CN103484723B - 一种锌合金轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型的轴承用锌合金及其制备得到的轴承，以重量百分含量计（wt.%），Al17-20、Cu2.5-4.5、Mg0.05-0.1、Si1.5-3、Sb0.02-0.05、Sc0.05-0.1，余量为Zn和不可避免的杂质。该轴承有优异的力学性能，特别是适合于在重载、高温环境下使用的强度和硬度，然后配料、熔炼、压铸以及热处理，以得到本发明的锌合金，其中合金的成分、熔炼，以及压铸的工艺参数和热处理的工艺参数都进行了最优的选取时，以获得性能优异的锌合金。随后对锌合金的表面进行精加工以得到轴承产品。
Description
技术领域
本发明涉及机械工业中轴承应用的技术领域，特别是提供一种锌合金轴承。
背景技术
在机械行业领域中，滑动轴承合金主要使用传统的铜基合金和巴氏合金铸件，但这两种合金的原料和制造成本都很高，特别随着电子通讯等工业领域的飞速发展，对于铜的需求与日俱增，加之铜属于我国的稀缺资源，造成每年我国需要大量从国外进口铜，更进一步压缩了铜基合金作为轴承类部件原材料使用的空间。
为了替代传统的铜基合金使用，目前锌基合金的铸件作为耐磨减摩材料而被大量用于轴瓦、轴套等轴承类零部件的制造。虽然锌基合金同样具有优异的强度、塑韧性等力学性能，以及出色的耐磨减摩性能，但其主要合金成分比重相差大，具有合金凝固温度范围宽、铸造过程容易出现疏松、偏析等缺陷，严重影响了锌基合金的因应用，并且其使用温度也较低，常常由于重载条件下摩擦磨损所产生的大量放热使得零部件温度过热而难以使用。
因此，获得一种具有优异铸造性能，同时能够满足在较高温度条件下使用的新型锌基合金具有重要的研究意义和广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种新型锌合金的配方以及由该锌合金制备得到轴承部件。
本发明中的一种锌合金轴承，所述锌合金具有如下的化学组成：以重量百分含量计（wt.%），Al17-20、Cu2.5-4.5、Mg0.05-0.1、Si1.5-3、Sb0.02-0.05、Sc0.05-0.1，余量为Zn和不可避免的杂质；
所述轴承首先按上化学组成熔炼、压铸制备得到锌合金，再对锌合金进行相应热处理，之后对锌合金表面进行精加工以得到最终的轴承产品。
进一步地，所述熔炼是指先将纯锌置于熔炼炉中加热升温至450-470℃维持5-10min，随后将温度升至820-850℃加入工业纯铝、铝硅合金、铝钪合金和电解铜并持续搅拌直至铝硅合金和电解铜全部熔化，之后降温至680-700℃并加入锌锑合金并持续搅拌直至锌锑合金全部熔化，随后降温至620-650℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少5-10min，之后搅拌熔体并再次升温至720-750℃同时加入精炼剂进行精炼，静置10-15min后，检验熔体成分合格后完成熔炼。
进一步地，所述压铸是将成分合格的熔体降温至550-580℃后压铸到经过预热至180-200℃的模具型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.5-0.8m/s、铸造压力为60-70MPa，充型率超过50%后，提高熔体的流速至3-3.5m/s、铸造压力为90-100MPa，直至充型压铸结束。
进一步地，将压铸铸件在380-400℃条件下均匀化20-24h后水淬至室温后，再升温至120-150℃进行5-10h的时效处理。
进一步地，Si为2.5。
本发明的优点在于：（1）合理地设计了轴承用锌合金的成分，得到了具有优异压铸和时效性能的锌合金；（2）采取了合适的原料和熔炼工艺，保证了合金的性能；（3）选择了最佳的压铸工艺参数以获得性能优异的铝合金；（4）采用了最为有效的热处理工艺和参数，最大限度地提高了铝合金的性能；（5）锌合金不但具有优异的常温力学性能，即便在超过150℃的条件下仍能满足使用要求。
具体实施方式
实施例1-4，以及对比例1-9：
1）配料：按表1所给出的合金配比进行配料，其中合金成分来自于纯度为99.99%的纯锌、重量比1：1的铝硅合金、重量比1：1的锌锑合金、重量比1：1的铝钪合金、电解铜、工业纯镁、纯铝等原料。
2）熔炼：先将纯锌置于熔炼炉中加热升温至460℃维持10min，随后将温度升至830℃加入工业纯铝、铝硅合金、铝钪合金和电解铜并持续搅拌直至铝硅合金和电解铜全部熔化，之后降温至690℃并加入锌锑合金并持续搅拌直至锌锑合金全部熔化，随后降温至640℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少5min，之后搅拌熔体并再次升温至740℃同时加入精炼剂进行精炼，静置15min后，检验熔体成分合格后完成熔炼。
3）压铸：将成分合格的熔体降温至560℃后压铸到经过预热至180℃的模具型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.6m/s、铸造压力为65MPa，充型率超过50%后，提高熔体的流速至3.3m/s、铸造压力为95MPa，直至充型压铸结束。
6）热处理：将压铸铸件在390℃条件下均匀化22h后水淬至室温后，再升温至130℃进行8h的时效处理。
表1
由表1的结果可知，铝含量对于合金体系的强度和硬度具有重要的影响，铝含量如果过低，会导致合金体系的室温强度都不能满足使用的要求，但铝含量的添加也不能过量，否则不但不会持续提高合金的力学性能，反而会由于铝对于合金体系整体平衡的破坏而影响其他合金元素的效能，造成高温强度的明显不足。
