CN107177755B

CN107177755B - 高强度高耐磨锌基合金、其铸件制备方法及专用装置

Info

Publication number: CN107177755B
Application number: CN201710604235.5A
Authority: CN
Inventors: 程鹏
Original assignee: Yantai Rui Feng New Mstar Technology Ltd
Current assignee: Yantai Rui Feng new Mstar Technology Ltd
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: CN107177755A

Abstract

本发明是一种高强度高耐磨的锌基合金及其铸件制备方法。合金为锌基合金，含有铝、铜、镁、锰、钛、硼、镍、硅、锌、稀土、锶、铁和其他不可避免的杂质元素。本发明具有良好的切削性能和优异的机械性能，生产成本低，在国内外都有竞争优势，本发明可大范围替代锡青铜，大幅度降低企业生产成本。

Description

高强度高耐磨锌基合金、其铸件制备方法及专用装置

技术领域

本发明涉及一种锌基合金，具体涉及一种高强度高耐磨的锌基合金。本发明还涉及所述高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备方法。本发明还涉及所述锌基合金铸件制备的专用压铸冷却装置。

技术背景

因为具有耐磨性好的特点，铜合金一直被广泛研究，但由于强度较低耐磨性能一般，其应用范围受到了很大限制。

目前，国内机械制造企业基本还是选用铜合金作为减磨配件，其中ZCuSn6Zn6Pb3、ZCuSn10Pb1、ZCuSn10Pb5应用比较广泛。但实际上，有许多铜合金的零部件生产达不到其力学性能要求。

出现以上问题的主要原因在于：第一、现有合金成分和制备工艺决定了其性能的局限。第二、传统的合金重力铸造装置通常是在将金属液体浇铸于铸钢模具内，然后自然冷却，这样会使合金的内部产生补缩不足，冷却速度缓慢，造成合金铸件缩孔和缩松，晶粒粗大，从而导致合金的强度、硬度和耐磨性都难以达到零部件生产要求。依照这种传统方法所得合金制成的蜗轮、螺母强度较低，经常会出现内齿断裂的现象。在高压的工作情况下，由此合金制成的轴套，其耐磨性也往往不尽如人意。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有优异切削加工性能和机械性能的高强度高耐磨的锌基合金、其铸件制备方法以及专用压铸冷却装置。

本发明的技术方案如下：

一种高强度高耐磨的锌基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：AL26～37％、Cu2～4％、Mg0.02～0.06％、Mn0.5～1％、Ti0.1～0.5％、B0.03～0.1％、Ni0.5～1％，Si1～3％、Zn51～62％，X 1～3％，其他杂质总和≤0.2％；其中X是晶粒细化球化添加剂，X中重量百分比组成为：混合稀土65％(含Ce≥45％)，Sr15％和Fe20％。

其合金重量百分比组成可以优选为：AL30.2％、Cu3.53％、Mg0.03％、Mn0.94％、Ni0.5％、Si2.55％、Ti0.25％、B0.05％、X1.8％，余量为Zn及杂质。

其合金重量百分比组成可以优选为：AL30.15％、Cu3.55％、Mg0.027％、Mn0.97％、Ni0.53％、Si2.57％、Ti0.23％、B0.04％、X1.75％，余量为Zn及杂质。

其合金重量百分比组成可以优选为：AL30.3％、Cu3.5％、Mg0.027％、Mn0.9％、Ni0.58％、Si2.56％、Ti0.25％、B0.05％、X1.78％，余量为Zn及杂质。

所述的高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备方法，按照以下步骤制备而成：电阻炉内加热铝锭、锌锭、铜、硅、锰和镍，等合金熔化后除气，压入镁块，钛硼变质后X变质，二次除气打渣后，锌基合金高温状态下浇铸铸件。

所述浇铸铸件的方法是：对高温状态下的锌基合金在加压条件下实施循环水冷却，循环水冷却中低温水进口位置低于高温水出口位置以确保冷却水自低位至高位温度逐步提高，金属凝固顺序为由下往上。

优选地，所述加压条件是指加载550～650MPa的压强。

所述的高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备的专用压铸冷却装置，它包括冷却罐，冷却罐的侧壁上分别设有进水口和出水口，出水口的位置高于进水口，其特征在于：冷却罐内纵向设有铸钢模具，铸钢模具的顶端开口并在该开口端安装有用于向铸钢模具内液体合金加压的压力机冲头；铸钢模具的下端固定在冷却罐的内底面上；所述的冷却罐的底端开设有与铸钢模具内腔相通的通孔，并在该通孔中安装有可上下移动的顶杆。

