（材料加工工程专业论文）锌基合金的磨损性能和铸造工艺研究.pdf

硕士学位论文 摘要 锌铝基合金具有优良的力学、摩擦学性能，可以部分代替锡青铜制造减摩、耐磨零件， 添加s i 可进一步提高其耐磨性。本文研究了z a 2 7 o 2 s i 合金在不同载荷和滑动速度下 的干滑动磨损性能，并与z c u s n 5 p b 5 z n 5 锡青铜进行了对比，目的是对锌铝合金替代锡 青铜的范围作一评价，为实际生产提供依据；另外，以某机床用轴套为对象，研究了该 合金的铸造工艺。 摩擦实验在3 号销盘式摩擦试验机上进行，滑动速度为0 1 i i l s o 7 1 1 1 s ，载荷为1 k g 9 k g ，磨损时间为2 0 m i n 。结果发现：z a 2 7 0 2 s i 锌合金在低速高载的情况下表现出优异 的耐磨性能，而z c u s n 5 p b 5 z n 5 锡青铜则适合在低载，低速下使用，即锌基合金具有比 铜合金更广的使用范围。随着载荷的增加，z a 2 7 0 2 s i 合金的磨损机理由开始的粘着和 微切削磨损到伴随着粘着的磨粒磨损，最后到塑性变形诱导磨损和剥层磨损；随着速度 的增加，切削磨损加剧，最后由于试样表面温度的升高，发生涂抹；磨损试样表层与亚 表层的结构决定了合金的摩擦性能，转移层的形成提高了合金的耐磨性能。锡青铜的磨 损机理为磨粒磨损，在高载时，铜合金由于其弱的剪切强度导致严重的塑性变形。 高温金属型加水冷法有助于定向凝固的形成，从而有效地防止了锌基合金的底缩问 题，并有利于夹杂和气泡的上浮；合适的模具温度与浇注温度是获得无缺陷铸件的关键 因素。在本文实验中，合适的铸造工艺为：模具温度为3 5 0 ，浇注温度为5 8 0 。 设计合适的砂型铸造工艺是防止锌基合金铸造缺陷的关键，而在实验中针对衬套这 种零件设计的铸造工艺，采用比较高的浇注温度是必要的，可延长铸件的凝固时间，从 而有利于合金液中渣子的上浮，防止铸件中夹渣缺陷的存在。合适的铸造工艺为：采用 底注式，直浇道：横浇道：内浇道= 1 ：1 5 ：1 3 ，浇注温度应高于5 8 0 。 关键词：z a 2 7 o 2 s i ；摩擦；磨损；轴套；铸造工艺 针：咎合余的噼j 5 i n 能f f 铸进t 艺研究 a b s t r a c t z i n c a l u m i n i u mb a s e da l l o y sh a v ee x c e l l e n tm e c h a n i c a la n d t r i b o l o g i c a l p r o p e n i e s ，a n dc a np a r t i a l l ys u b s t i t u t et i nb r o n z et op r e p a r es o m ew e a 卜r e s i s t a n ta n d a n t i - f r i c t i o nc o m p o n e n t s a d d i n gs i l i c o ni n t ot h ez i n c - a l u m i n i u mb a s e da i l o y sc a n f u r t h e ri m p r o v et h e i rw e a rr e s i s t a n c e i nt h i sw o r k ，t h ed r ys l i d i n gw e a rp r o p e r t i e so f z a 2 7 0 2 s ia l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d s i m u l t a n e o u s l y ，t h ew e a rp r o p e r t i e sw e a rc o m p a r e d w i t ht h o s eo fz c u s n 5 p b 5 z n 5b r o n z eu n d e rd i f f e r e n tl o a d sa n ds l i d i n gs p e e d s t h ea i m w a st oe x a m i n et h es u b s t i t u t i n gr a n g ef o rt h eb r o n z ea n dp r o v i d es o m es u p p o r t sf 1 0 r p r a c t i c e i na d d i t i o n ，t a k i n gam a c h i n et o o lb u s ha sa ne x a m p l e ， t h ec a s t i n gt e c h n i q u e s o ft h ez a 2 7 0 2 s iw e r es t u d i e d t h ew e a rt e s t sw e r ep e