CN102719702B

CN102719702B - 一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金

Info

Publication number: CN102719702B
Application number: CN201210210696.1A
Authority: CN
Inventors: 李晓薇; 王怀庆; 齐克尧; 司松海; 刘光磊
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102719702A

Abstract

一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金，属于锌铝合金制备技术领域，其特征为：以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。按Al27-29％、Cu2-2.5％(以含铜50％铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0-1.2％、Mg0.01-0.02％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。按复合变质剂加入量为0％-1.2％进行熔炼，然后浇铸出七组复合变质剂不同的锌铝合金毛坯，并做力学性能和摩擦磨损性能测试。

Description

一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金

技术领域

本发明属于锌铝合金制备技术领域，特指一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金。

背景技术

铸造锌铝合金作为代替部分铜合金制作耐磨零件的节能材料己得到普遍的重视，特别是国际铅锌组织通过对锌铝合金的长期使用的考察已制定出相应的标准。锌铝合金是近十多年来国内外应用日益广泛的价廉、节能、优质的新材料，它具有硬度和强度高，阻尼性好，耐磨性好，摩擦系数小，摩擦升温低，材料和制造成本低廉等优点。同时还具有良好的工艺性能，不仅可用于压铸，还适用于砂型、金属型、石墨型等；而且原材料来源广、价格低廉、熔化时耗能低，无污染，使用寿命长，是国内外发展很快的一类新型合金。

锌铝合金作为耐磨材料及工程材料，韧性和塑性较差限制了其应用。对于耐磨合金而言，耐磨性的高低与合金韧性有很大的关系，当锌铝合金延伸率为6％时，要比延伸率小于1％时的磨损量减少近一倍。但是通常情况下，砂型铸造的锌合金延伸率只会达到3.6％。作为耐磨材料的锌铝合金如果具有较高的塑性，就会钝化配对材料的微凸体，在滑过锌铝合金表面时，就不会形成深的沟槽，而只会压出一些浅的半圆形的沟槽，减少了磨损量。另外，锌铝合金的塑性好，就会大大减少材料因疲劳破坏而产生的剥落。这是由于高的塑韧性可降低因疲劳破坏而产生的裂纹扩展。因而，提高锌铝合金的塑性对提高其耐磨性具有重大关系。锌铝合金作为工程结构材料，也须有一定的塑性和韧性，这样在受冲击载荷时就不会发生脆性断裂，可提高其使用的可靠性。

本发明开发出一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金。

发明内容

本发明开发出一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金，其特征为：以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Yl-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al27-29％、Cu2-2.5％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0-1.2％、Mg0.01-0.02％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液0.2％的脱水ZnCl₂进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl₂压入金属液中，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，根据加入复合变质剂的不同，浇铸出七组复合变质剂不同含量的锌铝合金毛坯，其复合变质剂加入量分别为0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、1.2％，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出摩擦磨损试样，摩擦磨损试样为长19.5mm、宽10mm、高8mm。对磨件的尺寸为外径Φ40mm，内孔Φ16mm，厚度10mm，对磨件的材质为40Cr，硬度50-55HRC。摩擦磨损是在国产MM-2000型销盘式试验机上进行。磨损量以试样磨损前后的质量差来衡量，称量采用MAll0电子分析天平，精度为0.00019g。摩擦磨损类型为油润滑摩擦磨损，所用润滑油为30#机油。各试样开始试验前，先进行30min的预跑合，跑合完毕后测定原始重量，然后加载至预定的载重进行磨损试验。摩擦磨损试验结束后，将试样用丙酮超声清洗30min，再测定试样的重量，并计算出试样的磨损量(磨损失重)。每次测试前试样和对磨件都要用丙酮清洗，每次测试后下一次测试前要将对磨件用砂纸磨到1200号，防止下一次测试时对磨件的表面粗糙度发生变化。实验中上试样固定不动，下试样转速为400r/min。

表1所示为加入不同含量复合变质剂时锌铝合金的抗拉强度，伸长率及硬度。由表1可以看出，随着复合变质剂含量的增加，合金的抗拉强度，伸长率均呈先上升再减小趋势。当复合变质剂含量达到0.6％时，锌铝合金的抗拉强度可达441MPa，伸长率达到6.1％，硬度为152HB。但是继续随着复合变质剂含量的增加，抗拉强度和伸长率又相应的呈现出下降趋势，当复合变质剂含量增加到1.2％时，抗拉强度，伸长率分别下降到415MPa，5.1％。硬度则变化不大。

