CN103993200A

CN103993200A - 一种含硅的耐磨锌基合金及其制备方法

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Publication number: CN103993200A
Application number: CN201410180169.XA
Authority: CN
Inventors: 田长文; 张新恩; 徐明贤; 荣晓宇
Original assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103993200B

Abstract

本发明涉及一种含硅的耐磨锌基合金及其制备方法，其成分质量百分比为：20.0～35.0％Al、0.8～5.5％Cu、1.5～5.5％Si、0.005～0.03％Mg、0.05～0.20％Sr、0.02～0.10％Ti、0.002～0.01％C，余为锌及不可避免的杂质。首先熔化电解铝、电解铜、锌锭及Al-Si中间合金，然后除渣除气；再加入预热的Mg-Al中间合金/金属镁、Al-Sr中间合金、Al-Ti-C中间合金；全部熔化后搅匀，静置后浇注成型。本发明通过添加Sr使合金铸态组织中Si相呈里细小的粒状、球状均匀分布，通过添加Ti、C元素，细化合金的基体组织，进一步促进Si相组织均匀分布，提高合金的耐磨性能和综合力学性能。

Description

一种含硅的耐磨锌基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承材料，提供了一种含硅的耐磨锌基合金及其制备方法。

背景技术

含铝20～40％的高铝锌基合金具有优良的综合力学性能、轴承性能、无火花、非磁性、减震降噪和阻尼性能等。与铜合金相比，原材料成本低、资源丰富，熔化能耗少，密度小(4.3～5.2g/cm3)。用于代替锡青铜、铝青铜等铜合金，制造轴瓦、轴套、蜗轮、螺母、轴承保持架、导板等部件，在机械制造领域应用，表现出良好的使用性能。

许多研究已表明，在高铝锌基合金中添加适量的硅，显著提高合金的耐磨性。由于硅在铝和锌中的溶解度很小，硅主要以初生硅相的形式存在于组织中。硅相的显微硬度为757HV，因此合金的耐磨性显著提高。但是，硅相的形状、尺寸大小及分布对合金的力学性能、耐磨性能有很大影响。硅相呈粗大的板块状，对合金的基体组织具有割裂作用，对力学性能和耐磨性能都有不利影响。硅相呈细小的粒状、团球状有利于提高合金的耐磨性和力学性能。

严彪等发明了一种高耐磨锌铝合金及其制备方法(CN101280376A)，成分质量百分比为：25～40％Al、1～5％Cu、1～10％Si，余为锌。通过喷射成型和多道次累积变形热挤压法，来实现普通铸造无法达到的硅颗粒的细小均匀分布。该制备方法虽然通过多道次累积变形热挤压法细化了硅相，但无法实现复杂零件的成型。施忠良等发明了高体积分数硅(5～30vol％)的耐磨锌铝合金半固态共凝法(CN1328167A)，即将含铝量低的锌铝合金或纯锌熔体与处于半固态下的过共晶铝硅合金熔体混合，其中过共晶铝硅合金辅以磷变质或/和机械搅拌，实现硅相的破碎和均匀性。赵浩峰等发明了含硅3～6％的锌基合金(CN1289855A)，成分质量百分比为：25～40％Al、0～5％Cu、3～6％Si，0～0.1％Mg、余为锌。该发明采用钠盐、钾盐、钙盐及稀土混合物细化硅相。韩富银等研究了钠盐变质及振动对Zn-27％Al-3～4％Si(质量百分比)的合金中硅相的影响(《材料科学与工艺》2005年第13卷第2期)，钠盐变质可以细化初生硅相。

采用盐类化合物细化锌基合金组织中的硅相容易产生夹渣，工艺不稳定。盐类化合物在高温下分解会产生有毒气体，对环境和操作工人健康不利。另外，盐类细化剂对坩埚有腐蚀作用，会缩短坩埚的使用寿命。

司松海等发明了一种新型耐磨多元锌基合金(CN101386934A)，成分质量百分比为2.5～3.5％Si，0.1～0.27％RE，0.1～0.2％Ni-Ti合金(50％Ni、50％Ti)、0.1～0.2％Cr、27～29％Al、2.0～2.5％Cu、0.01～0.02％Mg，余为锌。Ni-Ti合金(50％Ni、50％Ti)熔点高，在熔体中熔化速度慢。专利CN1046563A公开了一种高铝锌基耐磨合金，用于机械行业不同工况条件下工作的轴瓦、轴套、蜗轮等耐磨零件。该合金的最佳成分配比为(质量百分比):43％Al、3.5％Cu、0.8％Si、0.03％Mg，余为锌。合金组织为软基体上分布着硬质点，使合金的耐磨性能大大提高，并且具有较高的强度和硬度。但都没有说明硅相的细化方法。

