of addition of minor element on the lead segregation in high lead bronzes was also studied. The tests demonstrated that the addition of 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 5 sulphur or rare-earth is benefit to prevent the lead segregation, Nickel and tin can also prevent lead segregation, but their influence is less than sulphur or rare-earth. Key s : Centrifugal Casting ,The Bimetallic Bush, High Lead Bronze, Segregation, Technological Parameters , Additional Element 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 7 第一章 绪 论 第一节 本文产生的背景 无锡机床股份有限公司是生产轴承磨床 无心磨床 内圆磨床 超精机等 系列磨床的生产厂家 已有近百年的历史 2003年公司由传统的国营体制改制 为现在的民营企业后 企业的经营机制更加灵活 更加适应于市场经济的需要 公司相继推出了一系列技术含量高 磨削精度好的数控磨床及数控磨床生产线 公司订单纷至沓来 企业发展得更大 更强 无心磨床作为公司三大系列产品中的重要系列 技术含量高 其工作效率 是所有磨床中磨削效率最高的一种 无心磨床一天磨削工件的量 一般是其它 类型磨床的几倍甚至更多 深得用户的青睐 市场占有率特别高 因此无心磨 床产品一直是公司的主导产品之一 无心磨床作为磨削轴类零件外圆的磨床,零件表面粗糙度能达到0.1-0.32 m,圆度达到1-3m,圆柱度达到3-5m级 它磨削工件时没有夹持装置 工件通 过导轮的带动 砂轮的磨削来满足零件尺寸精度和表面光洁度 如下图1-1所示 图 1-1 无心磨床工件磨削示意图 Fig. 1-1 Sketch map of a workpiece grinding in Centerless Grinder 由于无心磨床的工作特点,它对于砂轮 导轮的旋转精度要求特别高 这一 点很大程度上取决于砂轮主轴 导轮主轴的旋转精度 而支持这两种主轴旋转 的支承更是关键 我们公司无心磨床的支承采用动压轴承和静压轴承 静压轴 承适用于小规格主轴旋转支承 这在无心磨床中应用较少 动压轴承适用于大 型主轴的旋转支承 5 而这种动压支承是通过离心铸造获得的 离心铸造后的双金属轴套 加工后切成三片或者五片 环绕在主轴的四周 如下图1-2所示 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 8 图1-2 动压轴承工作剖面示意图 Fig. 1-2 Sketch map of the work section of dynamic bearing 无心磨床所以使用动压轴承 是因为这种动压轴承 俗称轴瓦 具有中 高速性能好 刚度高 在砂轮 导轮主轴旋转过程中主轴与动压轴承之间形成 油楔 主轴与轴承之间尽可能不接触 轴瓦与主轴磨擦损耗小 主轴旋转精度 保持性好 而且制造成本相对较低 公司铸造厂是以生产黑色铸件为主 月交库砘位600砘左右 钢套镶铜班作 为其中的一个单元 目前主要生产以下三种的动压轴承 其主要化学如下 表1-1所示 表1-1 轴承材料的化学成份 Table 1-1 Chenmical composition of the bearing material 主 要 化 学 成 份序 号 合金牌号 合金名称 Sn Zn Pb Cu 1 ZcuSn5Pb5Zn55-5-5锡青铜 4.0-6.04.0-6.04.0 - 6.0其余 2 ZCuPb15Sn815-8铅青铜 7.0-9.0 13.0-17.0其余 3 ZCuPb3030铅青铜 26.0-28.0其余 ZcuSn5Pb5Zn5锡青铜 