CN104232999A - 一种耐磨锌合金及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨锌合金，按重量百分比含有：30～40％的Al、2～4％的Cu、4～6％的Si、0.3～0.5％的RE、3～5％的A成分，余量为Zn；所述A成分为Sn和Bi中的一种以上；所述RE为La与Ce的混合稀土。本发明还公开了上述耐磨锌合金的成型方法，采用直接挤压成型。本发明的耐磨锌合金，合金相分布均匀，组织细小，耐磨性能优异。

Description

一种耐磨锌合金及其成型方法

技术领域

本发明涉及锌合金及其制备领域，特别涉及一种耐磨锌合金及其成型方法。

背景技术

随着铜、锡资源日益紧缺，价格日益攀升的背景下，耐磨材料市场，特别在轴承用耐磨件领域，寻求一种新型的耐磨合金以替代铜合金，是耐磨部件发展的重要趋势。其中“以锌代铜”是耐磨零件生产的主要手段。在耐磨锌合金中，锌铝合金是近年来研发出的一种新型耐磨材料，其成本低廉，耐磨性能优异，是当前铜和锡合金的理想替代品，具有十分广阔的市场前景。

在锌合金中，Zn-Al系合金是主要的商用合金系，并在一定场合得到应用，但其耐磨性能仍有待提高，特别在高温高载下易于软化发生严重的粘着磨损，是该合金材料的主要缺点。为进一步提高其耐磨性能，如公开号为101469385、101781725A、102719702A的中国专利均涉及到在Zn-Al合金基础上进一步复合Cu、Si、Mn、Mg、Ti、Ce等元素中的一种或几种，从而开发出具有更高耐磨性能的锌合金。但上述发明专利均为高铝锌合金，由锌-铝二元相图可知，高铝锌合金凝固温度区间较宽，铸态组织中存在粗大的树枝晶，合金性能提高幅度有限。为控制和改善Zn-Al合金的组织和性能，合适的成型工艺甚为关键。

公开号为101280376的中国发明专利采用喷射成形和多道次累积热挤压法制备一种耐磨锌合金，能够实现组织细化，提高合金的硬度及耐磨性能。但该工艺较为复杂，成本较高，不利于实际生产。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种耐磨锌合金，耐磨性能好，可以承受更高载荷及使用温度。

本发明的另一目的在于提供上述耐磨锌合金的成型方法，能够获得均匀细小的显微组织，进一步提高合金的使用性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种耐磨锌合金，按重量百分比含有：30～40％的Al、2～4％的Cu、4～6％的Si、0.3～0.5％的RE、3～5％的A成分，余量为Zn；

所述A成分为Sn和Bi中的一种以上；所述RE为La与Ce的混合稀土。

所述的耐磨锌合金的成型方法，包括以下步骤：

(1)以纯Al、Al-20％Si合金、Al-50％Cu合金、纯Zn、纯Sn、纯Bi、Al-10％RE中间合金为原料，按配方称量物料：30～40％Al、2～4％Cu、4～6％Si、0.3～0.5％RE、3～5％A成分，余量为Zn；所述A成分为Sn和Bi中的一种以上；所述RE为La与Ce的混合稀土；

(2)在660～700℃下熔化纯Al、Al-20％Si、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn、纯Sn、纯Bi，待全部熔化后，降温至600～650℃，搅拌均匀，保温10～15分钟，得到熔体；

(3)用ZnCl₂对熔体进行精炼：采用钟罩法压入ZnCl₂，加入量为熔体质量的0.1～0.2％；

(4)在精炼后的熔体中加入Al-10％RE中间合金，充分合金化后降温至550～600℃，并扒渣；

(5)对步骤(4)得到的熔体进行挤压成型，得到耐磨锌合金。

步骤(5)所述挤压成型，具体为：

浇铸步骤(4)得到的熔体进入挤压模具；在挤压模具下模挤压孔中设置一柱塞，降温至250～350℃时，抽出柱塞，然后施加压力进行挤压成型。

所述挤压成型的挤压比为10:1，挤压压力为500MPa。

本发明的锌合金通过耐磨粒子与减摩相的复合，利用Si和Cu在合金基体中形成起耐磨承载作用的硬质相，Sn或Bi在合金基体中形成具有良好减摩润滑作用的软质点，使合金材料既有一定耐磨性，同时兼具减摩效果，具有更高的抗软化和粘着磨损性能。采用直接挤压成型工艺，使合金材料的组织细小、耐磨性更高。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的耐磨锌合金，包含复合硬质的耐磨相与软质的减摩相，有效地提高合金耐磨性能，可以承受更高载荷及使用温度。