r f b m e do n ap i n _ o n - d is kt e s t e r t h e s l i d i n gs p e e d r a n g e df r o m0 1m st o0 7 1 1 1 sa n dt h el o a d sr a n g e df r o m 1k gt o9 k g ，t h et e s t i n gt i m e w a s2 0 m i n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ez a 2 7 - 0 2 s ia l l o yh a dg o o dw e a rr e s i s t a n c e u n d e rl o ws p e e da n dh i g hl o a dw h i c ht h ez c u s n 5 p b 5 z n 5a l l o yw a ss u i t a b l ef o r a p p l y i n gu n d e rl o ws p e e da n dl o wl o a d ，w h i c hi m p l i e dt h a tt h ef o r m e ra l l o yh a da w i d e ra p p l i c a t i o nr a n g et h a nt h el a t t e ro n e a st h el o a di n c r e a s e d ，t h ew e a rm e c h a n i s m o ft h ez i n ca l l o yc h a n g e di nt u mo fa d h e s i o na n dm i c r o m a c h i n g i n gt oa b r a s i v ew e a r a c c o m p a n i e db ya d h e s i o n ，p l a s t i c d e f o r m a t i o ni n d u c e dw e a r a n dd e l a m i n a t i o n w e a r w h e nt h es l i d i n gs p e e di n c r e a s e d ，m a c h i n i n gw e a rw a se n h a n c e da n dt h es m e a f w e a rf i n a l l yo c c u r r e dd u et ot h et e m p e r a t u r er i s eo ft h e c o n t a c t i n gs u r f a c e t h e m i c r o s t r u c t u r e so ft h ew e a rs u r f u c ea n ds u b s u r f a c e i a y e rd e t e r m i n e dt h ew e a r p r o p e r t i e s t h ef o r m a t i o no ft r a n s f e rl a y e ri m p r o v e dt h ew e a rp r o p e r t i e s t h ew e a r m e c h a n i s mo ft i nb r o n z ew a sa b r a s i v ew e a r a n ds e v r ed e f o r m a t i o no c c u r r e du n d e rh i g h l o a d sd u et oi t sl o ws h e a rs t r e n g t h t h ea p p l i c a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r es t e e lm o u l da n dc o o l i n gb yw a t e rw a s b e n e f l c a lf o rd i r e c t i o n a ls o l i d i 6 c a t i o n ，s ot h eb o t t o ms h r i n k a g ec o u l db eo v e r c o m ea n d i n c l u s i o n sa n dg a sp o r e sw e r ee a s yn o a t e d s u i t a b l em o u l dt e m p e r a t u r ea n dp o u r i n g t e m p e r a t u r ew e r et h ek e yf a c t o r sf o rp r e p a r i n gc a s t i n gw i t h o u td e f