本发明的积极效果在于：

一、本发明在合金中添加Ti，B和X，具有复合细化金属晶粒的比较显著的效果，从而提高了合金的综合力学性能。其中Ti和B能够细化合金晶粒，提高力学性能；X能够球化晶粒，提高合金耐磨性能。X中主要含有混合稀土(含Ce≥45％)，Sr和Fe。Sr能够避免偏析作用，使合金材料更均匀。微量的Fe可以改善B化物的性质，当Fe和Ti元素分布均匀，能够使合金内质点细小而分散，消除了B化物的聚集。

本发明中，Si以微小颗粒状态镶嵌在基体内，能够达到耐磨的作用。Cu有助于合金的总体加工性能，有助于提高合金热加工时的塑性，增强热处理强化效果，降低合金的各向异性。Mg有助于微细弥散相的形成和阻止热加工及热处理过程中再结晶的发生。Zn的加入能够提高材料的耐磨性能和自润滑效果。Mn和Ni的组合添加，能够提高合金高温加热下的强度。

本发明的锌基合金具有良好的易切削性，优异的机械性能以及优异的耐磨性，可替代现有的部分铜合金，广泛应用于制造蜗轮、轴套、轴瓦、螺母、滑块等产品。

二、本发明的锌基合金采用在高温状态下浇铸于钢模内，然后在高压状态下利用循环水下冷却的制备方法，据此得出的合金晶粒更加微小，内部结构更加致密、均匀，能够更好地消除因重力铸造自然冷却导致的铸件缩孔和缩松，减小了传统铸造的冒口尺寸，对于气密性、水密性零件具有显著优势，同时，提高了金属溶液利用率和生产效率，能够进一步提高铸件的强度、硬度及耐磨性。且顶出方法更加灵活，可按铸件使用要求做出相应调整。

金属液体在压力作用下发生流变充型、结晶凝固和流变补缩，最终获得内部致密、外观光洁、尺寸精确的铸件，比普通重力铸造仅靠重力补缩更容易获得致密铸造件，消除了传统铸件的缩孔和缩松缺陷，内部组织致密、均匀、晶粒细小。在循环水的冷却下，金属凝固顺序由下往上，补缩效果更好，晶粒微小致密，金属液体在快冷状态下凝固，铸件强度和硬度增加幅度很大，远远超出传统铸造的性能指标。

三、采用本发明合金生产的产品具有优异的机械性能以及优异的耐磨性；生产成本低，在国内外市场都具有竞争优势，可大范围替代锡青铜。

附图说明

图1是本发明专用压铸冷却装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明的三个实施例分别对应于表1中试样1、试样2和试样3的铸件制备，按表1具体的合金成分分别进行铸造。

表1试样化学成分(质量％)

其中X是晶粒细化球化添加剂，X中重量百分比组成为：混合稀土65％(含Ce≥45％)，Sr15％和Fe20％。上述三个实施例所采用的晶粒细化球化添加剂中，混合稀土均满足Ce≥45％的条件，具体选用了淄博伟杰稀土有限公司生产的镧系混合稀土。

工艺流程如下：电阻炉内加热铝锭、锌锭、铜、硅、锰和镍，等合金熔化后除气，压入镁块，钛硼变质后X变质，二次除气打渣后，锌基合金高温状态下浇铸铸件。

具体流程如下：

一、按比例向电阻炉内加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金和铝镍中间合金，加热至650℃合金熔化；

二、除气：采用张家港溶剂厂生产的除气除渣添加剂，用钟罩压入液体底部；

三、温度达到600℃后，按比例压入镁块，用钟罩压入液体底部，溶化后搅拌1分钟；

四、钛硼变质：温度处于600℃时，采用钛硼添加剂，成块状，用钟罩压入液体底部，溶化后搅拌1分钟；

五、X变质：升温至650℃使X变质，成块状，用钟罩压入液体底部，溶化后搅拌1分钟；

六、二次使用张家港溶剂厂生产的除气除渣添加剂对液体合金进行处理，静置10分钟后撇去上层氧化浮渣；

七、锌基合金保持在650℃高温状态下浇铸铸件：对650℃高温状态下的锌基合金在加压条件下(最佳压强为600MPa)实施循环水冷却，循环水冷却中低温水进口位置低于高温水出口位置以确保冷却水自低位至高位温度逐步提高，金属凝固顺序为由下往上。具体采用以下专用装置进行：

如图1所示，本专用装置包括冷却罐3，冷却罐3坐落安装在底座6上。冷却罐3的侧壁上设有进水口4，冷却罐3上进水口4对侧的侧壁上设有出水口7，出水口7的位置高于进水口4，以确保金属凝固顺序由下往上。循环冷却水从进水口4进入冷却罐3，从出水口7流出冷却罐3。

