CN101736181A - 一种高铝锌基轴承合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高铝锌基轴承合金，其包含有下述成分：Al、Zn、Cu、Mg、Ti、Re。所述高铝锌基轴承合金的制备方法：首先按照下述的质量配比关系制作合金基体：Al：28～33％，Cu：2.0～3.0％，Mg：0.010～0.05，Ti：0.15～0.3，Re：0.10～0.30，Zn：余量；然后向合金基体中加入氟硼酸钾或/和氟钛酸钾以便细化晶粒。本发明所述高铝锌基轴承合金具有的减振、噪音低、自润滑、良好的减摩特性，使塔机运行平稳，提高了使用寿命；其机械、物理综合性能符合变幅机构需要，性能稳定，质量可靠；其可降低成本至少40％。本发明具有可预见的巨大的经济价值和社会价值。

Description

一种高铝锌基轴承合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料科学，特别提供了一种高铝锌基轴承合金及其制备方法。

背景技术

在机械行业中，滑动轴承合金铸件(轴瓦、轴套、蜗轮、螺母、滑轨、滑块等)占有很大比重，目前我国的滑动轴承合金主要沿用传统的铜基合金和巴氏合金，这两类合金中稀贵金属所占的比重极大，铜是我国的稀缺金属，每年50％的铜需要进口，尤其随着电子、电讯工业的迅猛发展，和全球性铜资源枯竭，铜的短缺将更为严重，因此，寻求具有良好的减摩性能(满足使用要求的PV值)，足够的机械强度，良好的导热性，价格便宜的新型滑动轴承合金是各机械行业工程技术人员的普遍愿望，近二十年，引进的标准的锌基ZA8-1、ZA11-5、ZA27-2新型轴承合金，在各机械行业中代替青铜、黄铜、巴氏合金制造轴瓦、轴套、蜗轮、丝母、螺母、导轨、滑块等减摩铸件，由于其摩擦系数较锡青铜低(比6-6-3低44％比10-1低37.5％)，热导率比锡青铜高(比6-6-3高10％、比9-4高70％、比10-1高100％)，而得到各机械行业的普遍欢迎和广泛应用。

重力铸造锌合金优越的机械性能和优良的铸造工艺性能、机械加工性能令人瞩目，被誉为“魔术合金”。而其较低的原材料成本和熔化节能高达58％更增强了它的竞争力。熔炼工艺简单，无污染也是它的巨大优点。

因此，重力铸造锌合金受到了国际上广大厂商和使用者的欢迎，尽管锌合金问世历史不长，然而其研制工作的进展、推广应用迅速，令人瞩目。目前，美国、加拿大、德国、英国、澳大利亚、日本、俄罗斯等几乎所有发达国家都已经成功应用，而开始研究和推广的国际则更多。

重力铸造锌合金取代青铜、黄铜广泛应用于矿山、石油、水泥、水泵、冶金机床、锻压、压缩机、建筑、减速机、输变电、阀门、运输、建材、造纸、橡胶、包装、粮食、起重、纺织、液压、船舶等机械行业制作瓦、套、蜗轮、螺母、丝母、滑轨、滑块、导轨板等易损部件。

现有技术中，重力铸造领域使用的锌基合金开始于二次世界大战时期的德国，当时德国因为同资源紧缺，急需找到青铜的替代材料，因此在1939～1943年期间，德国锌基合金的用量从7800吨猛增到47000吨。自此，其它国家也开始了对这类合金的应用和发展。

表1ZA8、ZA12、ZA27合金性能列表

1959～1962年，国际铝锌组织ITZR0发起了一项锌基合金研究计划，研制出了ILZR012的铸造锌合金。70年代中期，加拿大Norand Mines Limied研究中心随该合金进行了成分调整，并与美国的Zastem公司合作，相继研制出了ZA8、ZA12、ZA27合金，其中，ZA27综合性能最好，其强度可达400Mpa，延伸率为3-6+％，硬度HBs110。至此，高铝锌基合金构成了铸造锌合金系列。

美国Zastem公司的技术顾问Bess在介绍锌基合金的文章中指出：研制锌基合金的目的，不仅仅是要在传统有色合金能够胜任的场合替代它们，更重要的是使之应用于传统有色合金在强度和耐磨性能上满足不了要求的场合。据他预测：“锌基合金在近期会有一个很大的发展，其生产规模和销售市场将迅速扩大，二十一世纪将是锌合金的全盛时期。”

国内重力铸造高铝锌基合金领域的研究工作目前还比较落后，与国外有相当的差距，我国八十年代初开展锌合金研究，2000年后高铝锌基合金的开发应用才逐渐提到了议事日程，主要集中在耐磨件、易损件放方面。而结构件、无火花、无磁性应用领域将是我们在锌合金方面的重要发展方向。