e c t s i nt h i sw o r k ，t h e s u i t a b l e c a s t i n gp a r a m e t e r sw e r et h em o u l dt e m p e r a t u r e3 5o o fa n dp o u r i n g t e m p e r a t u r eo f5 8 0 t h e a p p l i c a t i o n o f h i g hp o u r i n gt e m p e r a t u r ew a sn e c e s s a r ) r f o rp r e p a r i n g c o m p o n e n t sw i t h o u td e f e c t sd u r i n g s a i l dm o u l dc a s t i n g t h i sc o u l dp r o l o n gt h e l i 硕士学位论文 s o l i d i n c a t i o nt i m ea n dw a sb e n e f i c i a lf o r n o a t i n go f i n c l u s i o n sa n da v o i dt h e f o r m a t i o no fi n c l u s i o n si nt h ec a s t i n g s t h es u i t a b l es a n dm o u l dc a s t i n gt e c h n i q u ew a s t h ea p p l i c a t i o no fb o t t o mp o u r i n g t h er a t i oo fs p r u e - r u n n e r g a t ei n n e ro fl ：1 5 ：1 3 ，t h e p o u r i n gt e m p e r a t u r e58 0 k e yw o r d ： z a 2 7 o 2 s i ；f r i c t i o n ；w e a r ；b r u s h ； c a s t i n gp r o c e s s i 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研究 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 15 图2 1 6 图2 1 7 图2 18 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 图3 图3 图4 插图索引 磨损量随着滑动距离的变化4 在载荷6 8 6 n ，线速度为5 3 1 6 m m i n ，磨损量随距离的变化5 磨损量与载荷的关系5 拉伸试样l2 z a 2 7 0 2 s i 合金的光学显微组织1 3 z a 2 7 一o 2 s i 合金的磨损结果1 4 z a 2 7 0 2 s i 合金的摩擦系数1 4 5 5 5 锡青铜的微观组织15 5 5 5 锡青铜的磨损结果1 5 5 5 5 锡青铜的摩擦系数15 z a 2 7 0 2 s i 与锡青铜的磨损性能的对比1 7 z a 2 7 0 2 s i 与5 5 5 锡青铜的摩擦系数1 7 z a 2 7 o 2 s i 合金与锡青铜的显微硬度图片1 8 z a 2 7 0 2 s i 合金的断口观察1 9 不同载荷下的磨面形貌2 l 不同速度下的磨面形貌2 l 摩擦试样的亚表面形貌2 4 硅在组织中作用2 4 锡青铜的磨面形貌一2 6 锡青铜的亚表层形貌2 7 摩擦试样的表面微观硬度2 8 零件图3 l 金属型模具3 2 铸造模具与工艺图3 2 金相制相过程3 4 模具温度对成型性的影响3 5 浇注温度对冒口的影响3 6 模具温度和浇注温度对拉伸强度的影响3 7 拉伸试样的断口形貌3 7 铸件的微观组织3 8 冒口4 1 硕士学位论文 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 v 3 4 5 5 6 6 4 4 4 4 4 4 一 一貌 一 一形织 的组 图貌况后微度意形情工显强示观缩加学拉艺宏补面光抗工的的表的的造件道件件件铸铸浇零铸铸 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研究 附表索引 表1 1合金的化学成份4 表1 2 不同载荷下的磨损量4 表1 3 试验合金的摩擦性能6 表1 4 锌合金所用灰铸铁金属型的壁厚7 表2 1试验材料的力学性能18 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：冲7 带色日期：么炒产 多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 搏舌 了每 日期：伽叩年 日期：护罗年 多月 7 日 歹月厂厶日 硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 1 1 1 锌基合金的发展历史 锌远在公元前5 0 0 年就为人们所知，人们在c a m e r o s 遗址中发现了古人用锌制做 的手例1 1 。