夏兰廷等(《铸造设备与工艺》2009年第5期)研究了添加Bi对含硅2.4～6％的ZA40合金硅相形态及时效尺寸变化率的影响，Bi对含40％Al的高铝锌基合金组织的初生硅相具有细化作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，而提供一种含硅的耐磨锌基合金及其制备方法。本发明优化设计了合金的成分、组织结构。通过采用中间合金的形式，加入可细化锌基合金组织中的硅相的元素锶，避免用钠、钾等盐类变质剂的缺点，改善含硅耐磨锌基合金的硅相组织分布，提高锌基合金的耐磨性以及综合性能。关于采用锶细化锌基合金组织中的硅相未见有关研究报道。

本发明采取的技术方案为：

一种含硅的耐磨锌基合金，其成分质量百分比为：20.0～35.0％Al、0.8～5.5％Cu、1.5～5.5％Si、0.005～0.03％Mg、0.05～0.20％Sr、0.02～0.10％Ti、0.002～0.01％C，杂质元素含量控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为锌。

所述的含硅的耐磨锌基合金，其成分质量百分比优选范围为：25.0～30.0％Al、1.8～3.0％Cu、2.0～3.0％Si、0.01～0.02％Mg、0.08～0.15％Sr、0.04～0.06％Ti、0.004～0.006％C，杂质元素含量控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为锌。

所述的含硅的耐磨锌基合金，其最佳成分质量百分比为：26.5％Al、2.3％Cu、2.5％Si、0.015％Mg、0.12％Sr、0.05％Ti、0.005％C，杂质元素含量控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为锌。

上述含硅的耐磨锌基合金的制备方法，包括步骤如下：

(1)在坩埚中同时加入电解铝、电解铜、锌锭、Al-Si中间合金，升温熔化，熔化控制温度670--730℃，待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，静置后扒渣；

(2)加入预热温度200-300℃的Mg-Al中间合金或金属镁，再加入预热温度200-300℃的Al-Sr中间合金，然后再加入预热温度200-300℃的Al-Ti-C中间合金；

或者同时加入预热温度均为200-300℃的Mg-Al中间合金、Al-Sr中间合金和Al-Ti-C中间合金。

(3)待中间合金全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10至15分钟，在620-650℃浇注成型。

上述制备方法中所述的的Al-Sr中间合金优选Al-5％Sr中间合金或Al-10％Sr中间合金。所述的Al-Ti-C-B中间合金优选Al-5Ti-0.5C中间合金。所述的Mg-Al中间合金优选Mg-10％Al中间合金。

上述熔化合金的设备包括感应熔炼炉、电阻坩埚炉、焦炭坩埚炉、燃气坩埚炉等熔炼设备。采用金属型重力铸造、砂型铸造、低压铸造、挤压铸造等方法，可铸造成型轴瓦、轴套、蜗轮、螺母、导板等零部件。

各组元在合金中的作用如下：铝在合金中的主要作用是提高合金的强度、硬度和塑性。铜主要是细化合金的组织，提高合金的强度、硬度，耐磨性。硅提高合金的强度、硬度，特别是耐磨性。镁提高合金的强度、硬度。锶主要是细化合金组织中的初生硅相。加入锶后，初生硅相得到细化，呈粗大的条状、板块状的初生硅相(最大可达50μm)消失，随着锶加入量增加，硅相逐渐细化、粒化，有些硅相呈球状，分布更加均匀细小，在最佳锶含量范围内，硅相尺寸在10μm以下。随着合金中硅含量的增加，锶加入量也应相应增加。Ti、C主要是细化合金的基体组织富铝α相。合金中加入Ti、C后，形成TiAl3相、TiC相、等粒子，这些粒子作为富铝α相的晶核，促使基体组织富铝α相细化，形成等轴晶组织，合金的塑韧性提高。富铝α相的细化也促进了硅相的分布更加均匀。关于锶对硅相的影响见图1至图3，合金的基础成分质量百分比为：27.5％Al、2.41％Cu、2.41％Si、0.015％Mg、0.05％Ti、0.005％C，余为锌。图1未加Sr，初生硅相呈大块状，有些成条状或板块状。图2加入0.093％Sr，图3加入0.12％Sr。加入锶后，粗大的块状、条状的初生硅相消失，初生硅相尺寸减小，呈细小的粒状，有些呈球状，分布均匀。

在所述的成分范围内，合金的力学性能如下：抗拉强度为340～400MPa，延伸率1～4％，布氏硬度HB110～135。合金的耐磨性比ZA27锌基合金提高3倍以上。

本发明通过加入适量的Si，提高合金的耐磨性，通过添加Sr使合金铸态组织中Si相分布细小均匀，通过添加Ti、C元素，细化合金的基体组织，提高锌基合金的耐磨性以及综合性能。

