锌合金

易武陵

铸造锌基耐磨合金ZZnAlCu─6#
在机械制造的维修方面的应用

易 武 陵
一九八六年十月



内 容 提 要

材料科学技术革命是技术革命的又一内容，它被视为现代文明三大革命的支柱之一。上信息和能源革命的物质基础。所谓材料科学是研究材料的形成、应用、处理，其中包括微观结构及材料加工，工艺与应用之间的关系。在今年近年的技术革命热潮中，新材料逐步受到人们的重视，因为新材料是发展先进科学技术的重要物质基础。本文着重地介绍了我们研制成功的铸造锌基耐磨合金：ZZnAlCu—6#，近年来在机械制造和设备维修方面的应用情况及有关该合金的工艺设计、熔炼、操作、粘结等情况，仅供参考。


前 言
延长与经过重新改装的机器与机械使用寿命，是提高产品质量总任务的一个重要环节，首要的问题是降低磨擦构件的磨损与提高它的耐用性。
为开发我国富产锌资源，多年来我们曾做了一定的工作。对应用较广，又节省能源，工艺简单，成本低廉的锌合金进行了研究和生产，成功地研制了锌基耐磨合金：ZZnAl1225及ZZnAlCu3—6#，两种国内新牌号。经长期与生产实践结合中ZZnAlCu3—6#，优于ZZnAl122合金在重力铸造中的应用。到目前为止，已得到国内九个省近400家用户的欢迎，现还在继续扩大推广。该合金不仅由于它机械性能（如耐磨、硬度、熔炼配制等）优于铜基合金，而且多种工艺性能（如铸造、加工、粘结等）也优于铜基合金。该合金铸造的铸件成品率高达98%以上，生产成本大幅度下降，其工艺及所需设备非常简单。因此可以预计，这种合金必将以二十世纪末代时髦的机械工程材料服务于人类。

一、锌基耐磨合金特点及磨损的基本形式
磨擦与磨损是材料力学中不能忽视的一个重要方面。五十年代以来，国外对磨擦磨损和润滑的研究及实践是非常重视的，因为这方面已经给他们带来了巨大的经济效益。如1974年日本从减少磨擦磨损中节约开支27.3亿美元，美国达120～160亿美元，西德达100亿马克。可见研究作为轴瓦应用的耐磨材料来延长磨擦磨损的寿命具有何等重要意义。
自1980年以来，我们将锌基耐磨合金广泛的应用于CW6136、CW6140、CW6163，车床和B665牛头刨床及钻床中的轴套、轴瓦、蜗轮、齿轮花键套等零件上，替代原锡青铜ZQSn6-6-3、ZQSn10-1和ZQAl9-4等铜合金牌号使用。由于以上机床工作载荷轻，磨擦磨损时受力均匀（一般很难发生异常现象），使用效果良好，受到用户欢迎（见后面附件资料）。
有人认为磨擦过程不是一些等效接触行为堆砌，而是由一种状态向另一种状态有规则过度的总和。因此我们必须从磨擦副的载荷谈起。轻载轴瓦磨擦磨损时由于受力效轻，能形成均匀磨擦，磨损效小。而重载荷轴瓦承受的负荷繁重，所承受的压强度一般都在50公斤·力/平方厘米以上，并还常受冲击、高温、粉尘、润滑条件较差的恶劣条件下工作，轴瓦表面常出现擦伤、变形犁沟，严重时到硬相碎裂而引起烧坏。我们常碰到过这种情况。现以长沙钢厂制品分厂的一台Ø150两辊式冷轧机为例。