ZCuPb15Sn8铅青铜双金属轴瓦离心铸造已有几十年 的历史 工艺相对比较成熟 铸件成品率较高 它与高铅青铜的离心铸造有着 相通之处,假如高铅青铜能够比较顺利地完成研究课,解决目前存在的问题 那么上述两种材料的离心铸造的相应问题迎刃而解 因此本论文对上述两种材 料不作研究 而ZCuPb30这种材料与上述两种材料相比更加具备高速 高负荷 高精度 成本低 它具备无心磨床主轴轴承内衬所需要的性能 但由于Pb的比 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 9 重 (11.34kg/m3)与铜的比重(8.93kg/m3)相差较大,加上这种组织的凝固特性等 离 心铸造过程中轴瓦很容易产生比重偏析 铜与铅产生分层 轴瓦存在不同程度 的铅偏析 影响轴承的使用性能 从而使高铅青铜材料的离心铸造不能符合产 品高精度性能的要求 由于磨床市场对高速 高效 精度高的无心磨床的需求 研究成熟的离心 铸造高铅青铜轴承技术就显得更加重要 为此我们开展高铅青铜双金属轴承的 离心铸造的研究 解决目前普遍存在的铅偏析缺陷 使这种材料的轴承很好地 适应高速度 高精度无心磨床的需要 发挥出它更大的作用 从而使本论文具 有一定的现实意义和研究价值 第二节 钢套镶铜离心铸造双金属轴承的生产过程 2 1 钢套镶铜离心铸造的生产过程 钢套镶铜离心铸造的过程 是将装有铜合金液的钢套扣紧在离心铸造机的 旋转主轴上旋转 钢套表面喷射冷水或者压缩空气进行冷却 一直到钢套内的 铜合金全部凝固为止 钢套内的铜合金在离心力的作用下 通过扩散作用 铜 合金和钢套很牢固地熔接在一起 形成一种双金属轴承 3 无心磨床双金属动压轴承产品零件图如下图(图1-3)所示 图 1-3 动压轴承零件图 Fig. 1-3 The part of dynamatic bearing 双金属动压轴承的钢套镶铜铸件结构十分简单 如图1-4所示 其外壳采 用15#低碳钢 含碳量为0.15%一般来说外壳不用高碳钢 文献上也有用中碳 钢的 这里不作研究讨论 这是因为含碳量大于0.25%时,钢与铜的粘合情况较 差,零件使用时,容易产生脱层的现象 同时 含碳量大于0.25%时,这种钢在喷 水冷却过程中 即淬火过程中 出现很硬的马氏体组织,硬度较高 洛氏硬度在 42HRC以上 以致于不能机械加工 8 我们公司的动压轴承钢套镶铜铸件有很 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 10 多规格 较大钢套镶铜铸件如M1380X30 3028A 轴瓦 255X160X286 (单位mm) 较小钢套镶铜铸件如M1040A 4011 轴瓦 60X43.7X88 (单位mm) 图 1-4 双金属轴承铸件示意图 Fig. 1-4 Sketch map of The Bimetallic Axle Bush bearing casting 其钢外壳为15#钢 内衬为锡青铜或铅青铜合金 产品零件经冷加工切割成 三块或五块 轴承产品零件如图1-3所示 铸件图如图1-4所示 高铅青铜的双金属轴承的生产工艺流程如下图1-51-6所示 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 11 图1-5 双金属轴承工艺流程图 Fig. 1-5 Technological flow chart of the Bimetallic Axle Bush bearing 图1-6 双金属轴承生产过程示意图 Fig. 1-6 Sketch map of The Bimetallic Axle Bush bearing’s process Fig. 1-7 Sketch map of stell bush cool with spray water 水平放置 高速旋转 浇口用石棉塞住 底板与钢壳焊接 钢套在高速旋转过程 中 上半部分用加压自 来水进行冷却 对准钢 套上表面可以有五个方 向的喷嘴进行喷射冷 却 但实际往往只需要 二三个喷嘴工作就够 了 钢套浇入合金液并 夹紧后先空冷 10 多秒左 右 然后打开几个不同 方向的喷嘴喷水冷却 在没有冷透的情况下取 下 获得合格钢套 如 盖板与钢套焊接 铜 合 金 液由此浇入 图 1-7 钢套喷水冷却示意图 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 12 2 2 钢套镶铜的铸造工艺及其参数 目前我们公司生产钢套镶铜轴承的离心铸造的参数大致如下 一. 