表1加入不同含量复合变质剂锌铝合金的力学性能

由于复合变质剂的加入使合金晶粒细化，从而提高了合金的综合力学性能。加入复合变质剂后，在凝固过程中，少量的复合变质剂固溶于α及β相中，强化了基体组织，剩余的则与铜一起被排到共晶液中发生共晶反应，在晶界中形成富镍相颗粒，从而强化脆弱的共晶组织。但随着复合变质剂含量的不断增加，复合变质剂含量大于1％以后，晶界中产生更多的富镍相颗粒，使晶界增多，尺寸变得粗大，缺陷增多，并对基体造成了割裂作用，从而使合金塑韧性，强度下降。此外，复合变质剂加入过多会难以完全溶解，并使与Al，Zn反应生成一些化合物，从而降低了合金的力学性能。

由图1可以看到，加入复合变质剂的锌铝合金的耐磨性优于未加入复合变质剂的，并且随着复合变质剂含量的增加耐磨性呈现出先增大后减小的趋势。由图2还明显可见，当载荷小于600N时，无论加复合变质剂与否对锌铝合金的耐磨性没有很大的影响。当载荷大于600N时，加入复合变质剂的锌铝合金的磨损量明显小于未加入复合变质剂锌铝合金，且载荷越大，这种趋势越明显。这表明加入一定数量的复合变质剂，可明显提高锌铝合金重载条件下的耐磨性。分析比较试验数据还可发现，在载荷大于600N的条件下，当复合变质剂加入量小于0.8％时，材料的磨损量随加复合变质剂的增加而减小，而复合变质剂含量从0.8％增大到1.2％时，试样的磨损量反而增大。显然，试验条件下加入复合变质剂量为0.8％的多元锌铝合金的耐磨性最好。

以载荷800N，实验时间3h的实验为例对磨面形貌进行观察。图2所示为典型的磨面形貌照片。没有加入复合变质剂的锌铝合金的磨面比较粗糙，由于塑性变形和撕裂，表面产生剥落，此时磨损机制主要为严重的粘着磨损(图2(a)。锌铝合金中加入复合变质剂后，复合变质剂含量小于0.8％时，多元锌铝合金磨面逐渐变得光滑，并且随着合金元素含量的增加，表面因粘着而产生的剥落现象逐渐减少，如图2(b～e)所示。当复合变质剂含量继续增大，复合变质剂含量大于0.8％时，富镍相颗粒的数量和尺寸明显增加，晶界粗化，缺陷增多，材料的断裂敏感性增大，所以在磨损的过程中，由于磨面受剪切力的作用，更容易使材料形成裂纹并扩展，此时的表面不光滑，磨痕较宽较深，表面出现许多由材料撕裂所引起的小凹坑(图2(f～g))。

附图说明

图1复合变质剂加入量对锌铝合金磨损量的影响

图2不同复合变质剂含量下锌铝合金磨损表面的显微组织

(a)0％，(b)0.2％，(c)0.4％，(d)0.6％，(e)0.8％，(f)1.0％，(g)1.2％

具体实施方式

实施例1

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al28％、Cu2.3％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0.2％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液0.2％的脱水ZnCl₂进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl₂压入金属液中，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出摩擦磨损试样，摩擦磨损试样为长19.5mm、宽10mm、高8mm。对磨件的尺寸为外径Φ40mm，内孔Φ16mm，厚度10mm，对磨件的材质为40Cr，硬度50-55HRC。摩擦磨损是在国产MM-2000型销盘式试验机上进行。磨损量以试样磨损前后的质量差来衡量，称量采用MAl10电子分析天平，精度为0.00019g。摩擦磨损类型为油润滑摩擦磨损，所用润滑油为30#机油。各试样开始试验前，先进行30min的预跑合，跑合完毕后测定原始重量，然后加载至预定的载重进行磨损试验。摩擦磨损试验结束后，将试样用丙酮超声清洗30min，再测定试样的重量，并计算出试样的磨损量(磨损失重)。每次测试前试样和对磨件都要用丙酮清洗，每次测试后下一次测试前要将对磨件用砂纸磨到1200号，防止下一次测试时对磨件的表面粗糙度发生变化。实验中上试样固定不动，下试样转速为400r/min。此时，多元锌铝合金的抗拉强度为431MPa，伸长率达到5.8％，硬度为141HB。摩擦磨损性能见图1、图2(b)。

实施例2

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al28％、Cu2.3％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂0.8％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液0.2％的脱水ZnCl₂进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl₂压入金属液中，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出摩擦磨损试样，摩擦磨损试样为长19.5mm、宽10mm、高8mm。对磨件的尺寸为外径Φ40mm，内孔Φ16mm，厚度10mm，对磨件的材质为40Cr，硬度50-55HRC。摩擦磨损是在国产MM-2000型销盘式试验机上进行。磨损量以试样磨损前后的质量差来衡量，称量采用MAll0电子分析天平，精度为0.00019g。摩擦磨损类型为油润滑摩擦磨损，所用润滑油为30#机油。各试样开始试验前，先进行30min的预跑合，跑合完毕后测定原始重量，然后加载至预定的载重进行磨损试验。摩擦磨损试验结束后，将试样用丙酮超声清洗30min，再测定试样的重量，并计算出试样的磨损量(磨损失重)。每次测试前试样和对磨件都要用丙酮清洗，每次测试后下一次测试前要将对磨件用砂纸磨到1200号，防止下一次测试时对磨件的表面粗糙度发生变化。实验中上试样固定不动，下试样转速为400r/min。此时，多元锌铝合金的抗拉强度为437MPa，伸长率达到5.9％，硬度为154HB。摩擦磨损性能见图1、图2(e)。

