CN104451262A

CN104451262A - 一种高耐磨高铝锌基合金及其铸造工艺和浇注系统

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Publication number: CN104451262A
Application number: CN201410781019.4A
Authority: CN
Inventors: 邓新平; 聂雄; 林元祖; 严伟林; 郑战光
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开了一种高耐磨高铝锌基合金及其铸造工艺和浇注系统，所述合金按化学成分的WT％的配比是：Al 11-13、Cu 1.5-2.5、Mg 0.02-0.04、RE0-1.05、Zn余量，各化学成分WT％的配比总和为100％。铸造工艺为先将Al及Al-Cu中间合金混合加热至完全融化，再分别加入Zn、Mg和Al-RE中间合金，充分搅拌，于600-620℃熔炼并用C₂Cl₆除气，在550-580℃浇注。浇注系统铸型为长方体；铸型的宽所在的一个侧面连接浇冒口，相对的侧面连接条状冷铁；另两个侧面分别连接两条石膏条。本发明在ZA12合金的基础上，通过优化合金成分，改善铸件的浇注系统及铸型设计，细化合金组织，显著提高合金力学性能和耐磨性，提供一种综合性能优良、高耐磨性的高铝锌基合金。

Description

一种高耐磨高铝锌基合金及其铸造工艺和浇注系统

技术领域：

本发明合金材料技术领域，具体涉及一种高耐磨高铝锌基合金及其铸造工艺和浇注系统。

背景技术：

高铝锌基合金不仅具有强度高、比重轻和易加工等良好综合机械性能，而且具有很好的耐磨性，是优良的结构材料和减摩材料。高铝锌基合金可以做为滑动轴承材料替代锡青铜、巴氏合金，用于制造蜗轮、轴瓦、轴套等耐磨件，还可以部分替代一些高强度的铸铁、黄铜等材料，具有显著的社会经济效益。尽管高铝锌基合金具有种种优点，但由于该类合金的凝固特性，其铸件易产生缩孔、缩松、偏析等铸造缺陷，且有韧性低的缺点。如何发展和完善这类新型合金的性能成为当今企业需要解决的技术难题。

目前，世界发达国家已经开发了一系列的高铝锌基耐磨材料，供不同工况条件下的轴瓦、轴套、滑块等选用。而国内由于长期受传统观念的影响，绝大多数冶金企业仍然使用常规牌号的ZA27合金。ZA27合金虽然具有良好的性能，但其凝固范围很宽，铸造中易形成缩孔等铸造缺陷，造成其组织稳定性差，尺寸及性能的稳定性较差。ZA12合金的凝固范围较窄，铸造过程中不容易形成缩孔等铸造缺陷，但其抗拉强度和耐磨性都相对较差。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高耐磨高铝锌基合金及其铸造工艺和浇注系统，在ZA12合金的基础上，通过优化合金成分，改善铸件的浇注系统及铸型设计，细化合金组织，显著提高合金力学性能和耐磨性，提供一种综合性能优良、高耐磨性的高铝锌基合金。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高耐磨高铝锌基合金，按化学成分的WT％的配比是：Al 11-13、Cu1.5-2.5、Mg 0.02-0.04、RE 0-1.05、Zn余量，各化学成分WT％的配比总和为100％。

所述合金的原料采用Zn、Al、Mg、RE、Al-Cu中间合金和Al-RE中间合金，各原料组分的添加量按所述合金的化学成分WT％配比进行控制。

所述RE的组分及其质量百分比为：铈Ce58％、镧La29％、钕Nd9％、其余为钪Sc。

所述Al-Cu中间合金含质量比30％的Cu；Al-RE中间合金含质量比9％的RE。

一种高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺，先将Al及Al-Cu中间合金混合加热至完全融化，再分别加入Zn、Mg和Al-RE中间合金，充分搅拌，于600-620℃熔炼并用C₂Cl₆除气，在550-580℃浇注。

一种高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺所用的浇注系统，所述浇注系统的铸型为长方体；铸型的宽所在的一个侧面连接浇冒口，相对的侧面连接条状冷铁；另两个侧面分别连接两条石膏条。

所述冷铁采用灰铸铁。

本发明的显著优点在于：

在ZA12合金的基础上，通过添加混合稀土优化合金成分，细化合金组织，通过改进铸型优化铸件纵向方向的顺序凝固效果，显著提高合金力学性能和耐磨性，使所述合金高载时(P>1000N)耐磨性提高了两倍，抗拉强度提高37.5％。

附图说明

图1为本发明一种高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺所用的浇注系统结构示意图；图中，1-铸型，2-浇冒口，3-条状冷铁，4-石膏条，5-温度探测孔；

图2为本发明合金的UTS－f_i关系曲线图；其中：f_i-凝固指数，UTS-抗拉强度；

图3为本发明合金的f_i－RE关系曲线图；

图4为本发明合金的UTS－RE关系柱状图：

图5为本发明合金的P-V特征曲线图，图中：

A、为未加入RE的本发明合金的P-V特征曲线，

B、为含质量比1.05％RE的本发明合金的P-V特征曲线，

C、为含质量比0.068％RE的本发明合金的P-V特征曲线，

D、为含质量比0.104％RE的本发明合金的P-V特征曲线，

E、为含质量比0.23％RE的本发明合金的P-V特征曲线；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不构成对本发明保护范围的限制。