钢套毛坯的清洗 1.碱洗: 碱液浓度 20% 煮沸时间 20-30分 2.酸洗: 酸液浓度 40% 浸洗时间 30-60分 3.浸入硼砂溶液: 溶液浓度 10% 煮沸时间 1- 2分 4.烘干: 温度 160-200 时间: 60分 5.涂刷硼砂溶液: 熔液浓度 35%,溶液温度80 二. 装料: 1.坩埚型号: 系列石墨坩埚 2.装料重量: 装炉重量按下式计算 9 式中 Q = 钢套内需要加入的铜料的重量(kg); D1 = 钢套的内径(m) D2 = 轴套毛坯(包括加工余量)的内径(m); L = 钢套的长度(m) = 铜合金的密度(一般取8.7 kg/m3) 3.添加元素: 硫化铅,加入量1.5-2% 4.复盖剂: 脱水硼砂 加入量1% 三. 低温预热参数 1.钢套,铜料: 分别预热 2.预热温度 300 3.预热时间 30-60分 4.保温时间 5分左右 5.设备 电炉 6.每批入炉数量: 5只左右 四. 高温加热参数: 1.钢套,铜料 两种情况 分开加热 一起加热 2.温度 1100左右 3.加热时间 20分钟左右 4.保温时间 10分钟左右 5.设备: KQ-10 6.每批入炉数量 5只左右 五:浇注参数: 1.每件毛坯浇注重量 3-5 kg/只 左右 2.转速 620-910转/分 XLX DD Q .........................................................................14.3 4 2 2 2 1 g - = 3.14 L 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 13 3.空转时间 10秒左右 4.设备 离心浇注机 六:冷却参数: 1.风压: 一般不作考核 2.水压 5105 Pa 左右 3.喷咀数量 3-5只各不相同 4.喷水时间 20-40s左右 5.冷却终止温度 400左右 具体每种型号轴瓦离心铸造工艺参数都是变化的 对于不同零件都要作相 应调整 第三节 本文的意义 双金属动压轴承的离心铸造是在很短的时间内完成的 技术含量相对比较 高,它对设备稳定性以及操作过程中的各种工艺参数的控制要求十分苛刻,而且 不同的季节工艺要作相应的调整,同一季节根据不同天气情况也要作相应改变, 从而使工艺变得灵活,轴承的铜层厚薄,重量大小不同,应该采取各种不同的工艺 参数,正因为这个原因许多设法做这种产品的厂家,不是铜层脱壳 就是裂纹或 者因为偏心导致尺寸不正确 对于高铅青铜材料的双金属轴承往往出现大面积 的偏析而不得不报废 离心铸造双金属轴承尤其是高铅青铜双金属轴承的离心铸造在国内属于较 为先进的水平 而对于高铅青铜这种材料以及它在离心铸造过程中的偏析 国 际上也没有一个成熟的理论 有待于进一步的研究和控制 我们公司从六十年 代就开始了生产 积累了一定的经验 但总是有许多的不足 而且没有一个完 整的理论支撑 随着无心磨床主轴高转速 高精度 高效率的要求 高铅青铜 作为轴承的内衬就显得更得必要 防止这种材料的铅偏析就显得更加迫切 高铅青铜 ZCuPb30)是在硬Cu的基体上均匀地分布着软Pb的质点 Pb作为 软质点使得动压轴承具有摩擦系数小 不研轴 对杂质具有适形性和嵌塑性 而铜的作为硬质点 又使这种轴承具有足够的强度和高温强度 所以这种高铅 材料的研究对于提高无心磨床主轴的稳定性 提高主轴的旋转速度有着较为重 要的意义 基于铅的价格相对于稀贵的锡来说 便宜得多 而且30%的铅相当于节约了 30%的电解铜 由于电解铜的价格相当高 采购占有资金较多 因此对于讲究利 润的企业来说 有其巨大的生命力 因此高铅青铜双金属轴承的离心铸造以及 铅偏析的防治有着一定的理论意义和现实意义 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 14 第四节 本文的研究内容及主要工作 自2003年10月开题以来,在交大导师乐书华教授 杨江波博士生,和企业导 师丁邦泰高级工程师的指导下,制定了较为详细的研究计划,有步骤有重点地开 