实施例3

以工业铝锭A00号、锌锭0号、电解铜、复合变质剂(其中Ni20-30％、Ti15-25％、Mn5-15％、Cr5-15％、Si5-10％、Ce5-10％、La5-10％、Y1-6％、Nb1-6％、V1-6％、余为铝)、纯镁为原料。成分按重量百分比计算，按Al28％、Cu2.3％(以含铜50％的铝铜中间合金形式加入)、复合变质剂1.2％、Mg0.015％、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600～650℃时保温6min-8min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液0.2％的脱水ZnCl₂进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl₂压入金属液中，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注。铸造工艺为：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，然后加工成国家标准试棒。室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行。再在毛坯上取样，通过线切割加工出摩擦磨损试样，摩擦磨损试样为长19.5mm、宽10mm、高8mm。对磨件的尺寸为外径Φ40mm，内孔Φ16mm，厚度10mm，对磨件的材质为40Cr，硬度50-55HRC。摩擦磨损是在国产MM-2000型销盘式试验机上进行。磨损量以试样磨损前后的质量差来衡量，称量采用MAl10电子分析天平，精度为0.00019g。摩擦磨损类型为油润滑摩擦磨损，所用润滑油为30#机油。各试样开始试验前，先进行30min的预跑合，跑合完毕后测定原始重量，然后加载至预定的载重进行磨损试验。摩擦磨损试验结束后，将试样用丙酮超声清洗30min，再测定试样的重量，并计算出试样的磨损量(磨损失重)。每次测试前试样和对磨件都要用丙酮清洗，每次测试后下一次测试前要将对磨件用砂纸磨到1200号，防止下一次测试时对磨件的表面粗糙度发生变化。实验中上试样固定不动，下试样转速为400r/min。此时，多元锌铝合金的抗拉强度为415MPa，伸长率达到5.1％，硬度为153HB。摩擦磨损性能见图1、图2(g)。

Claims

1.一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金，其特征为：以工业铝锭A00号，锌锭0号，含铜50%的铝铜中间合金，复合变质剂：其中Ni20-30%、Ti15-25%、Mn5-15%、Cr5-15%、Si5-10%、Ce5-10%、La5-10%、Y1-6%、Nb1-6%、V1-6%、余为铝，纯镁为原料；成分按重量百分比计算，按Al27-29%、Cu2-2.5%、复合变质剂0-1.2%但不包括0%、Mg0.01-0.02%、余量是Zn的比例称重后在感应熔炼炉中熔炼；熔炼工艺为：先加入铝锭、锌锭、含铜50%的铝铜中间合金、复合变质剂，待材料全部熔化后，升温至600~650℃时保温6min-8 min使各元素均匀化，为减少镁的烧损用钟罩将镁压入金属液中，用含金属液0.2％的脱水ZnCl₂进行精炼，精炼时用钟罩将脱水ZnCl₂压入金属液中，静置8min-10min后扒渣除气，待温度为560℃-580℃时准备浇注；铸造工艺为：砂型铸造，底板为金属型，将熔炼好的锌铝合金浇铸成长250mm、宽40mm、高70mm的毛坯，然后加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行；再在毛坯上取样，通过线切割加工出摩擦磨损试样，摩擦磨损试样为长19.5mm、宽10mm、高8mm；对磨件的尺寸为外径Φ40 mm，内孔Φ16 mm，厚度10 mm，对磨件的材质为40Cr，硬度50－55HRC；摩擦磨损是在国产MM-2000型销盘式试验机上进行；磨损量以试样磨损前后的质量差来衡量，称量采用MAll0电子分析天平，精度为0.00019g；摩擦磨损类型为油润滑摩擦磨损，所用润滑油为30#机油；各试样开始试验前，先进行30min的预跑合，跑合完毕后测定原始重量，然后加载至预定的载重进行磨损试验；摩擦磨损试验结束后，将试样用丙酮超声清洗30min，再测定试样的重量，并计算出试样的磨损量；每次测试前试样和对磨件都要用丙酮清洗，每次测试后下一次测试前要将对磨件用砂纸磨到1200号，防止下一次测试时对磨件的表面粗糙度发生变化；实验中上试样固定不动，下试样转速为400r/min。

2.根据权利要求1所述一种能提高摩擦磨损性能的多元锌铝合金，加入复合变质剂量为0.8%。