DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.03.020
喷射成形Zn-27Al-1Cu合金制备滑动轴承
张永安 熊柏青 韦强 石力开
北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程中心!北京100088
摘 要：
研究了喷射成形Zn 2 7Al 1Cu合金棒坯的制备技术、热挤压工艺以及Zn 2 7Al 1Cu合金滑动轴承的制备技术 , 分析了喷射成形Zn 2 7Al 1Cu合金的显微组织、力学性能、耐磨性能。实验结果表明 :采用喷射成形制备的Zn 2 7Al 1Cu合金的棒坯经后续热挤压成形后 , 具有比传统铸造ZA2 7合金更高的力学性能和耐磨性能。这种由喷射成形Zn 2 7Al 1Cu合金制造的滑动轴承在实际使用过程中 , 其寿命比传统材料制造的滑动轴承提高 15 0 %以上。
关键词：
喷射成形 ;Zn-27Al-1Cu合金 ;ZA27合金 ;滑动轴承 ;
中图分类号： TG146.1
收稿日期： 2000-08-18
基金： 国家“八六三”计划资助项目 ( 863 -715 -0 0 9-0 0 3 );
Sliding bearing made of Zn-27Al-1Cu alloy by spray forming process
Abstract：
Producing process of spray formed Zn 27Al 1Cu billets, hot extrusion process and producing process of sliding bearing were studied. The microstructure, properties and wearability of spray formed Zn 27Al 1Cu billets were also studied. The results of experiments and application show that the strength of hot extruded Zn 27Al 1Cu from spray forming process is much better than those of Babbit and cast ZA27 alloy. The durability of new type sliding bearing is 150% more than that of conventional one. [
Keyword：
spray forming; Zn 27Al 1Cu alloy; cast ZA27 alloy; sliding bearing;
Received： 2000-08-18
铸造ZA27合金在许多工业场合被用作传统铸造巴氏合金和其它系列铜合金的替代材料。 采用铸造ZA27合金制造的滑动轴承在一些钢铁生产设备上使用时, 显示了其在润滑油供给临时中断状态下工作时良好的耐磨性能, 但由于铸造ZA27合金的屈服强度与传统铸造巴氏合金相比并未提高, 因此在重载荷工况下, 采用铸造ZA27合金制造的滑动轴承与传统铸造巴氏合金滑动轴承相比, 使用寿命提高幅度不明显; 另外在铸造生产过程中容易产生重力偏析缺陷, 从而影响最终使用性能。
喷射成形技术是一种快速凝固近终成形材料制备技术
[1 ,2 ,3 ]
, 该技术的出现为在不改变合金材料基本成分的条件下, 通过材料制备技术的更新而改善材料的组织, 从而为大幅度提高一些传统合金材料的性能提供了可能
[4 ,5 ,6 ,7 ,8 ]
。 本文作者利用喷射成形技术制备了Zn-27Al-1Cu合金棒坯, 并对后续制备加工、 使用性能进行了研究。 喷射成形实验在北京某院研制的SF-200大型喷射成形设备上进行, 磨损实验在销盘式磨损实验机上进行, 材料的拉伸实验在MTS-810力学性能实验机上进行, 采用NEOPHOT-2型金相显微镜对材料组织进行观察。
1喷射成形制备Zn-27Al-1Cu合金棒坯
利用喷射成形技术制备Zn-27Al-1Cu合金棒坯, 具体工艺参数为: 雾化压力为0.6~1.0 MPa, 喷射距离为350~500 mm, 沉积基体旋转速度30~60 r/min, 下降速度2~5 mm/s, 雾化气体选用氮气。 制备出直径为d 140 mm、 长度为250~700 mm的棒坯。 表1给出了喷射成形工艺过程中气体质量流量与合金质量流量之比 (G/M比) 对沉积坯件致密度 (沉积坯件致密度测量从沉积态棒坯中心取样) 、 实收率的影响。 实际生产中的G/M比选择为2.0, 此时沉积坯件的致密度为92%, 但实收率却高达66%~72%。
表1 G/M比对沉积坯件致密度、 实收率的影响
Table 1 Influence of G/M ratio on density and yield of spray formed preforms
G/M ratio
Density of preforms
Yield of preforms
1.2
86%
55%~58%
1.6
90%
63%~67%
2.0
92%
66%~72%
2.4
96%
60%~65%
图1给出了普通铸造ZA27合金和喷射成形Zn-27Al-1Cu合金挤压态的金相组织照片, 可以看出, 由于喷射成形技术所制备的材料凝固速度比较快 (>103 ℃/s) , 喷射成形Zn-27Al-1Cu合金的组织与传统铸造ZA27合金相比明显地细化, 这将有利于材料获得更高的力学性能和使用性能。
图1 ZA27合金和Zn-27Al-1Cu合金组织显微照片
Fig.1 Microstructures of ZA27 alloy and Zn-27Al-1Cu alloy (a) —ZA27 alloy; (b) —Zn-27Al-1Cu alloy
2Zn-27Al-1Cu合金棒坯热挤压工艺