展理论研究 工艺试验和工艺实破,本文主要做以下几个方面的工作和研究 一 调研考察和搜集 搜集并整理离心铸造的具体实例 以及离心铸 造内衬材料高铅青铜 CuPb30材料特点 适用范围及其潜能 掌握 最新离心铸造动态 学习相应的技术和论文 整理离心铸造的基本公 式从而为今后建立数学模型创造条件 总结出离心铸造的理论 二 进行旋转速度 加热温度 浇注温度 冷却速度 空冷时间等主要工 艺参数的理论研究及其相应试验 固定其它工艺参数 改变某一工艺 参数的取值范围 在每一种条件下 离心铸造各种条件的轴瓦 然后 进行金相分析 寻找最佳工艺参数 为获得高质量无大块铅偏析的轴 瓦 三 对高铅青铜这种材料进行材料分析和研究 在此基础上添加附加元素 观察其组织的转变 以及附加元素对高铅青铜材料出现铅偏析的正负 影响 从而寻找出最佳的添加元素 添加量 从而使材料的性能向着 有利于离心铸造向阻止铅偏析的形成的方向转变 四 对各种最新试验及理论数据进行总结 推导 优化 在新的参数指导 下进行高铅材料双金属轴瓦的生产和试验 并对上述成果进行验证 形成一套高铅青铜的离心铸论及其防止铅偏析理论 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 27 第三章 离心铸造高铅青铜轴承工艺参数 的数学模型及其工艺试验 第一节 试验条件和方法 通过上述理论探讨 总结了一些高铅青铜材料的特点 它是一种很有价值 的材料 这种材料又特别容易产生铅偏析缺陷 但通过得当的措施控制铅偏析 理论是可以实现的 即实现快速冷却 迅速通过 954-327两相区 降低浇注 温度等等 可是离心铸造又有许多本身的问题 如冷却速度过快 内在成分不 均匀 钢壳与铜合金咬合不好等 旋转速度过大 偏析严重 旋转速度过小 内在组织松散等 为此必须进行一系列的工艺试验 寻找最佳工艺参数 无心磨床上的主轴动压轴承 瓦 其外壳均为 15#钢套 而内衬有一种是 高铅青铜材料 为了保证机床的设计精度和使用性能 要求轴承合金的成份应 均匀一致 晶料细小 铅分布均匀 无大块铅偏析 裂纹 脱壳待缺陷 本试验所用试样共有两种规格 其具体参数列于表3-1内 表3-1 双金属轴承试样规格 Table 3-1 Sample type of The Bimetallic Axle Bush 试样规格 (mm) 试 样 材 料 试样壁厚 (mm) 浇注后铸件 的铜层厚度 (mm) 轴承工作时 的铜层厚度 mm 88X61.5X102 15#钢 13.25 6 1.5 144X10X90 15#钢 20.5 7 1.5 我公司生产的高铅青铜双金属轴承的浇注方法 是要用卧式离心机浇注的 共有四种转速 n = 620,910,1100,1400转/分 通过皮带轮调节 离心机上 装有冷却装置 用水和压缩空气通过喷咀进行冷却 钢套的加热和铜铅合金的 熔化 分别在两只碳化硅棒电炉内进行的 影响铅偏析的工艺因素等因素 均对铅偏析有不同程度的影响 为了确定每个因素对铅偏析的影响 并找出较合理的工艺参数 试验时 仅 改变某一个工艺参数 而固定其他工艺参数 同时也不添加附加元素 附加元素的试验 是在选择一定的工艺参数的条件下 改变其元素的加入 量 附加元素的加入量分别为0.5%1.0%1.5%2.0%2.5%3% 所有试验都浇注二个以上的套 首先作外观质量检查 然后观察钢套与铜 层的接合部位和轴承工作面的金相显微组织 以及通过化学分析来评价铅偏析 的程度 分析化学成份的样品的制取方法 将浇注后的轴承铸件毛坯 从铜层厚度 1.5mm处 即工作时铜层厚度 开始 以每层平均 0.25mm的厚度由内向外 钢 壁 逐层车取铜屑 注意每车下一层样品后 仔细清扫干净 切匆相互混淆 以免化验不准确 当需要观察铅在各层内的分布情况时 则将六层样品分层化 验各层的含铅量 即剥层分析法 如果只需要轴承内总的含铅量与含铁量时 则将六层铜屑样品等量混合进行化验 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 28 第二节 加热方式的影响 加热方式有两种 一种叫封闭式加热 即将铅青铜中间合金锭块直接装入已清洗干净的钢套 毛坯内 焊上两端的盖底板 将合金锭块封闭在钢套内一起放在炉内加热 待 合金定块熔化后 