锌基轴承合金的液－固态挤压成型工艺
2011-04-18作者：李晨霞；孔自安；卢根基
摘 要：研究了锌基轴承合金的液－固态挤压成型工艺。用该工艺制备的型材的各项力学性能指标均比铸态的高，这将促进锌基合金材料的推广应用。
关键词：锌基合金；液－固态挤压；型材；工艺
锌基耐磨合金作为轴承材料，其性能可与国内广泛使用的锡青铜相媲美，是一种可替代锡青铜的理想材料[1]。我国铜、锡资源短缺，锌储量丰富，推广锌基轴承合金就可解决国内轴瓦用材问题。然而，目前锌基合金大多以合金锭的形式供货，一般用户因用量有限，大多无重熔浇注设备，阻碍了该材料的推广运用。若采用铸锻联合工艺，对熔炼后的锌基合金进行液－固态挤压进而制成用户可直接进行机加工的不同规格型材和坯料，将促进锌基合金材料的推广应用。
1 试验条件和方法
1.1试验用锌基合金的化学成分
试验材料为洛阳工学院开发研制的3#、4#锌基合金，主要成分见表1。
关键词：锌基合金；液－固态挤压；型材；工艺
锌基耐磨合金作为轴承材料，其性能可与国内广泛使用的锡青铜相媲美，是一种可替代锡青铜的理想材料[1]。我国铜、锡资源短缺，锌储量丰富，推广锌基轴承合金就可解决国内轴瓦用材问题。然而，目前锌基合金大多以合金锭的形式供货，一般用户因用量有限，大多无重熔浇注设备，阻碍了该材料的推广运用。若采用铸锻联合工艺，对熔炼后的锌基合金进行液－固态挤压进而制成用户可直接进行机加工的不同规格型材和坯料，将促进锌基合金材料的推广应用。
1 试验条件和方法
1.1试验用锌基合金的化学成分
试验材料为洛阳工学院开发研制的3#、4#锌基合金，主要成分见表1。
表1 试验用锌基合金的化学成分(w) %
1.2熔炼和挤压设备
合金熔炼设备为高频电炉，挤压设备为YASS-315型油压机。先在高频电炉中进行熔炼浇铸成锌基合金锭，然后在油压机现场把合金锭放入电阻炉中重熔后，进行液－固态挤压，制成毛坯，Z后毛坯经热固态挤压制成管材。考虑到电炉的熔化能力和油压机行程的限制，取挤压成型管材的外径为50mm、内径为20mm、长度为400～500mm。
1.3工艺方案与工艺路线
分别采用重力铸造(金属型)和液－固态挤压两种工艺，用锌、铝、铜锭及其它合金作为原料，合金锭熔化温度为520～540℃。液－固态挤压时，将模具预热到100℃以上，将金属液浇入模腔，随后进行挤压。主要工艺路线如下：
合金熔炼(520～540℃)→
液－固态挤压孔型毛坯(480～500℃)→
热固态挤压管材(280～300℃)。
1.4液-固态挤压模具
液－固态挤压模具如图1所示，图左为液态金属浇入凹模空腔示意图，图右为挤压示意图。
本模具采用分离式活动心轴。浇入液态金属前先将心轴插入凹模内，用压机下顶出缸将下顶杆2顶在上限位置，以托住心轴1。挤压时空心凸模下行。心轴导入凸模中心孔之中，待金属液被完全封闭后即开始挤压。液态金属浇入温度较低的模腔后，凡与模具表面接触的部分均很快凝固，从而形成一个较薄的封闭的固态外壳。为了保证液态金属在三向压应力状态下结晶、凝固和变形，要预先调整好顶出缸的反压压力。挤压结束后利用顶出缸将已完全凝固的空心金属毛坯连同心轴一起顶出凹模，Z后在模具外面再将心轴从坯料中压出来。
合金熔炼设备为高频电炉，挤压设备为YASS-315型油压机。先在高频电炉中进行熔炼浇铸成锌基合金锭，然后在油压机现场把合金锭放入电阻炉中重熔后，进行液－固态挤压，制成毛坯，Z后毛坯经热固态挤压制成管材。考虑到电炉的熔化能力和油压机行程的限制，取挤压成型管材的外径为50mm、内径为20mm、长度为400～500mm。
1.3工艺方案与工艺路线
分别采用重力铸造(金属型)和液－固态挤压两种工艺，用锌、铝、铜锭及其它合金作为原料，合金锭熔化温度为520～540℃。液－固态挤压时，将模具预热到100℃以上，将金属液浇入模腔，随后进行挤压。主要工艺路线如下：
合金熔炼(520～540℃)→
液－固态挤压孔型毛坯(480～500℃)→
热固态挤压管材(280～300℃)。
1.4液-固态挤压模具
液－固态挤压模具如图1所示，图左为液态金属浇入凹模空腔示意图，图右为挤压示意图。
本模具采用分离式活动心轴。浇入液态金属前先将心轴插入凹模内，用压机下顶出缸将下顶杆2顶在上限位置，以托住心轴1。挤压时空心凸模下行。心轴导入凸模中心孔之中，待金属液被完全封闭后即开始挤压。液态金属浇入温度较低的模腔后，凡与模具表面接触的部分均很快凝固，从而形成一个较薄的封闭的固态外壳。为了保证液态金属在三向压应力状态下结晶、凝固和变形，要预先调整好顶出缸的反压压力。挤压结束后利用顶出缸将已完全凝固的空心金属毛坯连同心轴一起顶出凹模，Z后在模具外面再将心轴从坯料中压出来。
图1 液－固态挤压模具
1、活动心轴；2、下顶出杆；3-空心凸模；4-凹模