大约1 6 世纪金属锌传入欧洲。锌合金则出现于本世纪初期，并作为锡和铅的 代用品用于制造印刷铅字，为这种用途而开发的最早的一种锌基合金含6 s n ，5 c u 和 0 5 a l 。但早期的锌合金易发生晶间腐蚀而过早失效，在潮湿环境下易开裂，使人们难 以想象锌及其合金也能成为性能优良的工程材料。随着锌冶炼技术的进步，人们可以得到 纯度很高的锌，改善锌合金的晶间腐蚀性能成为现实。上世纪3 0 年代左右，美国新泽西锌 合金公司研制出了z a m a k 3 和z 锄a k 5 锌铝压铸合金【2 】。在战前和二次世界大战期间，德 国由于铜资源紧缺。而用重力铸造锌铝合金代替铜制造轴承材料。锌铝合金熔点低、机械 性能好，因而在压铸工业中得到了广泛地应用。上世纪6 0 年代前后，由于塑料工业的兴起， 使锌合金面临竞争与挑战。1 9 5 9 年国际铅锌研究组织发起了一个旨在开发新型的、先 进的压铸锌铝合金的研究计划，这个计划促使了生产薄壁锌铝合金的压铸技术和 i l z r o 1 6 、i l z r o 1 2 铸造锌铝合金的出现 j 。i l z r o 1 2 ( 后经改进发展成z a l 2 合 金) 铸造锌合金的蠕变性能与z 锄a k 3 和z 锄a k 5 相当，但其铸造性能和力学性能更好。 上世纪7 0 年代后期又开发了性能更优的z a 8 和综合力学性能最佳的z a 2 7 合金。此后， 在世界范围内，人们开始研究、开发锌铝合金，一些国家还将锌铝合金列入国家标准i l 例。 我国是一个锌、铝资源丰富而贫铜的国家，锌的蕴藏量居世界前列。据报道【l ，我国 已探明的锌矿储量为5 0 0 0 万吨，占世界已探明储量的1 5 。于上个世纪8 0 年代初，对这 一系列锌铝合金开始试验研究，且有较快发展。而建国以来铜的自给率一直徘徊在 5 0 巧0 左右。随着我国经济的发展，铜的需求量日益增加。因此，立足国内资源，大力发 展锌铝系列合金的研究与应用，替代紧缺的铜合金，具有重大的技术经济意义。 1 1 2 锌基合金的性能特点 锌铝系列合金主要应用于代替部分青铜、黄铜制做的耐磨零件和模具，制作壳体薄 壁零件和阀门等。锌铝系列合金作为耐磨材料是其应用最多的一个方面，在重载、低速条 件下工作的各种耐磨零件，使用寿命和价格均优于常用的锡青铜1 2 1 6 1 。乙墟7 合金是在锌 铝系列合金中综合性能最好的，也是锌铝合金研究的热点之一。其主要性能优点有1 1 7 2 3 】： 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研冗 1 ) z a 2 7 合金具有较高的室温强度和硬度。其抗拉强度超过几乎所有的有色合金， 蠕变强度高，而且，z a 2 7 合金的比重远小于铜合金和黑色金属，可以达到较高的比强度。 2 ) 优良的摩擦磨损性能。与青铜轴瓦合金比较表明，z a 2 7 合金具有较低的摩擦系 数，较高的承载能力和较高的耐磨性。 3 ) 良好的减振性能。z a 2 7 合金的减振性能随温度升高和频率下降明显增大，很适 合制作汽车发动机减振零部件。z a 2 7 合金具有较高的阻尼性，当受到周期性外力作用 发生振动时，其微观构造中的相界面将发生粘滞流动或变形，吸收一部分振动能并将其转 化为热能或其他能量而耗散掉。 4 ) 抗腐蚀能力强。z a 2 7 在盐雾中的抗腐蚀能力最好，其耐碱性比铝好。在大气中 锌具有良好的耐蚀性。 5 ) 良好的铸造成形性。z a 2 7 合金流动性好，可以铸造较薄的铸件，例如最小壁厚 为2 n u n ，最小铸出孔为1 i m n 。z a 2 7 合金可用于砂型铸造，永久型铸造，压力铸造，半 固态铸造，挤压铸造，离心铸造。 6 ) 可观的经济效益。工艺简单，熔化能耗低，成品率高，加工方便，制造成本低，污染 小，使用寿命长，原材料成本较低。z a 2 7 合金的密度约为5 6 3 ( g c m 3 ) 小于黑色金属， 只有铜合金的2 3 ，当用高铝锌合金代替铜合金时，可以节省1 3 的原材料。乙心7 合金可 以采用少余量或无余量铸造成形，省去或大大降低机械加工量，从而降低机加工费用。 7 ) 具有良好的超塑性，可将超塑变形与成形相结合使成形零件的组织致密，达到提 高塑性的目的。除以上之外，z a 2 7 合金还具有良好的电磁性及无线电屏蔽性，非磁性 及非火花性，较高的导电导热性等优点。 