立即装夹在离心机上旋转和喷水冷却 另一种叫分开式加热 即将中间合金锭块与钢套分开进行加热--中间合金 锭块装在小石墨坩埚内 放在一只碳化硅棒电炉内进行加热熔化 而清洗干净 的钢套毛坯焊上两端盖底板后 在盖板上应钻一个 10-12毫米小孔 放在另一 只碳化硅棒电阻炉内加热 然后将熔化好的合金液取出 进行充分搅拌 浇入 同时加热好的钢套内 从钢套盖板上的 10-12毫米小孔浇入 立即装夹在离心 机上旋转和喷水冷却 如第一章中图1-61-7所示 用以上两种加热方式 分别进行多次试验 其试验工艺参数及化学成份如 表3-2其显微组织见图3-13-2所示 表3-2 加热方式试验工艺参数 Table 3-2 Technological parameter of heat fashion test 试样 编号 加 热 方 式 加 热 时 间 min 浇 注 温 度 离 心 机 转 速 转/分 空 冷 时 间 秒 水冷时间 秒 喷水压 力 kg/cm2 喷嘴数 量 (只) 轴 承 合 金 工 作 层内Fe% 18# 分开式 0 12 19# 封闭式 20 1150910 10 38 5 5 4 0 66 注 试样毛坯尺寸 88X61.5X102 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 29 断 面 工 作 面 图3-1 分开式加热的显微组织 100X (试样编号 18#) Fig 3-1 SEM Photograph of cleft heat fashion 从图 3-1分开式加热的断面 工作面显微组织中可以看到 白色的铅与黑色的铜分布 相对比较均匀 存在局部少量的偏析现象 两者分开加热后铜合金倒入钢套时具有搅拌作用 成份比较均匀 对于防止偏析有较好的作用 而且可以防止钢套的铁元素的进入铜层 断 面 工 作 面 图3-2 封闭式加热的显微组织 100X (试样编号 19#) Fig 3-2 SEM Photograph of occlude heat fashion 从图 3-2封闭式加热的显微组织中可以看到存在大量的铅偏析 尤其是工作面上白色的 大块铅存在于铜组织中 这是由于铅有足够的时间进行沉淀分层 显然这种组织不能允许存 在在轴瓦中 而且从剥层分析中可以看到铜合金层中含0 66%的铁 铁元素进入到铜层中 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 30 试验结果以及我们多年的生产实践表明 采用分开加热方式较封闭加热方 式优越 它不仅可以减少铅的偏析而且可减少铜层的含铁量 提高了合金的使 用性能 由于采用封闭式加热 中间合金锭块直接在钢套内熔化 铅因熔点低 比 重大首先熔化 并逐渐下沉在合金液的底部 而铜则浮在合金液的上部 虽然 温度超过液相线 铅可以溶解在铜内形成单一均匀液相 但由于高温加热的时 间较短 为了使合金不致氧化也不允许时间太长 两层液体来不及扩散成为单 一均匀的液体 加上又无法进行搅拌 因此 浇注后容易产生铅的比重偏析 此外 因中间合金在钢套内同时进行高温加热 铜合金与钢套相互接触的 时间较长 致使钢套扩散到合金液内的铁量普遍较高 一般均大于 0.5,严重 时达 1 以上,同时,合金内容易出现夹渣现象,这将大大的恶化了合金的使用 性能. 因此 我们在浇注高铅青铜双金属轴承时均采用分开加热的方式 效果较好 第三节 浇注温度的影响 图3-3 Cu-Pb相图 Fig. 3-3 Phase picture of Cu-Pb 表3-3 浇注温度工艺试验工艺参数 Table 3-3 Technical parameter of casting temperature fashion test 钢 套 加 热 离 心 机 转 速 (转/分) 空 冷 时 间 (s) 水 冷 时 间 (s) 喷 水 压 力 (kg/cm2) 喷 嘴 数 量 (只) 温 度 () 时 间 (min) 1060 20 910 15 45 5 4 注 试样毛坯尺寸 88X61.5X102 从试验的结果 我们可以看到 浇注温度为 1000-1100时 铅偏析严重 同时还容易产生一些夹渣(如图 3-43-5)而在 1150-1200温度下浇注的轴 承合金其偏析大减轻 显微组织较为满意 如图 