该厂Ø150n/n两辊式冷轧钢机，按图纸要求采用ZQSn10-1磷青铜制作轴瓦，润滑条件为边界润滑。原该机正常工作时，开机不到两小时轴与瓦配合部份明显升温，工作不到三小时发烧严重，必须停机换瓦或刮瓦，再重新工作。即使这样开开停停，一付轴瓦最长时间只能用五个班左右，严重影响正常工作和生产效率。这显然与工作条件和轴瓦的材质有关。一般来讲，轴瓦在磨擦磨损工作时，软相基件被轴的表面凸峰擦伤和刮伤，而硬相暴露起作支撑的作用，如图一所示：由于砂模散热效慢（凝固速度低于金属模铸造的30倍），铜合金凝固后形成粗晶状结构，使其生成大块硬相的聚集，再加上铸造缺陷如：气孔、夹渣缩孔、缩松等，都会直接影响瓦的磨损。在重载的情况下，大块硬相受重压磨擦后能导致影响与基体裂纹，压碎及脱落。由于磨擦面增加了磨粒（硬相脱落），就似雪崩一样不可阻挡，磨擦热急剧上升，直到将轴瓦烧伤。经市冶金局建议，采用我所锌基耐磨合金试试看，我们与该厂配合下，用锌基耐磨合金加工的轴瓦装机试车，连续运转五个班，无异常现象发生，工作平稳正常，后来该机轴瓦全部改用锌基耐磨合金（见后附表该厂写的使用情况报告）。
人们在分析磨擦偶件的工作时，注意力只集中在机械接触的作用力和材料对它的抗力上。而磨损力又取决于磨擦副材料成分，可是却忽视了亚组织的作用，更很少考虑到组织在磨擦过程的变化。直到进几年来才注意到用金相方法分析锌基合金在磨擦过程中发生的组织变化。因此ZZnALCu3-6#合金中加入微量的高熔点金属，使其在合金开始结晶时起核心作用，即在最短的时间内析出初生晶格，使合金形成组织，由于晶粒的细化，能生成新的细小的硬化相，均匀分布在基体中，（磨擦面既无硬相压碎且无脱落现象，呈似均匀磨损），使合金性能得到提高，其硬度和耐磨性的提高更为明显。微量高熔点金属增添在锌合金中还可以多方面的改善其它性能，一般来讲效果明显。

二、铜、锌合金铸造缺陷的比较
1．铜合金：作为机械零件中的磨擦副材料，ZQSn10-1、ZQSn6-6-3、ZQAl9-4等铜合金。不论是轻载荷或重载荷的轴瓦等零件，几乎全由铸造成形后加工的，而铜合金铸造缺陷常见的气孔、针孔、渣孔、缩孔、缩松等之类的问题，这些缺陷能直接影响到所制零件的磨损，众所周知，凡有铸造缺陷的轴瓦，磨损现象都较严重，重载条件使用的轴瓦磨损现象更为剧烈。
2．锌基合金：该合金具有低氧化性的特点，同时融化温度低（380℃～410℃）采用金属模浇铸，冷却速度快，合金致密度高，基本上无铸造缺陷，保证了轴瓦表面的硬度和光洁度，减少了在磨擦和磨损运动中的切向应力，受均匀磨损，提高了它的耐用性，从而延长了使用寿命。多年的使用经验来看，该合金特别适合用于各类机械设备中的大小蜗轮，它与铜合金制作的蜗轮比较，一般使用受民寿命延长2至3倍以上。