虽然z a 2 7 合金具有众多的优点，但也存在一些问题，阻碍了z a 2 7 合金的进一步 应用【2 4 j ：z a 2 7 合金存在严重的偏析，组成相的密度差较大( 铝的密度为2 6 9 9 c m 3 ，锌 的密度为7 1 2 9 c m 3 ) ，凝固时液体中析出的富铝相的比重比液体小，而且凝固温度区 间( 1 1 2 ) 较大，因而富铝相有足够时间上浮，铸件下部缺铝富锌，而上部缺锌富铝， 造成比重偏析。z a 2 7 合金易产生分散性气孔及底缩，该合金为典型的糊状凝固，易产 生分散性气孔，比重偏析造成的自上而下的凝固顺序，使补缩难于实现，从而造成底缩。 除此之外，z a 2 7 合金在铸造时，还会有夹杂等等。缩松是z a 2 7 合金在不同的铸造工 艺中具有共有特征，也是z a 2 7 合金的典型问题。夹杂和气孔不是z a 2 7 合金的典型问 题，但在铸造工艺不当时，也会出现这两种情况。 锌基合金具有高强度，优良的耐磨性能，良好的减振性能和超塑性，铸造成形性能， 抗腐蚀能力强，可观的经济效益。无论是从锌基合金本身的力学性能和物理性能，还是 从其制造工艺过程、应用效能和经济价值考虑，都是一种非常理想的材料。然而其体积 凝固特点和比重偏析的存在促成了许多铸造工艺问题，如底缩、缩松、气孔、夹渣等。 本文中以某机床轴套为对象研究其铸造工艺，在以前的工作中发现，采用底注式砂型铸 造工艺时，铸件中易出现夹渣问题。找出合适的锌基合金的铸造工艺是非常必要的。现 2 硕士学位论义 有结论认为锌基合金在重载和低速条件具有优异的摩擦性能，但是实验仅是一种载荷与 速度下得出的结论，并没有给出锌基合金替代铜合金的具体范围。在实验中给出替代范 围己是迫在眉睫。 1 1 3 锌基合金磨损行为的研究现状 锌铝合金的一个很重要的优点就是耐磨，减磨性能。因为它的组织为软基硬质结构， 这是一种很好的耐磨材料口5 1 。锌铝合金有复合相结构，有富铝的优相和富锌的r 7 。蜊叼有 着很好延展性，是面心立方结构，r 7 是密排六方结构，它的c a 比正常的要大一些，这种结 构有很好延展性，在摩擦过程式中起到润滑作用【2 6 2 9 1 。氧化铝是一种硬质相，氧化锌是 更软的相，一定条件下可以起到润滑效果。在摩擦过程中，锌合金的表面形成的锌铝富材 料，这些物质会通过粘着和剥削转移到对磨面上，更进一步，对磨面上的材料脱落后会重新 嵌入合金表面，这就是锌合金在磨损过程中的转移和回转移过程。这会大大增加锌合金表 面的耐磨性能。在锌合金的摩擦表面的下层会出现分层现象，它们的微观组织有很大的不 同，性能差异很大。摩擦表面为如上所述的表面，它是由氧化物嵌入和均匀分布在摩擦表 面形成的。它有很高的硬度和耐蚀性能，低的摩擦系数。这一层可能是由于强烈的塑性变 形形成的，位于表层下，组织又呈现另一种形貌。它是平行于滑移方向的条带状组织，它 有着较低的硬度，比基体的硬度还低。这可能是由于塑性变形和重结晶形成的，原始的层 片状组织会被细小颗粒代替。这说明在表面形成转移层以前，试样会有塑性变形和流动， 至使这种组织结构的分层。可见锌合金在摩擦过程中会形成表层的高硬度的耐磨层，下表 层的较软的组织和基体组织。而铜合金的磨损比较简单，磨损过程中主要是粘着磨损和 磨粒磨损。不会有像锌合金那样摩擦表面下面复杂的组织变化。 在滑动速度为l n 以，载荷为1 5 m p a ，对磨面为4 5 号钢，干摩擦的情况下，不同s i 含量的z a 2 7 合金与s a e 6 6 0 进行了对比性的研究。合金的成份和摩损结果见表1 1 和 1 2 f 2 6 1 。 实验结果表明，在这一条件s a e 6 6 0 锡青铜的摩擦性能不如相同条件下的锌基合金， 但优势不是很明显。 在润滑条件下，滑动速度为1 9 4 n 以，载荷为6 5 m p a ，对磨面为4 5 号钢。不同硅含 量的z a 4 0 与s a e 6 6 0 进行对比。实验结果如图1 1 所示1 2 7 】： 结果显示：在此种情况下，载荷很大的情况下，锌合金的摩擦性能明显优于锡青铜。 3 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研究 表1 1 合金的化学成份 合金合金的成份 z na 1c u s i s a e 6 6 0b r o n z e c u - 7 w t p b ，7 w t s n ，3 w t z n 表1 2 不同载荷下的磨损量 滑动距离 3 6 7 2l o 81 4 4 1 8 o 、 善 葛 童 s l i d i 玎gd l 疆确偿( k m ， 图1 1 磨损量随着滑动距离的变化 李圆圆等人也在这方面做过对比性研究，实验采用z c u s n l o p l 与z a 2 7 和新开发 的材料z m j 进行了对比性的研究，对磨面为4 5 号钢，在有润滑的情况下。实验结果如 图1 2 所示【2 8 】： 4 硕士学位论文 7 0 o 一5 玑o 暑 一5 0 o 昌a o 目 雪3 0 o o 争2 0 o o 事l o o o o o ol o o 2 0 o 3 0 o s i i d i n gd ib t a n c e o o5 0 o5 0 o 7 0 o l( x5 3 j 5 6ml 图1 2 在载荷6 8 6 n ，线速度为5 3 1 6 m m i n ，磨损量随距离的变化 实验在m p x - 2 0 0p i no nd i s k 实验机上进行，从图1 2 可以看出在此种情况下，锡青 铜的耐磨性能劣于锌基合金。 