本發(fā)明涉及一種鋅基合金，具體涉及一種高強(qiáng)度高耐磨的鋅基合金。本發(fā)明還涉及所述高強(qiáng)度高耐磨的鋅基合金的鑄件制備方法。本發(fā)明還涉及所述鋅基合金鑄件制備的專用壓鑄冷卻裝置。

技術(shù)背景

因?yàn)榫哂心湍バ院玫奶攸c(diǎn)，銅合金一直被廣泛研究，但由于強(qiáng)度較低耐磨性能一般，其應(yīng)用范圍受到了很大限制。

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)基本還是選用銅合金作為減磨配件，其中zcusn6zn6pb3、zcusn10pb1、zcusn10pb5應(yīng)用比較廣泛。但實(shí)際上，有許多銅合金的零部件生產(chǎn)達(dá)不到其力學(xué)性能要求。

出現(xiàn)以上問(wèn)題的主要原因在于：第一、現(xiàn)有合金成分和制備工藝決定了其性能的局限。第二、傳統(tǒng)的合金重力鑄造裝置通常是在將金屬液體澆鑄于鑄鋼模具內(nèi)，然后自然冷卻，這樣會(huì)使合金的內(nèi)部產(chǎn)生補(bǔ)縮不足，冷卻速度緩慢，造成合金鑄件縮孔和縮松，晶粒粗大，從而導(dǎo)致合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性都難以達(dá)到零部件生產(chǎn)要求。依照這種傳統(tǒng)方法所得合金制成的蝸輪、螺母強(qiáng)度較低，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)齒斷裂的現(xiàn)象。在高壓的工作情況下，由此合金制成的軸套，其耐磨性也往往不盡如人意。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種具有優(yōu)異切削加工性能和機(jī)械性能的高強(qiáng)度高耐磨的鋅基合金、其鑄件制備方法以及專用壓鑄冷卻裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高強(qiáng)度高耐磨的鋅基合金，其特征在于其合金重量百分比組成為：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％，x1～3％，其他雜質(zhì)總和≤0.2％；其中x是晶粒細(xì)化球化添加劑，x中重量百分比組成為：混合稀土65％(含ce≥45％)，sr15％和fe20％。

其合金重量百分比組成可以優(yōu)選為：al30.2％、cu3.53％、mg0.03％、mn0.94％、ni0.5％、si2.55％、ti0.25％、b0.05％、x1.8％，余量為zn及雜質(zhì)。

其合金重量百分比組成可以優(yōu)選為：al30.15％、cu3.55％、mg0.027％、mn0.97％、ni0.53％、si2.57％、ti0.23％、b0.04％、x1.75％，余量為zn及雜質(zhì)。

其合金重量百分比組成可以優(yōu)選為：al30.3％、cu3.5％、mg0.027％、mn0.9％、ni0.58％、si2.56％、ti0.25％、b0.05％、x1.78％，余量為zn及雜質(zhì)。

所述的高強(qiáng)度高耐磨的鋅基合金的鑄件制備方法，按照以下步驟制備而成：電阻爐內(nèi)加熱鋁錠、鋅錠、銅、硅、錳和鎳，等合金熔化后除氣，壓入鎂塊，鈦硼變質(zhì)后x變質(zhì)，二次除氣打渣后，鋅基合金高溫狀態(tài)下澆鑄鑄件。

所述澆鑄鑄件的方法是：對(duì)高溫狀態(tài)下的鋅基合金在加壓條件下實(shí)施循環(huán)水冷卻，循環(huán)水冷卻中低溫水進(jìn)口位置低于高溫水出口位置以確保冷卻水自低位至高位溫度逐步提高，金屬凝固順序?yàn)橛上峦稀?/p>

優(yōu)選地，所述加壓條件是指加載550～650mpa的壓強(qiáng)。

所述的高強(qiáng)度高耐磨的鋅基合金的鑄件制備的專用壓鑄冷卻裝置，它包括冷卻罐，冷卻罐的側(cè)壁上分別設(shè)有進(jìn)水口和出水口，出水口的位置高于進(jìn)水口，其特征在于：冷卻罐內(nèi)縱向設(shè)有鑄鋼模具，鑄鋼模具的頂端開(kāi)口并在該開(kāi)口端安裝有用于向鑄鋼模具內(nèi)液體合金加壓的壓力機(jī)沖頭；鑄鋼模具的下端固定在冷卻罐的內(nèi)底面上；所述的冷卻罐的底端開(kāi)設(shè)有與鑄鋼模具內(nèi)腔相通的通孔，并在該通孔中安裝有可上下移動(dòng)的頂桿。

