CN101713038A

CN101713038A - 矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金

Info

Publication number: CN101713038A
Application number: CN200910175384A
Authority: CN
Inventors: 郭建民; 仝小虎; 苏莫明; 杜崇恒; 端木峰青
Original assignee: SHANXI YUNCHENG ANRUI ENERGY SAVING BLOWER CO Ltd
Current assignee: SHANXI YUNCHENG ANRUI ENERGY SAVING BLOWER CO Ltd
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2010-05-26

Abstract

矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，涉及铸造铝合金材料。本发明按重量百分比计，其组分配比为：Zn 1.0～2.5％，Cu 2.5～6.0％，Cr 0.1～0.3％，Ti 0.1～0.15％，Mn 0.3～0.8％，Re(稀土元素) 2.5～4.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。本发明解决了现有技术冶炼操作困难、成本高、无法实现的问题，不仅具有摩擦火花安全性好的优点，而且材料组分少，成本低，配料简单，便于实施。

Description

矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金

技术领域

本发明涉及一种铸造铝合金材料，特别是一种矿用通风机等零件的摩擦无火花安全型铸铝合金材料。

背景技术

矿用通风机、携带式电钻、风煤钻、电气设备外壳等，用铝合金制造的零件曾因撞击或摩擦产生火花引起多起事故。因而国外发达国家对轻合金材料在矿井中应用的安全问题早就进行了研究，但至今尚未获得突破性进展。目前，许多国家在煤矿井下或者在具有沼气危险的采掘工作面300m以内，已禁止使用轻合金制造的设备。我国也曾对矿用轻合金材料的使用做了严格的规定：由于轻合金材料(如ZL401 GB/T1173-1995)冲击或摩擦产生的火花最容易引燃瓦斯气体发生爆炸事故，因此禁止使用轻合金材料制造矿用零件。

CN101285141公开了“一种矿用零件的铸造铝合金材料”，按重量百分比计，它的组分及其配比为：Zn 1.0～2.5％，Cu 3.0～5.5％， Cr 0.1～0.3％，Ti 0.1～0.2％，Be 0.02～0.05％， Sr 0.01～0.03％，Mn 0.3～0.8％，Rx 2.5～4.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。这种铸造铝合金材料虽然具有摩擦火花安全性好等优点，但材料组分太多，不仅成本高，而且配料复杂，冶炼操作困难，并含有不确定的Rx元素，无法实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺点，提供一种矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，解决冶炼操作困难、成本高、无法实现的问题。本发明不仅具有摩擦火花安全性好的优点，而且材料组分少，成本低，配料简单，便于实施。

本发明是通过以下技术方案实现的：

矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Zn 1.0～2.5％，Cu 2.5～6.0％，Cr 0.1～0.3％，Ti 0.1～0.15％，Mn 0.3～0.8％，Re(稀土元素)2.5～4.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

所述Zn、Cu、Cr、Ti、Mn元素，是为了提高铝合金的铸造性能和机械性能而添加的少量合金元素。所述稀土元素Re，是为了有效地抑制铝合金在撞击摩擦时火花发生的添加剂。所述Si、Mg、Fe为杂质。

所述的铸造铝合金材料的组分及其较佳重量百分比为：

Cu 3.5％，Zn 2.0％，Cr 0.2％，Ti 0.15％，Mn 0.5％，Re 3.5％，Al余量。

下面简要介绍本发明的实验过程：

本发明进一步研究了铝合金化学元素对撞击摩擦产生火花的影响，经过仔细地成分筛选和工艺性能试验，研制了矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金。试验证明所述铸造铝合金材料较现有技术省去了一些元素，但其仍然具有摩擦火花安全性好的优点，安全性能明显优于普通铸造铝合金。

铸造铝合金都是多元合金，为了弄清每种铝合金元素对摩擦火花的影响，有必要从二元合金来研究其安全性。

铸造铝合金按其合金所合化学元素的不同可以分为四大组，即：

(a)AL-Si铸造合金，(b)AL-Mg铸造铝合，(c)AL-Zn铸造合金，(d)Al-Cu铸造合金。

矿用通风机零件摩擦火花安全型铸造铝合金新材料化学元素的筛选试验：

为了考察Si、Cu、Mg、Zn四种化学元素对产生火花的影响，将Si、Cu、Mg和Zn由含量1-15％分别注入铝中，然后浇铸成试块进行冲击或摩擦试验。试验用的Si、Cu、Mg、Zn纯度均大于99.99％，铝为99.995％的高纯铝。