许晓磊等人，有z a 4 0 和z a 2 7 与铝青铜z q a l 6 3 3 进行对比性研究，锌铝合金的 尺寸为5 i m i l 5 m m 1 5 m m ，对磨面为4 5 号钢，转速为1 2 0 r m i n 。实验结果如图1 3 所 示【2 9 】： 图1 3 磨损量与载荷的关系 从图1 3 可以看出，在上述实验条件下，锌铝基合金比铝青铜有很好的耐磨性。然 而随着载荷的增加两者的差距在缩小，这一结果与锌基合金在重载的情况下有好的摩擦 性能这一结论相背。 在z a 2 7 合金中添加适量m n 、r e 、t i 合金( 试样1 ) ，添加适量的s i 、i 冱、t i 的 合金( 试样2 ) 及z a 2 7 合金与磷锡青铜z c u s n l 0 p l 耐磨性进行了对比。试验轴承的外 径为5 8 i 珈 i l ，内径为4 0 衄，高度为4 0 i i l i n 。对偶件为4 5 号钢转轴，直径为4 c h l l m 选取试 5 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研冗 验载荷为p ：6 2 7 2 k n ，线速度v = 3 3 3 m m 氓在润滑条件下。实验结果如表1 3 所示【划： 从表1 3 可以看出在这种情况下，试验z a 2 7 合金的摩擦性能并没有锡青铜的好，只是 新开发的两种锌合金有较好的摩擦性能。 张永弘等人【3 1 】也在这方面做了研究，试验在国产m m 2 0 0 磨损试验机上进行。试样尺 寸为1 7 6 i 砌8 n u n 8 n u n ，对磨面为4 5 号钢。试验时载荷为4 0k g ，转速为4 0 0 r m i i l 。在 有润滑的条件下，试验得出的结论是：z c u s n l 0 p l 的体积磨损和摩擦温升与z a 2 7 合金相 当，z c u a l l 0 f e 3 的则比z a 2 7 高。两种青铜的配对轴失重均低于z a 2 7 的配对轴失重。 特别是z c u s n l 0 p 1 配对轴失重比z a 2 7 的低得多。含稀土的z a 2 7 合金的摩擦形式为轻 微划伤、挤压变形及粘着；z c u s n l o p l 为轻微划伤和挤压变形，粘着不明显；z c u a l l o f e 3 为较严重划伤，挤压和粘着磨损不明显。 表1 3 试验合金的摩擦性能 可见，人们在锌铝基合金和铜合金两者摩擦学性能的比较方面做了许多的工作，但是 大多数只是局限于一种载荷和一种滑速下的比较。由于每个人都是在不同的载荷和滑速 进行研究，得出的结论相差很远。在摩擦学性能方面，锌基合金与铜合金进行的系统对比 性研究是非常必要，给出一个锌基合金在哪一个范围内可以取代铜合金，是非常有意义。 文中就在一个载荷和滑速范围内锌基合金与锡青铜的磨损性能做了详细的对比研究。 1 1 4 锌基合金铸造工艺的研究现状 ( 一) 金属型铸造工艺 锌合金所用的金属型材料可采用铸铁或铸钢。在金属型铸造的合金中，沿铸型散热 方向生长的枝晶具有合适的生长速度。因此，铸件的力学性能良好。 金属型的类型很多。按分型面的位置划分有整体金属型、水平分型金属型、垂直分 型及多面金属型。整体金属型无分型面，适用于外形简单、有较大斜度的中小铸件。水 平分型金属型由两半型扣合而成。这种铸型在生产中用的较为广泛。垂直分型金属型由 垂直的两半型组成，这种铸型排气容易，散热性好，开闭方便，适用于轴线对称形状的 铸件。 在分型面上，铸件外表面到金属型边缘的最小距离为2 5 3 0 m m 。在同一铸型分布 6 硕士学位论文 若干个铸件时，铸件间距一般不小于3 0 n l l l l ，小件为1 0 3 0 伽n 。直浇口与铸件问的距 离约为2 0 3 0 m m 。垂直分型的铸型下边缘到铸件浇口最低点的距离一般不小于3 0 5 0 n 1 i i l ，直浇口应高于铸件上边缘4 0 6 0 删鸭以保证有一定的压头。内浇口的长度一般 1 0 1 5 n u n 。锌合金所用灰铸铁金属型的壁厚见表1 1 【3 2 】。金属型的缺点是不透气。因此 在金属型中必须设置通气槽及出气孔。通气槽设在分型面。通气槽有扁平通气槽和三角 形通气槽。为使气体顺利逸出，可将小通气槽引入总通气道。 表1 4 锌合金所用灰铸铁金属型的壁厚 金属型铸造的基本过程如下：1 ) 根据所用涂料，预热铸型至1 2 0 1 5 0 ；2 ) 给 铸型涮涂料( 最好用喷枪) ：3 ) 铸型加热至2 3 0 ( 有时到3 0 0 ) 。若低于该温度， 就不能保证合金中枝晶的正常生长；4 ) 根据铸件种类，在高于液相线1 0 0 1 5 0 的温 度下浇注；5 ) 浇注完成后，向冒口中注入高温金属使冒口和补缩通道最后凝固。