本發(fā)明的積極效果在于：

一、本發(fā)明在合金中添加ti，b和x，具有復(fù)合細(xì)化金屬晶粒的比較顯著的效果，從而提高了合金的綜合力學(xué)性能。其中ti和b能夠細(xì)化合金晶粒，提高力學(xué)性能；x能夠球化晶粒，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能夠避免偏析作用，使合金材料更均勻。微量的fe可以改善b化物的性質(zhì)，當(dāng)fe和ti元素分布均勻，能夠使合金內(nèi)質(zhì)點(diǎn)細(xì)小而分散，消除了b化物的聚集。

本發(fā)明中，si以微小顆粒狀態(tài)鑲嵌在基體內(nèi)，能夠達(dá)到耐磨的作用。cu有助于合金的總體加工性能，有助于提高合金熱加工時(shí)的塑性，增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果，降低合金的各向異性。mg有助于微細(xì)彌散相的形成和阻止熱加工及熱處理過(guò)程中再結(jié)晶的發(fā)生。zn的加入能夠提高材料的耐磨性能和自潤(rùn)滑效果。mn和ni的組合添加，能夠提高合金高溫加熱下的強(qiáng)度。

本發(fā)明的鋅基合金具有良好的易切削性，優(yōu)異的機(jī)械性能以及優(yōu)異的耐磨性，可替代現(xiàn)有的部分銅合金，廣泛應(yīng)用于制造蝸輪、軸套、軸瓦、螺母、滑塊等產(chǎn)品。

二、本發(fā)明的鋅基合金采用在高溫狀態(tài)下澆鑄于鋼模內(nèi)，然后在高壓狀態(tài)下利用循環(huán)水下冷卻的制備方法，據(jù)此得出的合金晶粒更加微小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密、均勻，能夠更好地消除因重力鑄造自然冷卻導(dǎo)致的鑄件縮孔和縮松，減小了傳統(tǒng)鑄造的冒口尺寸，對(duì)于氣密性、水密性零件具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，提高了金屬溶液利用率和生產(chǎn)效率，能夠進(jìn)一步提高鑄件的強(qiáng)度、硬度及耐磨性。且頂出方法更加靈活，可按鑄件使用要求做出相應(yīng)調(diào)整。

金屬液體在壓力作用下發(fā)生流變充型、結(jié)晶凝固和流變補(bǔ)縮，最終獲得內(nèi)部致密、外觀光潔、尺寸精確的鑄件，比普通重力鑄造僅靠重力補(bǔ)縮更容易獲得致密鑄造件，消除了傳統(tǒng)鑄件的縮孔和縮松缺陷，內(nèi)部組織致密、均勻、晶粒細(xì)小。在循環(huán)水的冷卻下，金屬凝固順序由下往上，補(bǔ)縮效果更好，晶粒微小致密，金屬液體在快冷狀態(tài)下凝固，鑄件強(qiáng)度和硬度增加幅度很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)鑄造的性能指標(biāo)。

三、采用本發(fā)明合金生產(chǎn)的產(chǎn)品具有優(yōu)異的機(jī)械性能以及優(yōu)異的耐磨性；生產(chǎn)成本低，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，可大范圍替代錫青銅。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明專用壓鑄冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例分別對(duì)應(yīng)于表1中試樣1、試樣2和試樣3的鑄件制備，按表1具體的合金成分分別進(jìn)行鑄造。

表1試樣化學(xué)成分(質(zhì)量％)

其中x是晶粒細(xì)化球化添加劑，x中重量百分比組成為：混合稀土65％(含ce≥45％)，sr15％和fe20％。上述三個(gè)實(shí)施例所采用的晶粒細(xì)化球化添加劑中，混合稀土均滿足ce≥45％的條件，具體選用了淄博偉杰稀土有限公司生產(chǎn)的鑭系混合稀土。

工藝流程如下：電阻爐內(nèi)加熱鋁錠、鋅錠、銅、硅、錳和鎳，等合金熔化后除氣，壓入鎂塊，鈦硼變質(zhì)后x變質(zhì)，二次除氣打渣后，鋅基合金高溫狀態(tài)下澆鑄鑄件。