试验用试块的配制是在电阻炉中进行的，在预热好的纯石墨坩埚中按配件计算的纯Zn、纯Cu、纯Si分别和Al同时加入，升温熔化，控制温度在730～740℃范围内，待金属全部熔化后，用石墨棒搅拌均匀，纯Mg是Al熔化后，先加入覆盖剂，然后再加入纯Mg，控制温度为730℃，精炼5～8min，然后静置10min，扒渣后浇注成试块，分别进行高速冲击和自由落锤试验。

从高速试验观察可以得出，因纯Al太软，塑性好，故弹丸冲击到锈钢板上只有冲击变形，很少发生摩擦，因此产生的火花较少。从而通过此次试验结果，可以得知火花的产生主要由于摩擦所致，但也与冲击有一定的关系。Al-Zn合金高速冲击时，火花产生次数最少，其次是Al-Cu合金，当Cu含量小于9％时，产生火花次数较少，大于9％后火花即大量产生；Al-Si合金当Si含量大于2％时火花产生次数开始增多；安全性能最差的Al-Mg合金，Mg含量在1％时，即有大量火花产生。

自由落锤火花试验结果与高速冲击试验结果基本一致，即Al-Zn合金火花产生最少，其次是Al-Cu合金和Al-Si合金，Al-Mg合金产生火花最多，因此，Al-Si和Al-Mg合金不是研制摩擦火花安全型铝合金的材料。

为了提高铝合金的铸造性能和机械性能，需要添加少量元素来强化合金。这些元素通常有Cu、Cr、Ti、Mn、Sr、Be、Ni等元素。

为了研究这些少量添加元素对铝合金撞击摩擦火花的影响，也分别以不同量往纯Al中添加，进行高速冲击和自由落锤试验，如表1所示。

从试验中看出纯AI中少量添加Cu、Mn、Cr、Ni、Ti对撞击摩擦火花无影响，即不增加也不减少铝合金的火花发生，Be、Sr就不同了，加入超过0.3％以后，就有大量火花产生，因此，Be、Sr不能用作摩擦火花安全型铝合金的添加元素。经过试验确定Cu、Cr、Ti、Mn四种元素为强化合金的添加元素。这些元素它们在合金中的作用和对产生火花的影响分别为：

Cu：是高强度铝合金的重要元素，铝锌合金中加入一定量的铜组成Al——Zn——Cu三元合金。Cu在铝合金中析出强化相(CuAl₂)通过固熔强化和时效强化，提高合金的强度，Cu含量小于7％不会恶化安全性能，还可以提高合金的流动性和耐蚀能力。

Cr：可以细化铝晶粒，使合金至密，提高铸件气密性，同时改变合金抗蚀能力，试验发现Cr含量超过0.5％时，合金塑性降低，因此加入量控制在0.3％。

Ti：Ti在铝合金中析出Al₃Ti，当凝固时作为外来晶核细化组织，使疲劳极限增加，Ti的加入量控制为0.1％～0.15％。

Mn：在含铜的铝合金中，加入Mn可使合金的屈服强度和高温性能得到改善，同时可以降低杂质铁的有害作用，但Mn含量过高时，合金机械性能降低，Mn含量小于0.8％不会恶化铝合金的安全性能。

为了有效地抑制铝合金的撞击摩擦时火花的发生，经过多次筛选，试验选择了一组合金添加剂：稀土元素Re。

考虑到煤矿井下矿用通风机零件使用环境潮湿，腐蚀性气体存在等的恶劣性，以及对铸造性能、机械性能及气密性的要求，首先选出了五种铝合金成分配方。其化学成分和安全性能见表2。

从表2中可以看出，筛选出的5种成分只有5-1、5-2、5-3在撞击摩擦时没有产生火花，这三种合金以5-3的性能最佳，因此确定5-3为矿用通风机零件摩擦火花安全型铸造铝合金的化学成分。

为了进一步寻找性能稳定的5-3号安全性铝合金的元素成分的含量范围。我们编排了一系列不同的元素含量配方，熔注后进行机械性能和自由落锤撞击摩擦火花试验。试验表明：5-3合金中主要元素Zn含量在1.0～2.5％，Cu含量在2.5～6.0％，Cr含量在0.1～0.3％，Ti含量在0.1～0.15％，Mn含量在0.3～0.8％，Re(稀土元素)含量在2.5～4.5％，铸造铝合金的机械性能和安全性能稳定。