1、活动心轴；2、下顶出杆；3-空心凸模；4-凹模
2 力学性能对比试验
分别从4#锌基合金的液-固态挤压的毛坯，热固态挤压后的管材以及重力铸造的铸件上截取试样，检测其力学性能。按要求制成标准形状和尺寸的拉伸试样和冲击试样。冲击试样为V型缺口试样，其外形尺寸为55mm×10 mm×10 mm，V型缺口深度2 mm×45°，每检测项取3个试样，检测结果如表2所示。
分别从4#锌基合金的液-固态挤压的毛坯，热固态挤压后的管材以及重力铸造的铸件上截取试样，检测其力学性能。按要求制成标准形状和尺寸的拉伸试样和冲击试样。冲击试样为V型缺口试样，其外形尺寸为55mm×10 mm×10 mm，V型缺口深度2 mm×45°，每检测项取3个试样，检测结果如表2所示。
表2 锌基合金型材不同工艺条件下的成型试件的力学性能
从检测结果可以看出，与铸态锌基合金相比，锌基合金经液－固态挤压变形后各项力学性能指标均有不同程度的提高，其中塑性和韧性指标成倍提高，固态挤压合金的性能Z好，比铸态的性能更为理想。这主要归结于合金熔液在结晶过程中的挤压变形，合金晶粒细化，以及成分偏析得到抑制。该合金在液－固态挤压时，或多或少还会残留一些铸态组织，但在热固态挤压中经受更为剧烈的塑性变形时，铸态组织则会完全消除，合金组织也更为细密。这些也能从其力学性能上的差异上反映出来。
3 磨损试验
一般来说，挤压变形合金管材的组织呈纤维状，有明显的流线，不同方向上的力学性能的差别很大，热固态挤压管材的组织的各向异性更为明显。为弄清锌基合金组织与耐磨性能之间的关系，对不同加工状态下的锌基合金进行了磨损试验，试验在MM-200磨损试验机上进行。
试验载荷为50kg，速度为0.32m/s，用20#机油作润滑剂，摩擦时间为2h，以HRC50～52的45钢轴试样为对磨材料，试验结果如图2所示。
此外，还测定了3#、4#锌基合金与锡青铜ZQSn6-6-3的相对耐磨性(ε)，试验设备、试验条件均与锌基合金磨损试验的相同，只是摩擦时间缩短为1.5h，试验结果如图3所示。
3 磨损试验
一般来说，挤压变形合金管材的组织呈纤维状，有明显的流线，不同方向上的力学性能的差别很大，热固态挤压管材的组织的各向异性更为明显。为弄清锌基合金组织与耐磨性能之间的关系，对不同加工状态下的锌基合金进行了磨损试验，试验在MM-200磨损试验机上进行。
试验载荷为50kg，速度为0.32m/s，用20#机油作润滑剂，摩擦时间为2h，以HRC50～52的45钢轴试样为对磨材料，试验结果如图2所示。
此外，还测定了3#、4#锌基合金与锡青铜ZQSn6-6-3的相对耐磨性(ε)，试验设备、试验条件均与锌基合金磨损试验的相同，只是摩擦时间缩短为1.5h，试验结果如图3所示。
图2 锌基合金的3种成型试件的磨损性能
图3 锌基合金和ZQSn6-6-3的相对耐磨性
相对磨耐性ε=B′/B。式中：B为基准试样(3#)的磨痕宽度(相对耐磨性为1)。B′为试验试样的磨痕宽度。
由图2可以看出，液－固态及固态挤压锌基合金的耐磨性能均比铸态的好得多，其中以固态挤压的耐磨性能为Z好。由图3可以看出，液－固态和固态挤压的锌基合金的耐磨性能均比常用的青铜材料ZQSn6-6-3的好。
4 结论
锌基合金管材的液－固态挤压成形工艺是完全可行的，管材的各项性能均明显地优于铸态的。拉伸强度σb提高20.6%，伸长率δ5提高4.7倍，冲击韧性AkV提高2.9倍。
李晨霞：女，讲师，1961年生，1983年毕业于洛阳工学院金属材料及热处理专业，主要从事金属超塑性方面的研究及教学工作。
作者单位：李晨霞、孔自安，洛阳广播电视大学，洛阳471000
卢根基，洛阳工学院，洛阳471039
参考文献
1、Skenabc A F. Metall, 1983.9
2、Mihoichur W. Machine Design,1981(12)
由图2可以看出，液－固态及固态挤压锌基合金的耐磨性能均比铸态的好得多，其中以固态挤压的耐磨性能为Z好。由图3可以看出，液－固态和固态挤压的锌基合金的耐磨性能均比常用的青铜材料ZQSn6-6-3的好。
4 结论
锌基合金管材的液－固态挤压成形工艺是完全可行的，管材的各项性能均明显地优于铸态的。拉伸强度σb提高20.6%，伸长率δ5提高4.7倍，冲击韧性AkV提高2.9倍。
李晨霞：女，讲师，1961年生，1983年毕业于洛阳工学院金属材料及热处理专业，主要从事金属超塑性方面的研究及教学工作。
作者单位：李晨霞、孔自安，洛阳广播电视大学，洛阳471000
卢根基，洛阳工学院，洛阳471039
参考文献
1、Skenabc A F. Metall, 1983.9
2、Mihoichur W. Machine Design,1981(12)
（收稿日期：1999-04-27）