八十年代初，我国开始引进美国ASTMB791-199标准中的ZA27合金。经近二年消化、吸收，先后在锻压、机床、橡胶、水泥、水泵、食品、造纸、石油、轧钢、矿山、运输、起重、纺织、船舶、阀门等机械行业推广，成功地替代青铜、黄铜、巴氏合金制作各种规格的减摩铸件。至今，应用较为广泛减摩合金仍以锌基ZA27-2为代表。

我国铝锌资源丰富，蕴藏量均居世界前列，立足国内富有资源，大力发展重力铸造锌基合金的研究和应用，其与节约铜材、降低成本有重大的经济技术意义和长远的社会意义。

现有技术中，我们迫切需要一种能够替代青铜制造特殊钢板轧机滑块的新型材料。例如，在轧制1Cr8Ni9Ti等特殊钢时，部件承受较大的交变冲击载荷。以抚顺特钢公司薄板厂1200冷轧机的轧制力为1400吨，转动阻力为6吨/米，线速度为2.9米/秒。该机工作时，万向联轴器上的青铜滑块在交变(频繁正反转)冲击载荷作用下磨损极快，被磨下的铜屑形成一条线，平均寿命不足7天。如此频繁停机更换滑块会使设备开动铝大大降低，影响经济效益。另一方面，铜一直是紧缺的有色金属，其价格高。大量使用青铜滑块大大提高了企业的成本，浪费铜材。

发明内容

本发明的目的是提供一种高铝锌基轴承合金及其制备方法，该合金具有的减振、噪音低、自润滑、良好的减摩特性，可以使机械运行平稳，提高了使用寿命；同时其机械、物理综合性能符合变幅机构需要，性能稳定，质量可靠；其可降低成本至少40％。

本发明具体提供了一种高铝锌基轴承合金，其特征在于所述合金具体包含有下述成分，质量百分比：Al：28～33％，Cu：2.0～3.0％，Mg：0.010～0.05，Ti：0.15～0.3，Re：0.10～0.30，Zn及不可避免的杂质余量；其中的Re指混合稀土。

本发明还提供了上述高铝锌基轴承合金的制备方法，其特征在于：首先按照合金元素配置合金并加热至熔化，然后向合金熔体中加入氟硼酸钾或/和氟钛酸钾以便细化晶粒。

本发明所提供的高铝锌基轴承合金的制备方法中，向合金熔体中加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾的量低于原料总质量的≤4，其中氟硼酸钾≤1；氟钛酸钾≤3。

本发明所提供的高铝锌基轴承合金的制备方法中，向合金熔体中加入的是氟硼酸钾和氟钛酸钾，加入量为：氟硼酸钾：0.03～0.2％；氟钛酸钾0.1～1.2％。

本发明所提供的高铝锌基轴承合金的制备方法中，首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入氟硼酸钾或/和氟钛酸钾以便细化晶粒；在25～35分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

本发明所述高铝锌基轴承合金中各个成分的作用如下：

1、铝对锌基合金基的影响

铝能溶解大量的锌形成α固溶体，锌在铝中的溶解度随温度而急剧变化，为合金固溶强化奠定了基础。铝的加入有效地细化了合金的组织，构成强化的因素。增加铝的含量有助于提高强度和硬度。

2、铜对锌合金的影响

一般而言，随着铜含量的增加，合金强度呈上升趋势，在铜量超过一定限额后，伸长率急剧下降。具体而言：

在铜含量较低时，铜主要固溶于β相中，在非平衡条件下，则更多的分布于晶界上的三元共晶组织(α+β+ε)中，在锌含量高的地方，铜的含量同样也很高。铜是面心立方结构，α_Cu＝3.61×10^-10m，而锌β相为密排六方晶格，α_Zn＝2.659×10^-10m，Q_Zn＝5.123×10^-10m，Cu的{100}面族能较好地与Zn的{1010}面族共格，在β相的{1010}面族上能形成铜原子的GP{I}区，同时在GP{I}区附近产生较大的晶格畸变，导致合金强化。