铜是铝锌合金的主要合金元素，其在提高合金强度以及高负荷条件下的耐磨性具有重要的作用，为了发挥上述效果，铜的添加量至少应超过2.5，但铜的过量添加会形成大量的金属间化合物相而导致合金体系的催化，反而降低强韧性，因此铜的添加量不宜超过4.5。
镁的添加主要能够防止锌基合金的晶间腐蚀的发生，同时能够对于晶粒的长大起到一定的阻碍作用，从而一定程度上提高强度，为了发挥上述效果，镁的含量应当超过0.05，但如果镁的含量超过了0.1，则会与硅形成过量的不必要的金属间化合物脆性相，同时妨碍锑、钪等合金元素的效果。
硅在合金体系中主要发挥减摩抗磨的作用，为了保证硅的均匀分布以发挥其效用，应保证硅的含量在1.5以上，但是硅的含量也不能过高，否则容易在晶界析出，以及形成金属间化合物脆性相，从而严重恶化合金的力学性能。
锑和钪主要发挥了稳定合金体系组织，避免由于热处理、时效以及重载、高温使用环境所导致的锌合金体系力学性能的恶化，同时钪还在一定程度上起到了晶粒细化的作用，可以看出二者协同能够发挥最大的稳定作用，但二者的含量不宜过高，否则会破坏合金的力学性能。
明显的，本申请中的合金体系，预料不到的获得了优异的力学性能，特别是能够在重载、高温使用环境下依然保持足够的机械强度和硬度。
实施例5-7，以及对比例10-17，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了压铸过程中的工艺参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表2。
虽然压铸过程中采用低速、高速两种不同的熔体流速以控制气孔等缺陷是本领域中公知的技术，但由表2的结果可知，如何选择熔体流速和铸造压力还是有很大的影响：
对于本发明锌合金的低速阶段的熔体流速和铸造压力，应当控制熔体流速在0.5-0.8m/s之间，过低的熔体流速会导致熔体降温过快而影响熔体的压铸性能，从而最终恶化合金的力学性能，并且也不利于生产效率的提高。而过高的熔体流速则会导致湍流的出现而容易卷入气体和氧化物夹杂，同时会导致局部熔体的快速凝固而产生气孔等缺陷。铸造压力的增大能够明显改善材料的力学性能，这主要得益于压力增大所产生的合金致密性的提高和缺陷的减少，为了保证这一效果，对于本发明的锌合金体系，铸造压力至少应为60MPa，但过大的铸造压力并不会获得更多的性能改观，反而会导致设备、模具等过快的损耗，因此铸造压力的上限设定为70MPa。
对于高速阶段的熔体流速和铸造压力，应当控制熔体流速在3-3.5m/s之间，铸造压力在90-100MPa之间，其对于压铸过程和合金力学性能的影响与低速阶段的类似，不再赘述。
明显的，本申请中的合金体系，具有最适于其的压铸工艺参数，有违于最优化参数的都可能导致合金性能的下降。
表2
实施例8-9，以及对比例18-21，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了热处理工艺参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表3。
表3
由表3的结果可知，均匀化的温度不能过低，并且需要足够的时间，否则将难于起到消除应力，提高力学性能的效果；相反温度过高则可能导致组织发生变化而严重影响力学性能。时效的温度也必须合适，过低的时效温度和时间不能起到作用而获得稳定的力学性能，而过高的时效温度则会严重影响合金的强度。
综上，本发明首先是合理设计了锌基合金体系的成分，以保证锌合金具有足够的力学性能，特别是适用于重载、高温使用环境下的力学性能，同时优化选取了压铸的工艺参数和随后的热处理工艺步骤和参数，从而获得最佳的合金力学性能。
Claims (4)
1.一种锌合金轴承，其特征在于所述锌合金具有如下的化学组成：以重量百分含量计(wt.％)，Al 17-20、Cu 2.5-4.5、Mg 0.05-0.1、Si 1.5-3、Sb 0.02-0.05、Sc 0.05-0.1，余量为Zn和不可避免的杂质；
所述轴承首先按上化学组成熔炼、压铸制备得到锌合金，再对锌合金进行相应热处理，之后对锌合金表面进行精加工以得到最终的轴承产品；
所述熔炼是指先将纯锌置于熔炼炉中加热升温至450-470℃维持5-10min，随后将温度升至820-850℃加入工业纯铝、铝硅合金、铝钪合金和电解铜并持续搅拌直至铝硅合金和电解铜全部熔化，之后降温至680-700℃并加入锌锑合金并持续搅拌直至锌锑合金全部熔化，随后降温至620-650℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少5-10min，之后搅拌熔体并再次升温至720-750℃同时加入精炼剂进行精炼，静置10-15min后，检验熔体成分合格后完成熔炼。
2.根据权利要求1所述的锌合金轴承，其特征在于：所述压铸是将成分合格的熔体降温至550-580℃后压铸到经过预热至180-200℃的模具型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.5-0.8m/s、铸造压力为60-70MPa，充型率超过50％后，提高熔体的流速至3-3.5m/s、铸造压力为90-100MPa，直至充型压铸结束。
3.根据权利要求1所述的锌合金轴承，其特征在于：将压铸铸件在380-400℃条件下均匀化20-24h后水淬至室温后，再升温至120-150℃进行5-10h的时效处理。
4.根据权利要求1所述的锌合金，其特征在于：所述Si为2.5。
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