这样 就可以得到较好的顺序凝固，必要时，还可以重新加热冒口；6 ) 冒口凝固后即可脱模。 在上述铸造过程中，特别要注意以下几个方面： 1 ) 涂料金属型在浇注前，需在型腔及浇冒系统中喷刷涂料来保护工作表面及调 节铸件的冷却速度，另外还可弥补铸型的斑蚀地方。涂料可用氧化锌或滑石粉或太白粉 与水玻璃及水配制而成。涂刷涂料前需对铸型预热，预热温度按上述所提温度设置。涂 料可防止浇注完毕后，金属型芯难以脱模，可以控制凝固并防止铸件与锌合金的相互作 用。型壁可以用绝热材料，或使用绝热涂料。 2 ) 金属型预热金属型预热的目的是，避免液态金属因冷却速度过快而造成气孔、 冷隔、浇不足及缩孔等缺陷。另外也有保护铸型、延长铸型使用寿命的作用。浇注锌合 金的铸型预热温度在2 0 0 2 5 0 范围。 3 ) 充型时间及浇注温度锌合金的充填时间应尽量短，通常比铝的充填时间短 1 5 2 倍。 4 ) 铸件脱型温度及时间由于金属无退让性及大量吸热，因而铸件可早些从铸型 中取出。如果停留时间过长，铸件会因产生的铸造应力而开裂。锌合金在浇冒口基本凝 固完毕，即可抽芯开型。 一一 锌基合金在铸造时，应特别注意是四个方面：即涂料、金属型预热( 模具温度) 、 充型时间及铸件脱型时间。合理的制定工艺过程中的各个要素是获得合格铸件的关键因 素。 ( 二) 砂型铸造工艺的研究 如何解决z a 2 7 合金凝固过程中产生的“底缩和二次“底缩 这一特有的铸造缺 陷是乙屹7 合金铸造工艺设计中的难题。通过长期实践验证，在粘土砂、手工造型条件 7 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研冗 下，解决这一难题，必须从以下几个方面着手【3 ”：首先，确定恰当的工艺原则；其次， 如何设计合理的浇冒系统并设置冷铁；第三，控制恰当的浇注温度；第四，采取相应的 熔炼措施。 1 ) 工艺原则的确定【3 4 】：通过长期实践证明，铸件的模数m = v f 是判定z a 2 7 合金 铸件是否产生缩孔、缩松的参数，是确定工艺原则的依据。当铸件的模数m 大于l ，即 v f 大于1 时，对于重量较大( 一般大于2 0 公斤) 、壁厚大于3 0 姗的铸件，容易产 生底缩现象，应采取顺序凝固的原则，加强冒口补缩效果，具有较好的效果；当铸件的 模数m 小于l ，即v f 小于l ，铸件壁厚小于2 0 m m ，铸件重量小于2 0 蚝的铸件，其“底 缩 现象并不明显，采用同时凝固原则，即可获得质量良好的铸件。壁厚介于2 0 3 0 m m 的铸件，根据v f 的大小，铸件的结构，壁厚及重量等因素，具体分析，灵活运用两种 工艺原则。 2 ) 浇注系统、冒口及冷铁的设计d 5 j ：浇注系统除了将合金液体导入型腔外，还具 有排渣、排气及调整凝固顺序的作用。z a 2 7 合金具有导热率大、凝固区间大、浇注温 度低等特点，因此要求浇注系统必须保证充型平稳，不发生涡流、飞溅和冲击，尽可能 快速地充型，有一定的挡渣能力，并有利于补缩。为此，采用f 直：f 横：f 内= l ：1 5 ：1 3 的 断面比例。 冒口和冷铁是调整凝固顺序，实现铸件补缩的重要手段。z a 2 7 合金中采用顺序凝 固的中大件，应以设置边冒口为最佳，用顶冒口易产生“二次底缩”。如重量大于2 0 埏，铸件模数大于l 的较大件，若用顶冒口一般距冒口以下2 0 3 0 n u n 高度的区域内均 有缩孔产生。原因在于顶冒口增大了局部热节点，降低了此处合金液体的冷却速度，为 成分偏析提供了机会。因此，为了消除冒口根部的“二次底缩”，可采用边冒口或设置 冷铁的方法消除。2 0 蝇以下的铸件，采用同时凝固原则一般不产生“二次底缩”，设置 顶冒口即可。铸件冒口的设计采用模数法，比例为m 件：m 冒口颈：m 冒= 1 ：1 1 1 5 ：1 2 1 5 ，m 件铸件模数，m 冒口颈冒口颈模数；m 冒冒口模数) 。要完全 消除底缩缺陷，合金液体的冷速必须较大。对于砂型铸造来说，增大合金液体冷却速度 的一个方法就是使用冷铁，冷铁材质一般选用铸铁或铜，只有当铸件壁厚小于1 3 h h n 时， 才使用石墨冷铁。冷铁厚度一般为铸件壁厚的o 5 1 5 倍，目的在于增大铸件凝固的温 度梯度，利于冒口强化补缩或消除顶冒口易产生的“二次底缩 。采用同时凝固原则的 铸件，冷铁一般用于壁厚相差较大的铸件，目的在于调整热节点冷却速度，使之接近铸 件整体冷却速度。壁厚均匀的小件，通过浇冒口的设置，一般很容易实现同时凝固。 3 ) 浇注温度【3 6 】：浇注温度的控制，对于消除z a 2 7 合金铸件易产生的底缩缺陷，起 着非常关键的作用。其原则是尽可能采用低温浇注，使合金液体能够充满铸型即可。不 同铸件，根据所确定的凝固原则不同，采取不同的浇注温度。对于铸件模数小于l ，铸 件重量较小，采用同时凝固原则的铸件，浇注温度一般控制在5 0 0 5 3 0 ；对于铸件模 数大于l ，铸件重量较大，采用顺序凝固原则的铸件，浇注温度一般控制在5 2 0 5 6 0 。 