随着铜含量的增加，合金的强度呈上升趋势，在铜含量超过一定限额时，伸长率急剧下降。

3、镁对锌合金性能的影响

镁对合金性能的影响：镁是一种强化剂，只需微量便有强大的强化效果，它能细化晶粒提高强度和硬度。具体而言：

镁能固溶于α相，可以生成金属间化合物[1(CuAl₂Mg)，2(Al₂MgZn₃)，3(Mg₅Al₈)等]，是一种强化剂，只需要微量便有强大的强化效果。它可以抑制晶间腐蚀，提高合金的抗蚀性，并能细化晶粒，提高强度硬度。随着镁含量的增加，延伸率呈下降趋势，当含Mg量超过1％，延伸率降的极低而无太大变化，当Mg含量小于0.01％，耐蚀性差，因此最佳含量定在0.01％～0.05％范围内。

4、氟硼酸钾(下文用X表示)和氟钛酸钾(下文用Y表示)对锌合金的影响

X、Y的加入，合金组织得到明显细化，清除了粗大的枝晶结构，形成了比较均匀的等轴晶粒。锌合金的延伸率大幅度提高。从根本上改善其综合机械性能。

在锌合金中确定加入的微量的X，Y，试验结果如下：

表2

编号	1	2	3
				抗拉强度δb(MPa)	420	420	425
延伸率δ(％)	15.6	18.0	16.8
				硬度HBs	124	124	124

由上表可见，微量元素X，Y的加入，锌合金的延伸率大幅度提高。锌合金的综合性能的提高，为扩大本发明所述高铝锌基轴承合金的应用领域奠定了基础。

本发明所述高铝锌基轴承合金中加入X，Y的机理是：微量的X，Y与锌铝合金液作用是，产生X和Y的微区富集，区内的X和Y的浓度超过它们在铝及锌中的固溶度后生成一定的化合物，如XY₂，AlY₂，Al₅X₂Zn以及XAl₃等。这些粒子与富铝α相存在在良好的共格对应关系，成为α相有效的异质晶核，使其得到明显细化，α相细小均匀的结果，使得包晶反应比较充分，最后剩余液体含量减少，从而减少了共晶体的数量，并且使共晶体的分布状态变得更为细小、均匀，不易成网状，这样共析组织也相对地变得细小了。另外，α相的细化使液态合金在凝固过程中容易得到补缩，显微缩松倾向降低，因此，X，Y的晶粒细化有利于提高合金的延伸率，改善其综合机械性能。

5、加入0.15％～0.3％的钛，0.10％～0.3％的Re，对耐磨性、老化性有进一步的改善。

通常情况下，冶金行业的设备工况条件比较恶劣，载荷大、粉尘大、润滑条件差，部分部件承受较大的交变冲击载荷。如：抚钢薄板厂1200冷轧机的轧制力为1400吨，转动扭力为6吨/米，线速度为2.9米/秒。该机工作时，方向连轴器上的铜滑块在交变(频繁正反转)冲击载荷作用下磨损极快，被磨下的铜屑形成一条线，肉眼可见，平均寿命不足10天。采用锌基ZA303合金制作的滑块寿命为铜滑块的两倍以上，高铝锌基轴承合金综合性能目前处于国内领先水平。

传统蜗轮一般采用ZQSn10-1、ZQSn6-6-3、ZQAL9-4合金制造，成本较高。蜗轮材料设计上两个重要性能指标为：许用弯曲应力及许用接触应力，高铝锌基轴承合金的这两项技术指标优于6-6-3，达到10-1和9-4青铜，使用寿命远高于标准配料的青铜、黄铜。市场经济中，为降低成本，一些企业采用黄杂铜制造蜗轮，高铝锌基轴承合金蜗轮寿命远远高于这类蜗轮。

由于本发明所述高铝锌基轴承合金基本元素配比最佳又有微量合金化元素作为晶粒细化剂，合金组织明显细化，使硬质点∑相数量增多，分布更加均匀，同时a枝晶中的生核质点也起到了增加软基体a上的硬质点的作用，这样使整个合金组织中aβ的硬质点数均增加，固而在摩擦磨损过程中，软基体上所受的横向剪切力趋于分散，数值减少，提高了合金的疲劳强度，从而提高了合金的耐磨性。

以本发明高铝锌基轴承合金制作的滑块使用寿命达一个月以上，为铜合金滑块的二倍。

进一步地摩擦磨损试验，我们得知本发明高铝锌基轴承合金比压P可达28MPa，线速度可达4.2m/s，极限PV值达120、4MPa/s。ZA27-2合金的比压为20MPa，线速度不超过3m/s。高铝锌基轴承合金不仅保留了ZA207合金的高强度和提高了耐磨性，而且还大大提高了高温和低温条件下的韧性(常温延伸率为10-15％，-40℃时延伸率为10％)因而能适用低温和交变冲击载荷等恶劣工作条件，该合金的研制成功，进一步拓宽了锌基合金的应用领域。