将喷射成形制备的沉积态Zn-27Al-1Cu合金棒坯剥皮后, 按照不同滑动轴承的内径尺寸要求进行穿孔, 在高温下进行无缝管挤压成形。 由于沉积态合金在高温下具有较强的变形能力, 因此一般采用正挤压的工艺, 挤压比根据不同滑动轴承的内外径尺寸要求, 在8∶1~30∶1之间, 均可获得致密度高于98%的无缝管坯。 这些无缝管坯无需进行任何热处理便可获得很高的力学性能, 表2给出了喷射成形Zn-27Al-1Cu合金与普通铸造ZA27合金的主要室温力学性能和耐磨性能的比较, 其中质量磨损率测量条件为: 载荷0.2 MPa, 滑动速率0.75 m/s, 磨损时间60 min, 对磨材料为45钢 (HRC=22.6) 。
表2 喷射成形Zn-27Al-1Cu合金与普通铸造ZA27合金主要性能比较
Table 2 Comparison of properties of spray formed Zn-27Al-1Cu alloy with conventional cast ZA27 alloy
Alloy
σ 0.2 σ b δ max E Mass loss rate-2 ·s-1 )
Zn-27Al-1Cu
480~500
505~531
6.3~8.9
85~87
5.3~5.5
ZA27
310~320
350~370
2.6~3.1
83~85
6.6~7.1
3Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承制备
将热挤压得到的无缝管坯按照最终滑动轴承的长度进行裁断, 并沿轴向均匀打孔, 镶入固体润滑剂。 固体润滑剂的主要成分为MoS2 和石墨。 镶入固体润滑剂的目的是使滑动轴承在实际使用中具备更好的自润滑性能, 镶嵌数量一般要保证固体润滑剂所占的面积达到滑动轴承全部内表面的15%以上。 在上述工序完成后, 通过精密加工使滑动轴承获得最终的内径、 外径、 长度尺寸。 图2所示为喷射成形Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承实物照片。
4Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承的使用
小批量的喷射成形Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承从1998年已开始在某钢铁公司的板坯连铸、 型材轧机上使用。 通过喷射成形Zn-27Al-1Cu合金 (SFZn-27Al-1Cu) 滑动轴承与传统铸造巴氏合金、 ZA27合金滑动轴承在综合制造成本、 使用寿命方面的比较可知, 喷射成形Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承的综合成本比传统铸造ZA27合金提高110%, 略低于传统铸造巴氏合金, 但其使用寿命却比传统铸造ZA27合金提高了150%以上, 比传统巴氏合金提高了近180%, 有利于钢铁生产企业减少设备维修及零部件更换时间, 提高生产效率, 同时降低总的设备零部件采购资金消耗。 通过对某钢铁生产企业在一段时期内为使设备正常运转而采购不同合金滑动轴承所消耗的资金进行统计比较, 发现对钢铁企业来讲, 选用喷射成形Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承可形成最佳的费效比。
5 结论
1) 采用喷射成形工艺生产的Zn-27Al-1Cu合金具有非常细小的显微组织, 经热挤压成形后, 具
图2 喷射成形Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承实物照片
Fig.2 Photo of spray formed Zn-27Al-1Cu sliding bearing
有与传统铸造ZA27合金相比更高的力学性能和耐磨性能。
2) 对钢铁生产企业来讲, 选用喷射成形Zn-27Al-1Cu合金滑动轴承取代传统的铸造巴氏合金、 ZA27合金滑动轴承, 可获得更佳的费效比, 有利于这种新型滑动轴承产品大规模推广使用。
参考文献
[1] SingerARE .Theprinciplesofsprayrollingofmetals[J].MetalsMat, 1970 , 4 (4) :2 46 .
[] [2 ] EvansR , LeathamAG , BrooksRG .Theospreypre form process [J].PowderMetall, 1985 , 2 8:13.
[3] LeathamAG .Sprayforming :alloys, products , markets[A].FourthIntConfOnSF [C].Baltimore , USA , 1999.
[] [4 ] XIONGBai qing , ZHANGYong an .Preparationofroundbilletsbysprayformtechnology [J].TransNon ferrousMetSocChina , 1999, 9 (2 ) :30 2 .
[] [5 ] XIONGBai qing , ZHANGYong an .Preparationoftubeblanksbyatomizationdeposition process [J].TransNonferrousMetSocChina , 1999, 9 (3) :472 .
[] [6 ] ZHANGYong an (张永安 ) , XIONGBai qing (熊柏青 ) .喷射成型过程中雾化粒滴的数值模拟 [J].TheChi neseJournalofNonferrousMetals (中国有色金属学报 ) , 1999, 9 (Suppl.1) :78.
[7] ZHANGYong an (张永安 ) , XIONGBai qing (熊柏青 ) .非稳定流动对喷射成型制备圆锭成型性的影响 [J].RareMetals (稀有金属 ) , 1999, 2 3 (3) :189.
[8] CHENWen zhe, QIANKuang wu , GUHai chang .FracturebehavioroflamellarstructureinTi 48Al 2Mn 2Nballoyproducedbycentrifugalspraydepositions [J].TransNonferrousMetSocChina , 2 0 0 0 , 10 (5 ) :5 85 .
