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高强韧锌基合金ZA30的研制及其摩擦磨损性能的研究

李宝民  
【摘要】:锌基合金熔炼温度低及无工业污染,以锌基合金替代铜合金有助于实现节能减排及可持续发展。然而目前国内外所研制的锌基合金室温塑韧性低,用其制造的零部件常常因断裂而过早失效,成为制约锌基合金推广应用的瓶颈,因此研制高强韧锌基合金具有重要的学术意义和应用价值。 本文通过研究Al、Cu、硼钛复合盐变质和稀土变质对锌基合金力学性能的影响,研制了抗拉强度407~418MPa、延伸率12.1%-17.3%的高强韧锌基合金ZA30。研究发现:在铝含量27%-35%范围内,锌基合金的抗拉强度逐渐降低,延伸率则先升后降,在29%-31%处于最大值。这是由于α(A1)相增加、非平衡共晶组织减少导致强度和延伸率增加、(α+η)共析体减少、显微缩松增大导致强度和延伸率降低综合作用的结果。在铜含量1.5%-3.5%范围内,锌基合金的抗拉强度逐渐增大,延伸率则先升后降,在2%-2.5%处于最大值。硼钛复合盐或稀土铈对锌基合金进行变质处理,均可细化合金组织,并使非平衡共晶组织分布得均匀且不连续,提高抗拉强度,显著提高延伸率。就变质效果而言,硼钛复合盐优于稀土铈。 本文在MPX-2000型销盘式摩擦磨损试验机上,进行了与ZA27、ZCuSn6Zn6Pb3、ZCu10P1、ZCuA110Fe3四种合金在不同润滑、不同载荷条件下的滑动摩擦磨损性能的对比试验,为ZA30的推广应用提供了试验基础。试验结果表明:在2#通用锂基脂润滑并分别加载200N、400N条件下,ZA30合金的耐磨性优于其它四种合金。在46#工业齿轮油润滑并分别加载400N、600N、800N、1000N条件下,ZA30的耐磨性明显优于ZA27、ZCuSn6Zn6Pb3、ZCuAL10Fe3,略优于ZCuSn10P1,但在1000N时略低于ZCuSn10P1。在此基础之上,本文在十多家企业进行了工业试验,验证了实验室结论的正确性。 借助扫描电镜和X射线能谱仪等分析手段探讨了5种合金的磨损机理。扫描电镜的磨损形貌显示,在相同试验条件下,ZA30的磨痕深度均浅于其它四种合金,验证了磨损试验的数据。磨损形貌还显示,随着载荷的增加,五种合金均由磨粒磨损向粘着磨损转化。X射线能谱分析证实对磨钢盘表面存在ZA30和三种铜合金的转移膜及化学反应膜。 通过对磨损试验数据的进一步分析和归纳,发现磨粒磨损应细分为犁削型磨粒磨损和剥落型磨粒磨损,犁削型磨粒磨损的耐磨性优于剥落型磨粒磨损;当四种合金都处于低位磨损状态时,其耐磨性的次序为:ZA30 ZCuSn10P1 ZCuSn6Zn6Pb3 ZCuAL10Fe3.当载荷、滑动速度、润滑使合金由低位磨损状态(磨粒磨损)向高位磨损状态(粘着磨损)转化时,其转化次序为:ZCuSn6Zn6Pb3 ZCuSn10P1 ZA30 ZCuAL10Fe3。四种合金的耐磨性次序相应改变。


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