(2)本发明的耐磨锌合金成型方法，采用直接挤压成型工艺，能够获得均匀细小的显微组织，进一步提高合金使用性能。

(3)本发明利用挤压成型制备的耐磨锌合金，原材料来源丰富，成本低廉，熔炼制备温度较低，节约能源。

(4)本发明所开发的耐磨锌合金性能优异，与工业上广泛应用的ZnAl27Cu2Mg相比，硬度显著提高，在不同载荷下摩擦系数和磨损率均显著降低，特别是在高载荷下具有更为优异的耐磨性能。

附图说明

图1为对比例1的铸态ZnAl27Cu2Mg合金光学显微组织图；

图2为本发明的实施例1的铸态Zn-35Al-3Cu-4Si-3Sn合金光学显微组织图；

图3为本发明的实施例2的挤压态Zn-35Al-3Cu-4Si-3Sn合金光学显微组织图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，在此之前，首先给出普通铸造法制备的商用ZnAl27Cu2Mg合金的对比例。需要说明的是，对比例和实施例并不是对本发明保护范围的限制。

对比例1商用ZnAl27Cu2Mg合金的普通铸造法制备

对比例所用原材料包括纯Zn、纯Al、纯Mg、Al-50％Cu中间合金。成型方法为：先按照重量百分比：27％Al、2％Cu、0.01～0.03％Mg，余量为Zn进行配料。在700℃下熔化纯Al、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn，待全部熔化后，用钟罩将0.01～0.03％Mg压入金属液中，人工搅拌使其成分均匀，降温至630～650℃，保温10min。用ZnCl₂对熔体进行精炼。精炼采用钟罩法压入，加入量为熔体质量的0.1％，静置6min，调整金属液温度至580℃，扒渣后浇铸成铸件。

为说明上述合金的组织及其性能特性，本对比例首先制备了金相试样观测组织，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金硬度值。同时制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能，其中，试样尺寸为10mm×10mm×10mm，载荷分别为100N、150N、200N，转速为214r/min，摩擦副材质为GCr15轴承钢，表面硬度达到HRC60～65，直径为50mm，磨损时间10min。

图1为ZnAl27Cu2Mg光学显微组织图。从图1中可以看出，合金组织中主要存在粗大的树枝晶状α相，暗灰色为α+η共析相。该合金硬度值为95HBS。载荷为100N时，摩擦系数为0.2564，磨损率为0.0092mg/m。载荷为150N时，摩擦系数为0.4187，磨损率为0.0140mg/m。载荷为200N时，摩擦系数为0.4541，试样很快发生粘着磨损，磨损率为0.0426mg/m。由此可知，随着载荷的增加，合金的摩擦系数快速升高，磨损率急剧增大，尤其在200N下合金温度升高易于软化，表现出剧烈的粘着磨损，说明合金不能承受更大的载荷。

实施例1 Zn-35Al-3Cu-4Si-3Sn合金的普通铸造法制备

本实施例所用原材料包括纯Zn、纯Al、纯Sn、Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％RE中间合金。成型方法为：先按照重量百分比：35％Al、3％Cu、4％Si、3％Sn、0.3％La与Ce混合稀土，余量为Zn进行配料。在660℃下熔化纯Al、Al-20％Si、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn、纯Sn，待全部熔化后，降温至600℃，搅拌均匀，保温10分钟。用ZnCl₂对熔体进行精炼。精炼采用钟罩法压入，加入量为熔体质量的0.1％，精炼后再加入Al-10％RE中间合金。充分合金化后降温至550℃，扒渣后浇铸成铸件。

为说明上述合金的组织及其性能特性，本对比例首先制备了金相试样观测组织，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金硬度值。同时制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能，其中，试样尺寸为10mm×10mm×10mm，载荷分别为100N、150N、200N，转速为214r/min，摩擦副材质为GCr15轴承钢，表面硬度达到HRC60～65，直径为50mm，磨损时间10min。