冷却罐3中纵向设有铸钢模具2，铸钢模具2的顶端开口并在该开口端安装有用于向铸钢模具2内液体合金加压的压力机冲头1。铸钢模具2的下端固定在冷却罐3的内底面上。

所述的冷却罐3的底端开设有与铸钢模具2内腔相通的通孔。并在该通孔中安装有可上下移动的顶杆5。通孔内壁与顶杆5外壁之间的间隙确定原则：确保顶杆5能够上下运动的前提下该间隙尽量小(比如5丝)以防止漏出液体合金。在液体合金冷却凝固前，顶杆5起到密封作用防止液体合金流出。在液体合金冷却凝固后，向上推动顶杆5，由下至上将合金从铸钢模具2中顶出，使合金铸件取出的方式更加便捷。

本专用装置，其使用方法如下：将液体合金浇铸于铸钢模具2内。将压力机冲头1快速压下，作用于液体合金表面。将循环冷却水由进水口4注入冷却罐3中，由出水口7流出冷却罐3，同时压力机冲头1持续保持一定的压力，直至液体合金冷却凝固。向上提拉压力机冲头1使脱离铸钢模具2，将顶杆5由下至上将合金铸件从铸钢模具2中顶出。

本发明实施例三个试样的力学性能参数见表2。

表2试样力学性能

说明：1、耐磨试验，MR-H5型高速环块磨损试验机测试，得到三个试样的摩擦系数。

2、依据本领域技术常识可知，摩擦系数越低，耐磨性越好，由表2看出，本发明试样的耐磨性能(在0.015-0.018之间)明显高于锡青铜(在相同试验条件下为0.038-0.068)。

3、依据本领域技术常识可知，抗拉强度、拉伸屈服强度以及布氏硬度越高，其相应性能越好，本发明试样的抗拉强度(在437-455之间)、拉伸屈服强度(在402-425之间)以及布氏硬度(在176-185之间)明显高于锡青铜(在相同试验条件下，抗拉强度在195-300之间、拉伸屈服强度在104-180之间以及布氏硬度在68-100之间)。

Claims

1.一种高强度高耐磨的锌基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：A126～37%、Cu2～4%、Mg0.02～0.06%、Mn0.5~1%、Ti0.1～0.5%、B0.03～0.1%、Ni0.5～1%，Si1～3%、Zn51～62%，X 1～3%，其他杂质总和≤0.2%；其中X是晶粒细化球化添加剂，X中重量百分比组成为：混合稀土65%，Sr15%和Fe20%，其中混合稀土含Ce≥45%。

2.根据权利要求1所述的高强度高耐磨的锌基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：A130.2%、Cu3.53%、Mg0.03%、Mn0.94%、Ni0.5%、Si2.55%、Ti0.25%、B0.05%、X1.8%，余量为Zn及杂质。

3.根据权利要求1所述的高强度高耐磨的锌基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：A130.15%、Cu3.55%、Mg0.027%、Mn0.97%、Ni0.53%、Si2.57%、Ti0.23%、B0.04%、X1.75%，余量为Zn及杂质。

4.根据权利要求1所述的高强度高耐磨的锌基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：A130.3%、Cu3.5%、Mg0.027%、Mn0.9%、Ni0.58%、Si2.56%、Ti0.25%、B0.05%、X1.78%，余量为Zn及杂质。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备方法，其特征在于按照以下步骤制备而成：电阻炉内加热铝锭、锌锭、铜、硅、锰和镍，等合金熔化后除气，压入镁块，钛硼变质后X变质，二次除气打渣后，锌基合金高温状态下浇铸铸件。

6.根据权利要求5所述的高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备方法，其特征在于所述浇铸铸件的方法是：对高温状态下的锌基合金在加压条件下实施循环水冷却，循环水冷却中低温水进口位置低于高温水出口位置以确保冷却水自低位至高位温度逐步提高，金属凝固顺序为由下往上。

7.根据权利要求6所述的高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备方法，其特征在于所述加压条件是指加载550～650 MPa的压强。

8.用于权利要求5或6或7所述的高强度高耐磨的锌基合金的铸件制备方法的专用压铸冷却装置，它包括冷却罐，冷却罐的侧壁上分别设有进水口和出水口，出水口的位置高于进水口，其特征在于：冷却罐内纵向设有铸钢模具，铸钢模具的顶端开口并在该开口端安装有用于向铸钢模具内液体合金加压的压力机冲头；铸钢模具的下端固定在冷却罐的内底面上；所述的冷却罐的底端开设有与铸钢模具内腔相通的通孔，并在该通孔中安装有可上下移动的顶杆。