具體流程如下：

一、按比例向電阻爐內(nèi)加入鋁錠、鋅錠、鋁銅中間合金、鋁硅中間合金、鋁錳中間合金和鋁鎳中間合金，加熱至650℃合金熔化；

二、除氣：采用張家港溶劑廠生產(chǎn)的除氣除渣添加劑，用鐘罩壓入液體底部；

三、溫度達(dá)到600℃后，按比例壓入鎂塊，用鐘罩壓入液體底部，溶化后攪拌1分鐘；

四、鈦硼變質(zhì)：溫度處于600℃時(shí)，采用鈦硼添加劑，成塊狀，用鐘罩壓入液體底部，溶化后攪拌1分鐘；

五、x變質(zhì)：升溫至650℃使x變質(zhì)，成塊狀，用鐘罩壓入液體底部，溶化后攪拌1分鐘；

六、二次使用張家港溶劑廠生產(chǎn)的除氣除渣添加劑對(duì)液體合金進(jìn)行處理，靜置10分鐘后撇去上層氧化浮渣；

七、鋅基合金保持在650℃高溫狀態(tài)下澆鑄鑄件：對(duì)650℃高溫狀態(tài)下的鋅基合金在加壓條件下(最佳壓強(qiáng)為600mpa)實(shí)施循環(huán)水冷卻，循環(huán)水冷卻中低溫水進(jìn)口位置低于高溫水出口位置以確保冷卻水自低位至高位溫度逐步提高，金屬凝固順序?yàn)橛上峦稀＞唧w采用以下專用裝置進(jìn)行：

如圖1所示，本專用裝置包括冷卻罐3，冷卻罐3坐落安裝在底座6上。冷卻罐3的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)水口4，冷卻罐3上進(jìn)水口4對(duì)側(cè)的側(cè)壁上設(shè)有出水口7，出水口7的位置高于進(jìn)水口4，以確保金屬凝固順序由下往上。循環(huán)冷卻水從進(jìn)水口4進(jìn)入冷卻罐3，從出水口7流出冷卻罐3。

冷卻罐3中縱向設(shè)有鑄鋼模具2，鑄鋼模具2的頂端開(kāi)口并在該開(kāi)口端安裝有用于向鑄鋼模具2內(nèi)液體合金加壓的壓力機(jī)沖頭1。鑄鋼模具2的下端固定在冷卻罐3的內(nèi)底面上。

所述的冷卻罐3的底端開(kāi)設(shè)有與鑄鋼模具2內(nèi)腔相通的通孔。并在該通孔中安裝有可上下移動(dòng)的頂桿5。通孔內(nèi)壁與頂桿5外壁之間的間隙確定原則：確保頂桿5能夠上下運(yùn)動(dòng)的前提下該間隙盡量小(比如5絲)以防止漏出液體合金。在液體合金冷卻凝固前，頂桿5起到密封作用防止液體合金流出。在液體合金冷卻凝固后，向上推動(dòng)頂桿5，由下至上將合金從鑄鋼模具2中頂出，使合金鑄件取出的方式更加便捷。

本專用裝置，其使用方法如下：將液體合金澆鑄于鑄鋼模具2內(nèi)。將壓力機(jī)沖頭1快速壓下，作用于液體合金表面。將循環(huán)冷卻水由進(jìn)水口4注入冷卻罐3中，由出水口7流出冷卻罐3，同時(shí)壓力機(jī)沖頭1持續(xù)保持一定的壓力，直至液體合金冷卻凝固。向上提拉壓力機(jī)沖頭1使脫離鑄鋼模具2，將頂桿5由下至上將合金鑄件從鑄鋼模具2中頂出。

本發(fā)明實(shí)施例三個(gè)試樣的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2試樣力學(xué)性能

說(shuō)明：1、耐磨試驗(yàn)，mr-h5型高速環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，得到三個(gè)試樣的摩擦系數(shù)。

2、依據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)常識(shí)可知，摩擦系數(shù)越低，耐磨性越好，由表2看出，本發(fā)明試樣的耐磨性能(在0.015-0.018之間)明顯高于錫青銅(在相同試驗(yàn)條件下為0.038-0.068)。

3、依據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)常識(shí)可知，抗拉強(qiáng)度、拉伸屈服強(qiáng)度以及布氏硬度越高，其相應(yīng)性能越好，本發(fā)明試樣的抗拉強(qiáng)度(在437-455之間)、拉伸屈服強(qiáng)度(在402-425之間)以及布氏硬度(在176-185之間)明顯高于錫青銅(在相同試驗(yàn)條件下，抗拉強(qiáng)度在195-300之間、拉伸屈服強(qiáng)度在104-180之間以及布氏硬度在68-100之間)。