图2为铸态的Zn-35Al-3Cu-4Si-3Sn光学显微组织图。从图2中可以看出，合金组织中含有粗大的树枝晶状相，块状硅相，锡软质相以及暗灰色为α+η共析相。该合金硬度值为105HBS。在载荷为100N时，摩擦系数为0.1883，磨损率为0.0080mg/m；载荷为150N时，摩擦系数为0.2724，磨损率为0.0107mg/m；载荷为200N时，摩擦系数为0.3210，磨损率为0.0244mg/m。由此可知，合金的摩擦系数以及磨损率的变化趋势与对比例1相似，但其值相比对比例1已有明显的降低，在200N下也不会出现剧烈的粘着磨损，说明合金耐磨性得到显著改善。

实施例2 Zn-35Al-3Cu-4Si-3Sn合金的挤压制备

本实施例所用原材料包括纯Zn、纯Al、纯Sn、Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％RE中间合金。成型方法为：先按照重量百分比：35％Al、3％Cu、4％Si、3％Sn、0.3％La与Ce混合稀土，余量为Zn进行配料。在660℃下熔化纯Al、Al-20％Si、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn、纯Sn，待全部熔化后，降温至600℃，搅拌均匀，保温10分钟。用ZnCl₂对熔体进行精炼。精炼采用钟罩法压入，加入量为熔体质量的0.1％，精炼后再加入Al-10％RE中间合金。充分合金化后降温至550℃，并扒渣。

浇铸熔体进入挤压模具，挤压模具下模挤压孔中设置一柱塞，防止熔体向下渗漏，降温至250℃时，抽出柱塞，然后施加压力进行挤压成型，其中挤压比为10:1，加压压力为500Mpa。

为说明上述合金的组织及其性能特性，本实施例首先制备了金相试样观测组织，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金硬度值。同时制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能。其中，试样尺寸为10mm×10mm×10mm，载荷分别为100N、150N、200N，转速为214r/min，摩擦副材质为GCr15轴承钢，表面硬度达到HRC60～65，直径为50mm，磨损时间10min。

图3为Zn-35Al-3Cu-4Si-3Sn合金的挤压态光学显微组织照片。本实施例与对比例2具有相同的相组成。其中块状硅相和α相属于硬质相，起耐磨承载作用，η相和锡软质相，具有良好润滑作用，在磨损过程中易于凹陷便于存储润滑油，从而提高合金耐磨性能。本实施例与实施例1不同之处在于，在挤压过程中，合金受到剪切力和三向压应力的作用，粗大的树枝晶状相破碎成为细小粒状，合金组织分布更为均匀，增加了硬质点数目以及硬质点与工件接触几率，同时细小粒状相与基体结合更为牢固，磨损过程中不易于与基体间产生裂纹而发生脱落，从而进一步提高合金的性能。该合金硬度值为123HBS。在载荷为100N时，摩擦系数为0.1005，磨损率为0.0029mg/m；载荷为150N时，摩擦系数为0.1770，磨损率为0.0054mg/m；载荷为200N时，摩擦系数为0.2724，磨损率为0.0134mg/m。与实施例1相比，摩擦系数和磨损率均显著降低，耐磨性提高一倍左右。与对比例1相比，本实施例的锌合金能承受更高的载荷。

实施例3 Zn-30Al-2Cu-5Si-4Sn+Bi合金的制备

本实施例所用原材料包括纯Zn、纯Al、纯Sn、纯Bi、Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％RE中间合金。成型方法为：先按照重量百分比：30％Al、2％Cu、5％Si、4％Sn+Bi、0.4％La与Ce混合稀土，余量为Zn进行配料。在700℃下熔化纯Al、Al-20％Si、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn、纯Sn、纯Bi，待全部熔化后，降温至650℃，搅拌均匀，保温15分钟。用ZnCl₂对熔体进行精炼。精炼采用钟罩法压入，加入量为熔体质量的0.2％，精炼后再加入Al-10％RE中间合金。充分合金化后降温至550℃，并扒渣。浇铸熔体进入挤压模具，挤压模具下模挤压孔中设置一柱塞，防止熔体向下渗漏，降温至300℃时，抽出柱塞，然后施加压力进行挤压成型，其中挤压比为10:1，加压压力为500Mpa。