实施例1：

一种高耐磨高铝锌基合金，按化学成分的WT％的配比是：Al 11、Cu 1.5、Mg 0.02、RE 0.068、Zn 87.412。

原料采用含质量比99.96％锌的锌品、含质量比99.5％铝的铝品、纯镁、混合稀土、含质量比30％Cu的Al-Cu中间合金和含质量比9％RE的Al-RE中间合金，其中混合稀土中含质量比：铈Ce58％、镧La29％、钕Nd9％、其余为钪Sc。Al-RE中间合金制备方法是：按照RE质量比9％，其余为Al，混合加热到熔化制成；Al-Cu中间合金制备方法是：按Cu质量比30％，其余为Al，混合加热到熔化制成。各原料组分的添加量按所述合金的化学成分WT％配比进行控制。

如图1所示，浇注系统的铸型为270mm×180mm×22mm的长方体。条状冷铁用灰铸铁制成，尺寸为220mm×45mm×25mm，浇冒口和条状冷铁分别连接铸型的宽所在的两个侧面，另两个侧面分别连接预制烘干的两条石膏条，石膏条的尺寸270mm×50mm×22mm。

在铸型的轴线上分别设置5个温度探测孔5，间隔50mm，每个温度探测孔5中各安放一支镍铬-镍硅热电偶，所述热电偶插入铸型的深度约为铸型厚度的一半。所述热电偶用双孔陶瓷管作为保护套，与函数记录仪相连，函数记录仪事先标定好，记录并绘制出铸件各部位的冷却曲线，由该冷却曲线确定凝固时间t、温度梯度G、凝固速度R，从而计算出凝固指数fi。

所述高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺，先将Al及Al-Cu中间合金混合加热至完全融化，再分别加入Zn、Mg和Al-RE中间合金，充分搅拌，于600-620℃熔炼并用C₂Cl₆除气，在550-580℃浇注。

实施例2：

一种高耐磨高铝锌基合金，按化学成分的WT％的配比是：Al 12、Cu 2.0、Mg 0.03、RE 0.104、Zn 85.866。其余同实施例1。

实施例3：

一种高耐磨高铝锌基合金，按化学成分的WT％的配比是：Al 12、Cu 2.0、Mg 0.03、RE 0.23、Zn 85.74。其余同实施例1。

实施例4：

一种高耐磨高铝锌基合金，按化学成分的WT％的配比是：Al 13、Cu 2.5、Mg 0.04、RE 1.05、Zn 83.41。其余同实施例1。

实施例5：

一种高耐磨高铝锌基合金，按化学成分的WT％的配比是：Al 13、Cu 2.5、Mg 0.04、RE 0.00、Zn 84.46。其余同实施例1。

把实施例1-5所得的板状铸件分别先铣后车制成标准拉伸试样和磨损试件，进行拉伸试验和磨损试验。

由数理统计和线性回归理论，凝固指数f_i与抗拉强度UTS存在以下公式的关系：

logUTS＝3.543－0.378logf_i。

如图2所示是抗拉强度与凝固指数的关系曲线图。

如图4的试验数据说明，本发明的合金抗拉强度值UTS为224～330Pa，当RE含量为质量比0.50－1.05％范围内时，本发明的合金具有较好的抗拉强度值；当RE含量为质量比0.068％时，抗拉强度值UTS最高为330Pa，比未含RE的合金抗拉强度提高37.5％。

由公式

V = \frac{π L^{4} \cdot D / d}{32 d}

计算磨损试件磨损体积，其中L为磨损试件磨痕宽度，d为磨损试件的直径，D为配对件的外径。

P-V特征曲线如图5所示，磨损体积在高载荷时V＝(14～60.8)×10^－2mm³，较未加入稀土的高铝锌基合金减小一倍。结论为：本发明加入混合稀土的合金，在高载时(>1000N)耐磨性得到明显提高，本发明的合金在RE含量为质量比0.23％时耐磨性最好，达到未加入RE时的两倍。

Claims

1.一种高耐磨高铝锌基合金，其特征在于，按化学成分的WT％的配比是：Al 11-13、Cu 1.5-2.5、Mg 0.02-0.04、RE 0-1.05、Zn余量，各化学成分WT％的配比总和为100％。

2.如权利要求1所述的一种高耐磨高铝锌基合金，其特征在于，所述合金的原料采用Zn、Al、Mg、RE、Al-Cu中间合金和Al-RE中间合金，各原料组分的添加量按所述合金的化学成分WT％配比进行控制。

3.如权利要求2所述的一种高耐磨高铝锌基合金，其特征在于，所述RE的组分及其质量百分比为：铈Ce58％、镧La29％、钕Nd9％、其余为钪Sc。

4.如权利要求2所述的一种高耐磨高铝锌基合金，其特征在于，所述Al-Cu中间合金含质量比30％的Cu；Al-RE中间合金含质量比9％的RE。

5.如权利要求2所述的一种高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺，其特征在于，先将Al及Al-Cu中间合金混合加热至完全融化，再分别加入Zn、Mg和Al-RE中间合金，充分搅拌，于600-620℃熔炼并用C₂Cl₆除气，在550-580℃浇注。

6.如权利要求5所述的一种高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺所用的浇注系统，其特征在于，所述浇注系统的铸型为长方体；铸型的宽所在的一个侧面连接浇冒口，相对的侧面连接条状冷铁；另两个侧面分别连接两条石膏条。

7.如权利要求6所述的一种高耐磨高铝锌基合金的铸造工艺所用的浇注系统，其特征在于，所述冷铁采用灰铸铁。