3-63-7但进一步提高浇 注温度至1250时 如图3-8则未见铅偏析有进一步的改善 浇注温度系指合金浇入钢套时的 瞬时温度 采用铂---铂铑插入式热 电偶测定 在Cu-Pb相图 右图3-3 中 CuPb30的液相线温度为 975,因 此浇注温度至少大于这个温度,为此我们选 择 1000110011501200 1250五五种浇注温度进行试验, 其 他工艺参数详见表3-3 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 31 工 作 面 工 作 面 图 3-4 浇注温度为1000的显微组织 图3-5 浇注温度为1100的显微组织 100X 试样编号 52# ( 100X )试样编号 2# Fig.3-4 SEM Photograph of 1000 Fig.3-5 SEM Photograph of 1100 从图 3-4可以看到 1000的加热温度的试样存在大面积的铅偏析 显微这种组织的轴 瓦是不能用于生产的 而图3-51100的加热温度的试样偏析有所改善 但还存在铅偏析 白色的铅结块 也是不合格的组织 加热温度过低 加上空冷过程 冷却过程缓慢 合金温 度接近970 -Cu初晶析出并长大 剩余液相富铅 造成铅偏析 工 作 面 断 面 图3-6 试样编号 3# 浇注温度为 图3-7 试样编号 55# 浇注温度为 1150的显微组织 100X 1200的显微组织 100X Fig.3-6 SEM Photograph of of 1150 Fig.3-7 SEM Photograph of 1200 浇注温度升高到 1150时 图 3-6的显微组织偏析现象较1100小了许多 而图 3-7 浇注温度提高到 1200时的偏析现象又好了一些 选择 1150-1200的加热温度有利于防 止偏析的存在 一定浇注温度有利于铜与铅的充分扩散 组织在 -Cu初晶析出长大前凝固 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 32 工 作 面 图 3-8 试样编号 5# 浇注温度为 1250的显微组织 100X Fig.3-8 SEM Photograph of 1250 造成上述金相组织 一方面是由于合金在坩埚中熔化时 铅比铜先熔化 且前者比重又较大 必然是分成两层溶液 要达到平衡状态下均匀的液相 除 了温度要超过液相线温度外 还需要一个扩散过程 但当温度较低时 扩散较 慢 即使搅拌也难以达到均匀的单一液相 反之 提高温度原子活动能力大加 大 则有利于铜原子与铅原子之间相互扩散 另一方面可能是由于含铅量为 30%铜铅合金其液相线温度在 970左右 当 浇注温度偏低为 1000时 浇入钢套的合金温度已经接近于或略高于液相线温 度在钢套装夹至离心机上以及空冷的一段过程中 合金温度必然进一步下降 可能低于液相线并有铜的初晶析出 此时尚未喷水 冷却速度较缓慢 初晶可 能得到进一步长大 同时使剩余液相更加富铅 两者都会促使铅偏析的产生 但浇注温度再进一步提高到1250时 虽然浇注时合金可能是单一的均匀液相 然而冷却速度较慢 使结晶粗大 这对合金的组织也是不利的 从金相图 3-8 中也可以看到白色的铅结晶比浇注温度1000时要大一些 需要进一步指出的是 由于铜铅合金易产生的反偏析 即常常在轴承的内 表面 即自由表面 上有不同程度的铅块析出 严重者可连成一片 厚度一般 在 0.5毫米以上 这种偏析虽然不在工作面上 对质量无直接影响 但如果反 偏析严重有可能降低轴承工作层的铅含量 这对质量也是不利的 而且试验证 明 这种反偏析与浇注温度颇有关系 温度在 1250时最严重 而较低温度则 反偏析较轻或者肉眼无法分辨 因此 从这种意义上讲 过高的浇注温度是不 利的 这在以后附加元素的试验中得到了进一步证明 加热温度为 1250 时 从图 3-8 可 知 偏析情况与 1200 的加热温度相比 铅偏析有所增加 组织中白色块状的铅相 对增加一些 但并不明显 而与加热温度 1150 相比铅偏析对于加热温度有一个阀 值 过高的加热温度也会造成铅偏析的增 加 加热温度过高 铜原子 铅原子活动 能力加强 又造成不均匀 而且温度过高 冷却缓慢又使结晶粗大 组织不致密 过高的浇注温度 铜铅合金容易产生 反偏析 而且以浇注温度 