8 硕士学位论文 4 ) 熔炼措施【3 7 】：一般认为，通过合金液体和变质处理，也可达到消除z a 2 7 合金 铸件凝固过程中易产生底缩缺陷的目的。加入元素周期表中第1 a 族元素k 、n a 、l i 、 l s 和第1 认族元素b a 、c a 、b c 、o 0 2 o 0 1 ，有利于减少底缩的产生。在生产中，选 用铈基混合稀土做为变质剂。经过几个炉次的对比试验表明，随着变质剂加入量在0 0 1 范围内逐渐增大，底缩缺陷有所改观。超过此量，底缩缺陷的改善不再明显。除此 以外，冷却速度对z a 2 7 合金的铸件性能，成型性能有很大的影响。西安理工大学，王 智明，黄积荣1 4 人，研究了冷却速度对铸件成型性能的影响。实验采用模型尺寸为1 2 0 8 0 1 5 0 ，其v s = 1 8 18 ( 1 嫩) ，v 为铸件体积，s 为铸件表面积。实验结果表明，提高冷 却速度，可以增加过冷度，从而使晶粒得到了细化，提高了铸件的性能。本实验中，铸 型是从底部开始凝固，高的冷却速度可以提高温度梯度，有利于实现半顺序凝固其工艺 参数为冷却速度大于1 5 觚n 。铸件的健全度随冷却速度的提高而提高。在半顺序凝固 下，可以消除底面的缩孔，降低孔隙率。 对于锌基合金而言，浇注系统、冒口、浇注温度是在铸造工艺过程中应考虑的主要 问题。不适合的铸造工艺很容易产生底缩、二次缩松、气孔、夹渣等缺陷。在己前的工 作中发现，对于轴套零件的铸造工艺，采用垂直，底注式浇注时很容易在铸件的上部出 现夹渣问题。进一步的修改铸造工艺，获得合格的零件是下步工作的目标。 9 锌基合金的磨损性能和铸造工艺研究 1 2 本文的研究内容 本文就一种锌铝硅基合金的磨损性能进行了细致的研究，并与锡青铜进行了磨损性 能的对比。以耐磨零件中常见轴套零件为例探讨了锌基合金的两种成型工艺：金属型与砂 型。 ( 1 ) 在载荷1 k g 9 k g ，速度0 1 i i l s 0 7 1 1 1 s 下测试了锌铝基合金z a 2 7 0 2 s i 合金的 干摩擦性能，并与5 5 5 锡青铜进行了对比性研究。非常细致地研究了它们各自在不同 的载荷与速度下耐磨性能的表现，观察了磨面形貌，分析了其摩擦机理，并观察了其微 观组织，测试了其力学性能。得出z a 2 7 0 2 s i 合金能代替5 5 5 锡青铜的载荷与速度范 围。 ( 2 ) 为了克服锌基合金在成型过程中容易出现的铸造缺陷问题，尤其是底缩问题， 专门为其设计了金属型水冷顺序凝固法，设计了专门的模具和水冷装备。在不同的工艺 条件下观察铸件的成型性，摸索一个最佳的模具温度与浇注温度。同时测试了模具与浇 注温度对铸件强度的影响。 ( 3 ) 砂型是最为适用的一种成型工艺，然而锌基合金砂型铸造对工艺参数有着特别 的要求，文中就轴套这个零件的砂型铸造，设计了完整的铸造工艺方案，观察了铸件的 成型性与冒口、浇道的关系。分析了铸件中夹渣出现的原因，设计避免这种情况的浇注 工艺。 l o 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章z a 2 7 一o 2 si 锌合金的磨损性能 如前所述，锌铝基合金有着优良的力学性能，优异的摩擦性能，使其可以部分代替 锡青铜制造轴瓦零件【3 8 】，有着可观的经济效益。为了进一步提高锌基合金的耐磨性能，人 们在锌铝基合金中加入s i ，能改善合金的磨损性制”刖1 。锌铝及锌铝硅系合金与锡青铜 的摩擦性能，人们己做大量的比较性研究【4 1 1 。然而，缺少系统性的比较研究，即锌铝基合金 能在多大的程度上代替锡青铜。本文就z a 2 7 o 2 s i 合金和z c u s n 5 p b 5 z n 5 锡青铜在不同 的载荷和滑动速度下的磨损性能进行了比较研究。 2 2 实验方法 2 2 1 材料制备 实验材料：( 1 ) z a 2 7 o 2 s i 合金( 州) ：a 1 ：2 7 ，c u ：1 8 ，s i ：0 2 ，m g ：0 0 3 ，其余为z n 。 c u 和s i 是以a 1 c u ( 5 0 ) ，a 1 s i ( 2 0 ) 中间合金的形式加入。熔炼时，先加入a l ，a l c u ，a 1 s i ， 加热至7 0 0 使得合金元素充分扩散均匀后，消除了组织的遗传性，再加入z n ，6 0 0 时 压入镁。6 5 0 精炼，扒渣后，加入o 0 6 k z r f 6 进行变质处理，静置。在5 7 0 浇入直径 为1 5 m m ，长为1 5 0 i 】 1 i i l 的金属型模具。为了避免锌的烧损，金属液的温度不要超过7 0 0 。 ( 2 ) z c u s n 5 p b 5 z n 5 锡青铜为购买的商用铜合金，成份：s n 4 6 ，p b 4 6 ，z n 4 6 ， 余为c u 。 2 2 2 摩擦实验 试样经线切割加工成5 1 6 i i l