最后确定矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：

Zn 1.0～2.5％，Cu 2.5～6.0％，Cr 0.1～0.3％，Ti 0.1～0.15％，Mn 0.3～0.8％，Re(稀土元素)2.5～4.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

确定配方后，选择最危险状态下进行大量重复性考核试验。试验在最危险状况下再次作500次试验，非着火497次，着火3次，通过着火概率分析计算，着火概率为0.8％，非着火概率为99.2％。当试验的冲击能量、试验板的材质(即硬度、生锈程度)和试验板倾角等条件部处于摩擦火花引燃可燃性气体最危险状况，摩擦火花产生的引燃概率将远低于实际着火的概率，因此该矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金新材料是安全可靠的。

矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金的物理性能、机械性能和铸造性能：

1、物理性能

本发明的铝锭为冶金部颁标准锭，合金断口组织致密，无熔渣及非金属夹杂物，针孔度数为1级。

本发明的熔点为615-574℃，是在GRG型高温热仪上进行差热分析的。

本发明的密度按冶金部标准方法测定为3.81～2.77g/cm³，密度平均值为2.80g/cm³。

2、机械性能

本发明的抗拉强度试验按GB228-76标准测定，抗拉试样尺寸按GB173-74标准规定制作，硬度试验按GB251-63标准的试验方法测定，表3列出工频电炉生产的本发明的机械性能。

煤炭部行业标准规定煤矿井下用煤电钻铝合金机械强度大于140Mpa即可采用，因此本发明是完全可以满足煤电钻等矿用零件材料的要求。

3、铸造性能

本发明的铸造性能与目前煤矿井下设备外壳用ZL401铸造性能接近。其铸造性能见表4。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

本发明在现有技术的基础上省略了可有可无的化学元素，进行了大量的科学试验，确定了性能稳定、材料组分少、配料简单、便于实施的化学配方，采用普通铝合金的铸造工艺，铸造的铝合金叶片，其机械物理性能达到：抗拉强度σb≥180Mpa，延伸率δ≥3.0％，硬度HB≥50，具有摩擦火花安全性好，密度小、塑性好、耐腐蚀等优点。

本发明适用于矿用通风机的叶片、叶轮制作以及携带式、小型移动式或支架式煤电钻，仪器仪表设备外壳等。其生产成本、销售价格与ZL401、ZL104基本一致，使用本发明的铸造铝合金材料不会增加铸造成本。本发明还可以推广到化工、石油、轻工，消防、船舶等行业，有着广泛的应用前景，经济与社会效益非常明显。

具体实施方式

实施例1

一种矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Zn 2.5％，Cu 3％，Cr 0.1％，Ti 0.1％，Mn 0.3％，Re 2.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

实施例2

一种矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Zn 1.0％，Cu 6.0％，Cr 0.3％，Ti 0.15％，Mn 0.8％，Re 4.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

实施例3

一种矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Zn 2.0％，Cu 3.5％，Cr 0.2％，Ti 0.15％，Mn 0.5％，Re 3.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

实施例4

一种矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Zn 2.5％，Cu 2.5％，Cr 0.3％，Ti 0.15％，Mn 0.5％，Re 3.2％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

表1少量添加元素对铝合金产生火花的影响汇总表

表2五种化学成分的铝合金产生摩擦火花汇总表

表3本发明的铸造铝合金抗拉性能汇总表

表4本发明和ZL401铸造性能对比表

Claims

1.矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Zn 1.0～2.5％，Cu 2.5～6.0％，Cr 0.1～0.3％，Ti 0.1～0.15％，Mn 0.3～0.8％，稀土元素Re 2.5～4.5％，Si≤1.5％，Mg≤0.5％，Fe≤0.5％，余量Al。

2.按照权利要求1所述的矿用零件的铸造铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该铝合金材料的组分及其配比为：Cu 2.5％，Zn 2.5％，Cr 0.3％，Ti 0.15％，Mn 0.5％，Re 3.2％，Al余量。

3.按照权利要求1所述的矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，其特征在于：所述的铸造铝合金的熔点为615～574℃。

4.按照权利要求1所述的矿用通风机零件摩擦无火花铸造铝合金，其特征在于：所述的铸造铝合金的密度为3.81～2.77g/cm³。