1250 时最严 重 较低的浇注温度反偏析较轻 严重的 反偏析出现会降低轴承工作层的铅含量 影响动压轴承的质量 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 33 第四节 线速度的影响 从本文前几章的理论研究中得出以下结论 双金属高铅青铜动压轴承离心 铸造的转速必须选择适当 只有当离心力足够大时 也就是说必须有足够的转 速才能获得预定的形状 获得组织致密 表层无夹杂和气孔缺陷的轴承 特别 对于高铅青铜要杜绝大块铅偏析缺陷 但如果转速过高 离心力过大 也会加 剧偏析和造成外表面裂纹等 理论上推导实际转速为最小理论转速的五倍以上 即 600-700转/分左右 为了获得无大块铅偏析缺陷的轴瓦 进行离心铸造旋转 速度的工艺试验 一 根据生产中5520公式 9 式中 n 铸型转速 转/分 r 合金比重 kg/m3 R 铸件内径(m) 此公式是以有效比重为基础 根据实验当有效比重(q)等于 340时可得完 好铸件 即 q = 340 由于试验中采用的试样毛坯尺寸 88X61.5X102 因此R=88+61.5/2=74.75mm=0.07475m, 比重以Pb 11.34kg/m3, Cu 8.93 kg/m3分别计算n1,n2 n=(n1+n2)/2=(599+675)/2=637转/分 根据实践经验,一般的离心铸造转速要比用 5520值公式计算出来的数值大 些,也就是需将公式乘一系数,则称为调整系数,以 表示,查资料可得铜合金卧 式离心铸造套类件 取1.2-1.4 )9...(......................................................................5520 R n g = R n g Rn g R q ggpwg 22 2 ) 100 (112.0) 30 ( === 675 475.793.8 55205520 2 === XR n g )10(......................................................................5520 b gR n = R n g 5520= 599 475.734.11 55205520 1 === XR n g 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心铸造及其铅偏析的研究 34 因此乘上 以后n取764转/分 --- 891转/分左右 假如以Cu与Pb在Cu中30%的比例粗略计算 n=764X0.3+891X0.7=852.9 转/分 根据转速与线速度的关系 以及根据上述推导及计算可作出如下表4-4,获得线速度取值范围表 表3-4 线速度取值表 Table3-4 fetch value of line velocity 直径D(m) 转速n r/min 线速度V(m/s) 420 162 610 238 740 288 0.07475m 930 366 为此分别用1.62米/秒 2.38米/秒 3.66米/秒四种线速度进行试验 其 它工艺参数见表3-5显微组织如图3-93-103-113-12所示 表3-5 线速度工艺试验工艺参数表 Table3-5 Technological parameter of line velocity fashion test 钢 套 加 热浇 注 温 度 ( ) 温 度 ( ) 时 间 (min) 空冷时间 (s) 水冷时间 (s) 喷水压力 Kg/cm2 喷嘴数量 只 12001060 20 10 35 5.5 5 注 试样毛坯尺寸 88X61.5X102 断 面 断 面 图3-9 试样编号 7# 图3-10 试样编号 8# 线速度 V = 2.38 m/s 线速度 V = 2.88 m/s Fig.3-9 SEM Photograph as V = 2.38 m/s Fig.3-10 SEM Photograph as V = 2.88m/s ¾®¾= D V n p 60 )11...(.................................................. 60 Dn V p= 上海交通大学工程硕士学位论文 高铅青铜双金属轴承离心