三、锌基耐磨合金的鉴定会情况
我们用了十多年时间对锌基耐磨合金研制做了大量的工作，其中包括（研究锌中加入其它元素的作用）：研究各种元素在合金中形成的金相及组织结构特征，研究各种成分合金及不同相对机械性能的影响。选出符合要求的合金成分，制成机械零件装机试用，并测试其使用情况和各种测试工作，包括对锌基耐磨合金材料试样进行抗拉、抗压、硬度、磨擦系数、磨损量、金相结构组织、电镜、X射线分析、热分析等，经过各种机械方面上的装机实验和机械物理性能检查等，效果优良。并于一九八三年十月十五日至十七日，由湖南省机械工业厅组织鉴定后，将该合金列入省推广的新材料。
鉴定意见如下：
到会的二十一个大专院校，科研机构，设计院、所，以及重点企业，用户单位等的专家教授，科技人员代表三十二人听取了实验研究及情况报告,进行了现场参观，测试及鉴定会议技术文件审查，并通过讨论评议，一致认为：
（1）技术文件齐全，数据可靠。
（2）该合金成分选择正确，试制的零件经过五年多使用证实，该合金具有良好的机械性能。锌基耐磨合金的抗拉强度为σb 29～34公斤/毫米²，抗压屈服强度大于42公斤/毫米²。而ZQSn6-6-3国家标准为20公斤/毫米²。较好摩擦性能（该合金与ZQSn6-6-3在相同的工作条件下实验，ZQSn6-6-3的最大磨损量为0.0122，而锌基耐磨合金的最大磨损量仅为0.0012～0.1120），和自润滑性能，被切削性能好和使用寿命长，是一种优良的耐磨材料。
（3）锌基耐磨合金熔炼温度低，铸造工艺简单，能源消耗少（降低焦碳消耗60%左右）合金元素烧损少（烧损量仅0.8%左右），成品率高达98%以上，环境污染轻和劳动强度小。
（4）该合金仅用2～4%铜、12～14%铝，其余为锌和其它微量元素等，因此铸件成本低廉，费用只相当于ZQSn6-6-3锡青铜的40%左右，具有显著的经济效益。
（5）希望对该合金作进一步研究并扩大试验品以及制订生产标准。
（6）从该合金研究成份的选择，零件的试用及取得效果来看，锌基耐磨合金的研究成果具有国内先进水平，建议有关部门将该合金作为新牌号纳入国家标准并迅速推广使用。
组织鉴定单位审查结论
同意鉴定意见，该项新耐磨合金材料值得推广。

四、铸造锌基耐磨合金的工艺性能及其对其它合金的优势
1. 流动性
锌基耐磨合金具有极好的流动性，这是其它有色合金铸造所远不能及的，诸如起重吊车传感机构一类精密零件，即便使用钢和铸铁的永久型铸造（指金属模），也能浇铸出完美的铸件来。采用锌基耐磨合金可以铸出最小壁厚为2毫米、最小孔径为2毫米的铸件。而铝合金则仅能铸出最小壁厚为4毫米、最小孔径6.35毫米的铸件。
2. 低氧化性
该合金具有低氧化率的特性，因此和其它合金相比，熔炼过程中不需要加入熔剂和脱氧剂。而且在重熔时无需加入熔剂。只有在重熔被大量污染的原料（回炉料，如含油切削时油污严重等），才酌情添加适量熔剂。这不仅避免了环境污染，同时还改善了工人的劳动条件。
3. 低熔点
该合金亦属于低熔点合金（也可称为节能合金），其熔点仅380～420℃，浇铸温度控制在470℃以下。低熔点的特性给生产过程中带来很多益处。首先表现在能源选择和低消耗方面，由于合金熔点低，使得有可能选择多种燃料作为能源，如焦碳、木炭、白煤、烟煤、重油、煤气，乃至农村烧饭用的柴火等都可作为燃料制作各种零件。因此不受能源的限制。其次，由于合金熔点低，合金成份在熔炼过程中烧损极少，坩埚及熔具等不易烧损，铸造设备和型砂消耗非常低。所有这些都能节约原材料，因而铸件成本随之降低。再由于熔点低，浇铸温度低，砂型中产生的气体少，对型砂的水份、强度、透气性要求亦无需过严。
4. 易切削加工
该合金具有优良的机械加工性能，及成屑性能。可使零件加工过程迅速，缩短了加工时间。这个特性铝、铜合金都无法比拟。该合金加工后表面光洁明亮，并可进行研衍、抛光、镀铬、油漆等超精加工和覆盖处理。表面经阳极钝化处理后，有优良的耐腐蚀能力而用于需要耐腐蚀的零件。该合金初次使用车床切削时会碰到有粘刀的现象，建议车速为500转/分钟左右、切角度数为5至7度，这一现象即可消除。精车时涂上一点煤油，光洁度可高达六级以上，成光亮的银白色，非常美观。
由于该合金具有上述良好的工艺性，所以这种合金可采用多种铸造方式。如砂型铸造、金属型铸造（钢质、铜质、铸铁及薄钢板成型）和石墨型铸造、石膏模铸造等等，并能成功地获得理想的加工成无气孔的优质铸件，这是其它有色合金迄今所少有的现象。正是该合金的独特之处，同时也是它成功的代替铸造锡青铜等合金的主要原因之一。

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