为说明上述合金的组织及其性能特性，本实施例首先制备了金相试样观测组织，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金硬度值。并制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能，其中试样尺寸为10mm×10mm×10mm，载荷分别为100N、150N、200N，转速为214r/min，摩擦副直径为50mm，磨损时间10min。

本实施例合金与实施例2中的合金具有相似的组织特征，不同之处在于合金相种类及数量。该合金硬度值为112HBS。在载荷为100N时，摩擦系数为0.1231，磨损率为0.0045mg/m；载荷为150N时，摩擦系数为0.2425，磨损率为0.0065mg/m；载荷为200N时，摩擦系数为0.2958，磨损率为0.0161mg/m。

实施例4 Zn-40Al-4Cu-6Si-5Bi合金的制备

本实施例所用原材料包括纯Zn、纯Al、纯Bi、Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％RE中间合金。成型方法为：先按照重量百分比：40％Al、4％Cu、6％Si、5％Bi、0.5％La与Ce混合稀土，余量为Zn进行配料。在680℃下熔化纯Al、Al-20％Si、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn、纯Bi，待全部熔化后，降温至630℃，手动搅拌使其成分均匀，保温13分钟。用ZnCl₂对熔体进行精炼。精炼采用钟罩法压入，加入量为熔体质量的0.15％，精炼后再加入Al-10％RE中间合金。充分合金化后降温至600℃，并扒渣。

浇铸熔体进入挤压模具，挤压模具下模挤压孔中设置一柱塞，防止熔体向下渗漏，降温至350℃时，抽出柱塞，然后施加压力进行挤压成型，其中挤压比为10:1，加压压力为500Mpa。

为说明上述合金的组织及其性能特性，本实施例首先制备了金相试样观测组织，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金硬度值。并制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能，其中试样尺寸为10mm×10mm×10mm，载荷分别为100N、150N、200N，转速为214r/min，摩擦副直径为50mm，磨损时间10min。

本实施例合金与实施例2中的合金具有相似的组织特征，不同之处在于合金相数量显著增加，相对较多。该合金硬度值为118HBS。在载荷为100N时，摩擦系数为0.1324，磨损率为0.0051mg/m；载荷为150N时，摩擦系数为0.2469，磨损率为0.0074mg/m；载荷为200N时，摩擦系数为0.2983，磨损率为0.0182mg/m。

表1为对比例与实施例的性能测试结果。

表1各合金的性能

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种耐磨锌合金，其特征在于，按重量百分比含有：30～40％的Al、2～4％的Cu、4～6％的Si、0.3～0.5％的RE、3～5％的A成分，余量为Zn；

所述A成分为Sn和Bi中的一种以上；所述RE为La与Ce的混合稀土。

2.权利要求1所述的耐磨锌合金的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以纯Al、Al-20％Si合金、Al-50％Cu合金、纯Zn、纯Sn、纯Bi、Al-10％RE中间合金为原料，按配方称量物料：30～40％Al、2～4％Cu、4～6％Si、0.3～0.5％RE、3～5％A成分，余量为Zn；所述A成分为Sn和Bi中的一种以上；所述RE为La与Ce的混合稀土；

(2)在660～700℃下熔化纯Al、Al-20％Si、Al-50％Cu，向熔体中按配方加入纯Zn、纯Sn、纯Bi，待全部熔化后，降温至600～650℃，搅拌均匀，保温10～15分钟，得到熔体；

(3)用ZnCl₂对熔体进行精炼：采用钟罩法压入ZnCl₂，加入量为熔体质量的0.1～0.2％；

(4)在精炼后的熔体中加入Al-10％RE中间合金，充分合金化后降温至550～600℃，并扒渣；

(5)对步骤(4)得到的熔体进行挤压成型，得到耐磨锌合金。

3.根据权利要求2所述的耐磨锌合金的成型方法，其特征在于，步骤(5)所述挤压成型，具体为：

浇铸步骤(4)得到的熔体进入挤压模具；在挤压模具下模挤压孔中设置一柱塞，降温至250～350℃时，抽出柱塞，然后施加压力进行挤压成型。

4.根据权利要求3所述的耐磨锌合金的成型方法，其特征在于，所述挤压成型的挤压比为10:1，挤压压力为500MPa。