在实际工作场合，润滑常常不充分，甚至出现干摩擦，尤其在矿山、轧钢等恶劣的工作环境下，锌基合金比青铜更显示其优越性。

锌基合金抗磨损能力优于青铜的基理是：

a.其剪切强度高于青铜，在摩擦表面，锌基合金较青铜合金难于剥离；

b.其表面的嵌入性较青铜高，当有异物(如灰尘、砂粒)进入摩擦表面后，会嵌入基体而形成硬质点，而不会象青铜形成磨料磨损。

c.由于锌基合金的界面上存在一层表面涨力小的低熔点的软金属薄膜，所以锌基合金与润滑油亲和性好。在其摩擦表面形成的油膜不象青铜那样容易破裂。当停机一段时间又开动时，锌基合金摩擦表面仍有油膜，不易磨损。而青铜材料，油膜易破裂，从而产生磨损，并且锌基合金在干摩擦时能够正常运行一段时间。

关于锌合金自润滑性能，根据现代摩擦学理论，某些纯金属可作为固体润滑剂，如：金、铅、锡、铟和锌等。其共同的特点是低熔点软金属，极容易产生表面偏聚形成固体润滑覆盖层而改善摩擦副的摩擦摩擦磨损特性。锌具有典型的六方点阵结构，所以整个系统保持很低的摩擦系数。基体中的低熔点金属在高比压作用下，不断地输送摩擦表面，来维持很低的摩擦消耗功。

总体而言，本发明有以下优势：

1、高铝锌基轴承合金的机械、物理综合性能符合变幅机构需要，性能稳定，质量可靠。

2、采用高铝锌基轴承合金可降低成本至少40％；

3、高铝锌基轴承合金具有的减振、噪音低、自润滑、良好的减摩特性，使塔机运行平稳，提高了使用寿命。

因此，本发明所述高铝锌基轴承合金及其制备方法具有可预见的巨大的经济价值和社会价值。

具体实施方式

实施例1

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.9％的氟硼酸钾以便细化晶粒；在25～35分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例2

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.2％的氟硼酸钾、1.2％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例3

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.1％的氟硼酸钾、1.7％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例4

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.9％的氟硼酸钾、2.5％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例5

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.4％的氟硼酸钾、2.8％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例6

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.2％的氟硼酸钾、1.2％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例7

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.2％的氟硼酸钾、0.8％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例8

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.03％的氟硼酸钾、1.1％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例9

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.04％的氟硼酸钾、0.6％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例10

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.05％的氟硼酸钾、0.9％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

实施例11

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入原料总量0.17％的氟硼酸钾、1.2％氟钛酸钾；以便细化晶粒；在25分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。

表3本发明合金ZA303的合金性能

表4国内外常用轴承合金机械物理性能参数

表5锌基铝基减合金其它机械性能

合金	抗压屈服强度(Mpa)	剪切强度(Mpa)	疲劳强度(5X103Mpa)	冲击强度(J)
					AS7	165	103	60	-
ZA27-2	330	290	172.5	48
					本发明	350	315	185	90

表6ZA27-2与ZA303高低温性能

表7ZA303与AS7合金使用条件

Claims (5)

1.一种高铝锌基轴承合金，其特征在于所述合金具体包含有下述成分，质量百分比：Al：28～33％，Cu：2.0～3.0％，Mg：0.010～0.05，Ti：0.15～0.3，Re：0.10～0.30，Zn及不可避免的杂质余量。

2.一种按照权利要求1所述高铝锌基轴承合金的制备方法，其特征在于：

首先按照合金元素配置合金加热至熔化，然后向合金熔体中加入氟硼酸钾或/和氟钛酸钾以便细化晶粒。

3.按照权利要求2所述高铝锌基轴承合金的制备方法，其特征在于：向合金熔体中加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾的量低于原料总质量的≤4，其中氟硼酸钾≤1；氟钛酸钾≤3。

4.按照权利要求3所述高铝锌基轴承合金的制备方法，其特征在于：向合金熔体中加入的是氟硼酸钾和氟钛酸钾，加入量为：氟硼酸钾：0.03～0.2％；氟钛酸钾0.1～1.2％。

5.按照权利要求4所述高铝锌基轴承合金的制备方法，其特征在于：所述高铝锌基轴承合金的制备方法中，

首先按照各种合金元素质量百分含量配比关系制作合金熔体，然后在610℃～650℃温度条件下向合金熔体中加入氟硼酸钾或/和氟钛酸钾以便细化晶粒；在25～35分钟内细化晶粒，使得在合金制备完成之前，所加入的氟硼酸钾或/和氟钛酸钾基本挥发掉，得到晶粒细化的合金组织。