附图说明

图1为基础合金未加Sr时按实施例4的制备方法得到的产品的硅相分布图；

图2为基础合金加入0.093％Sr时按实施例4的制备方法得到的产品的硅相分布图；

图3为基础合金加入0.12％Sr时按实施例4的制备方法得到的产品的硅相分布图。

图4为实施例1得到的产品的硅相分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明进一步具体说明。

实施例1

按照成分配比(质量百分比)，26.5％Al、2.3％Cu、2.5％Si、0.015％Mg、0.12％Sr、0.05％Ti、0.005％C，杂质元素控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为Zn。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭、Al-20％Si中间合金，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为260℃的Mg-10％Al中间合金、Al-10％Sr中间合金、Al-5Ti-0.5C中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟，采用金属型铸造，浇注温度630℃。合金的力学性能为：抗拉强度为385MPa，延伸率2.0％，布氏硬度HB120～125。

实施例2

按照成分配比(质量百分比)，25.0％Al、2.0％Cu、2.0％Si、0.01％Mg、0.08％Sr、0.05％Ti、0.005％C，杂质元素控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为Zn。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭、Al-20％Si中间合金，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为260℃的Mg-10％Al中间合金、Al-10％Sr中间合金、Al-5Ti-0.5C中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟，采用金属型铸造，浇注温度630℃。合金的力学性能为：抗拉强度为366MPa，延伸率2.5％，布氏硬度HB115～122。

实施例3

按照成分配比(质量百分比)，30.0％Al、3.0％Cu、3.0％Si、0.02％Mg、0.012％Sr、0.05％Ti、0.005％C，杂质元素控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为Zn。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭、Al-20％Si中间合金，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为260℃的Mg-10％Al中间合金、Al-10％Sr中间合金、Al-5Ti-0.5C中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟，采用金属型铸造，浇注温度630℃。合金的力学性能为：抗拉强度为387MPa，延伸率2.0％，布氏硬度HB125～130。

实施例4

按照成分配比(质量百分比)，27.5％Al、2.41％Cu、2.41％Si、0.015％Mg、0.012％Sr、0.05％Ti、0.005％C，杂质元素控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为Zn。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭、Al-20％Si中间合金，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为260℃的Mg-10％Al中间合金、Al-10％Sr中间合金、Al-5Ti-0.5C中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟，采用金属型铸造，浇注温度630℃。合金的力学性能为：抗拉强度为392MPa，延伸率2.2％，布氏硬度HB125～130。

Claims

1.一种含硅的耐磨锌基合金，其特征是，其成分质量百分比为：20.0～35.0％Al、0.8～5.5％Cu、1.5～5.5％Si、0.005～0.03％Mg、0.05～0.20％Sr、0.02～0.10％Ti、0.002～0.01％C，杂质元素含量控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为锌。

2.根据权利要求1所述的一种含硅的耐磨锌基合金，其特征是，其成分质量百分比为：25.0～30.0％Al、1.8～3.0％Cu、2.0～3.0％Si、0.010～0.02％Mg、0.08～0.15％Sr、0.04～0.06％Ti、0.004～0.006％C，杂质元素含量控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为锌。

3.根据权利要求2所述的一种含硅的耐磨锌基合金，其特征是，其成分质量百分比为：26.5％Al、2.3％Cu、2.5％Si、0.015％Mg、0.12％Sr、0.05％Ti、0.01％B，0.005％C，杂质元素含量控制范围为：≤0.1％Fe、≤0.004％Pb、≤0.002％Sn、≤0.003％Cd，余量为锌。

4.权利要求1-3任一项所述的一种含硅的耐磨锌基合金的制备方法，其特征是，包括步骤如下：

(1)在坩埚中加入电解铝、电解铜、锌锭、Al-Si中间合金，升温熔化，熔化控制温度670--730℃，待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，静置后扒渣；

(2)加入预热温度200-300℃的Mg-Al中间合金或金属镁，再加入预热温度200-300℃的Al-Sr中间合金，然后加入预热温度200-300℃的Al-Ti-C中间合金；

或者同时加入预热温度均为200-300℃的Mg-Al中间合金、Al-Sr中间合金和Al-Ti-C中间合金；

(3)待中间合金全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置，在620-650℃浇注成型。

5.根据权利要求4所述的一种含硅的耐磨锌基合金的制备方法，其特征是，所述Al-Si中间合金选Al-10～20％Si中间合金，所述的Mg-Al中间合金选Mg-10％Al中间合金。

6.根据权利要求4所述的一种含硅的耐磨锌基合金的制备方法，其特征是，所述的Al-Sr中间合金选Al-5％Sr中间合金或Al-10％Sr中间合金；所述的Al-Ti-C中间合金选Al-5Ti-0.5C中间合金。