耐高温低膨胀锌基耐磨合金 本发明涉及一种耐高温低膨胀锌基耐磨合金及其制造方法。
目前，锌基合金已成为一种重要的减摩材料和模具材料。已公开的锌基合金如CN1039066A、CN1046563A、CN1045131A、CN1070231A、CN1079994A、CN1091475A、CN1102217A，它们均是在锌基合金ZA27的基础上添加重量百分数为0～3.5％Si，0.01～0.08％Ca，0.5～5.0％Pb，0.010～0.06％Ti，0.01～0.3％Co，0.01～0.3％Re和0.003～0.03％B等元素的一种或数种，改善和提高合金的强度和耐磨性。ZA27合金的成分(重量百分数)为：铝25.0～26.0％；铜2.0～2.5％；镁0.01～0.02％，见美国材料试验协会标准ASTM B669(1984)。但是上述锌基合金(CN1039066A，高强韧低膨胀锌基耐磨合金除外)都具有下列不可克服的缺点：第一，合金的耐磨硬质点较少，耐磨性差；特别是合金的高温性能差，仅能在工作温度低于120℃条件下使用。当工作温度大于120℃时，合金的抗拉强度已下降到室温的50％，不能满足在高温以及润滑失效等恶劣环境下工作的减摩零件和模具的使用要求。第二，合金的热膨胀系数大，高达26～28×10-6℃-1，不能用来制造尺寸稳定性高的减摩零件和模具。CN1039066A，高强韧低膨胀锌基耐磨合金，虽然热膨胀系数较低，为19.2×10-6℃-1，但是它也仅能在低于120℃条件下工作。
本发明的目的是针对上述锌基合金性能的缺点，提供一种在100℃～200℃范围内具有高抗拉强度、良好耐磨性能和低热膨胀系数的锌基耐磨合金及其制造方法。
本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金的成分(重量百分数)为：铝22～32％；铜1.0～4.0％；镁0.1～1.5％；钙0.5～2.0％；锆0.02～0.09％；铪0.05～0.15％；陶瓷颗粒1.0～10.0％；锌为余量。
在本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金中，加入陶瓷颗粒是提高合金高温强度和耐磨性以及降低合金热膨胀系数的重要手段。陶瓷颗粒是刚玉、碳化硅、硼砂和氧化锌中的任一种或它们地混合物，尺寸为10～200微米，在使用前进行900～1400℃焙烧处理。陶瓷颗粒在合金中均匀分布，减小铸态组织的枝晶间距和成分偏析，使合金的成分更为均匀，同时也是合金中的耐高温相和耐磨硬质点，因此加入陶瓷颗粒显著提高合金的高温强度和耐磨性，能够满足用该合金制造的减摩零件和模具在高温以及润滑失效等恶劣环境下工作时的使用要求。陶瓷颗粒的热膨胀系数低，在0～100℃范围内为4.7～8.0×10-6℃-1，它们加入到合金中，有效地降低合金的热膨胀系数，因此可以用该合金制造尺寸稳定性高的减摩零件和模具。
在本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金中，加入镁、钙、锆和铪元素是使陶瓷颗粒在加入到合金熔液的过程中能够被液态合金浸润的必要条件。镁、钙、锆和铪成分在所说的含量内，能有效的降低陶瓷颗粒与液态合金的界面张力，使陶瓷颗粒能够完全被液态合金所浸润，因此陶瓷颗粒能够与液态合金充分接触并且均匀分布于合金熔液中。低于此含量上述作用不明显，高于此含量合金易发生热裂，铸造成型困难。
本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金的制造方法是，首先按下列成分(重量百分数)配料：铝22～32％；铜1.0～4.0％；镁0.1～1.5％；钙0.5～2.0％；锆0.02～0.09％；铪0.05～0.15％；陶瓷颗粒1.0～10.0％；锌为余量，以铝铜中间合金和铝锆中间合金加入铜和锆。熔炼时先将50-85％的锌、铝铜中间合金和铝锆中间合金熔化，然后用钟罩压入法加入钙、镁和铪，再加入剩余15-50％的锌。将已焙烧后的陶瓷颗粒加热到550-850℃，合金熔液温度调整到500-750℃，加入陶瓷颗粒。在加入陶瓷颗粒过程中，用机械力或电磁力或超声波搅拌合金熔液，使陶瓷颗粒均匀分布于合金熔液中，最后用重力铸造或压力铸造或挤压铸造方法铸造成型。
本发明的优点是，在不降低合金的室温抗拉强度的前提下，大幅度提高合金的高温抗拉强度(室温σb≥380MPa，200℃σb≥150MPa)，合金的耐磨性能好(摩擦系数为0.01左右，磨损量比ZA27合金小6～25倍)，热膨胀系数小(在20～100℃范围内平均值小于18×10-6℃-1)，适合制造在高温以及润滑失效等恶劣环境下工作的减摩零件和模具以及高尺寸稳定性的减摩零件和模具。本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金的制造方法简单可靠，易于实现。
通过实施例进一步详细说明本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金及其制造方法。
实施例1
用电阻炉将尺寸为40微米碳化硅(SiC)在1200℃焙烧4小时，降温至650℃保温备用。按表1中所列成分配料，将70％锌锭、铝锭及预先配制好的Al-33％Cu和Al-10％Zr中间合金装入带有电磁搅拌设备的电阻坩锅炉中熔化，待全部熔化后分别用钟罩压入金属钙、金属镁和金属铪，最后加入剩余30％的锌锭。调整炉温到500～650℃后，开动电磁搅拌设备，缓慢加入已准备好的SiC，待SiC全部进入合金液后，继续搅拌5分钟后浇注。用金属型重力铸造方法铸造成型。合金的性能见表2。
实施例2
制造方法同实施例1，所不同的是合金成分中的陶瓷颗粒用刚玉(Al2O3)代替，尺寸为100微米。合金的成分见表1，合金的性能见表2。
本发明的耐高温低膨胀锌基耐磨合金可用来制造在高温以及润滑失效等恶劣环境下工作的减摩零件和模具以及高尺寸稳定性的减摩零件和模具。
表1实施例的耐高温低膨胀锌基耐磨合金成分(重量百分数)
表2实施例的耐高温低膨胀锌基耐磨合金性能