鋼球加工系列設(shè)備中鋅基合金的應(yīng)用研究

鄭王剛， 樊亞譜

（1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000；2.新鄉(xiāng)市新華液壓機(jī)械有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

鋼球加工系列設(shè)備，作為機(jī)床制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，對(duì)有色金屬銅合金的需求量很大。其原因在于我們生產(chǎn)的鋼球加工設(shè)備大量使用銅合金ZQSn6-6-3蝸輪蝸桿傳動(dòng)，銅合金ZQSn6-6-3適宜的工作條件為中速中載，耐磨損耐沖擊性好。在實(shí)際工作狀況中，鋼球加工設(shè)備基本處于24 h輕負(fù)載的工況下不停機(jī)工作，基于銅合金的鑄造性能、減摩性能好和力學(xué)性能好，銅合金主要使用在裝載料盤(pán)的減速機(jī)構(gòu)上的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，可以使鋼球加工設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間正常工作。但近些年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不斷恢復(fù)，造成基礎(chǔ)行業(yè)對(duì)原材料的需求大增，特別是鉛、鋅、銅、鋁等有色金屬價(jià)格也穩(wěn)步走高。如何在不降低產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，降低產(chǎn)品成本成為企業(yè)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展方向。在此，我們通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和生產(chǎn)試驗(yàn)，選擇鋅基合金ZA27在鋼球加工系列設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中替代銅合金。

1 鋅基合金

鋅基合金（Zinc Matrix Alloy，簡(jiǎn)稱ZA），是以鋅為主體，加定量的錫鉛，在焦炭爐中熔煉，采用氮?dú)饩珶捤玫降暮辖鸩牧希哂辛己玫牧W(xué)性能、摩擦性能優(yōu)良、耐磨性好、無(wú)火花和無(wú)磁性等特點(diǎn)，可以替代價(jià)格較貴的（錫鋁）青銅和（鉛）黃銅等銅合金以及巴士合金等制造軸瓦、軸套、螺母、蝸輪、滑塊和絲杠螺母等耐磨減摩零件。

表1 力學(xué)性能比較表

1.1 力學(xué)性能比較

鋅基合金與銅合金力學(xué)性能比較見(jiàn)表1。

1.2 磨耗比較

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)比如表2、表3所示。

表2 兩種合金耐磨狀況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 不同合金磨耗比較表 mm/km

1．3 PV（壓力－速度）特性比較

從表1～表4中可以看出，ZA27相較于其他合金材料，具有更高的強(qiáng)度；在干摩擦和潤(rùn)滑條件下，具有更低的摩擦因數(shù)、更好的承載能力、更低的摩擦溫升和更寬的液體潤(rùn)滑特性。但是由于鋅合金的流動(dòng)性優(yōu)良,因此鋅合金不但適合于砂型鑄造,也適合于壓鑄、殼型鑄造、金屬型鑄造、石墨永久型鑄造、石膏型鑄造、離心鑄造、連續(xù)鑄造和擠壓鑄造。

表4 PV特性比較表

2 鋅基合金使用性能

2.1 摩擦因數(shù)

從參考的資料中，我們可以得出ZA27在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)為0.20，在有油潤(rùn)滑的條件下，其摩擦因數(shù)為0.09，均小于ZQSn6-6-3的0.24。在低速重載的工況下，其壽命最長(zhǎng)為銅合金的3倍。

2.2 加工性能

2.2.1 鑄造性能

鋅基合金的流動(dòng)性優(yōu)良，因此鋅基合金不但適合于砂型鑄造，也適合于壓鑄、殼型鑄造、金屬型鑄造、石墨永久型鑄造、石膏型鑄造、離心鑄造、連續(xù)鑄造和擠壓鑄造。但鋅基合金蠕變強(qiáng)度較低，延展率和沖擊韌性低于傳統(tǒng)的耐磨銅合金。因此采用鋅合金生產(chǎn)厚壁耐磨鑄件時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?以防止鋅合金鑄件產(chǎn)生底縮和嚴(yán)重的疏松。

2.2.2 切削性能

鋅基合金具有優(yōu)良的切削性能，可進(jìn)行粗、精車,精車后表面粗糙度值可達(dá)Ra1.6 μm以上,呈光亮的銀白色,非常美觀，也可進(jìn)行研磨加工，其切削速度比灰鑄鐵高幾倍，與易切削黃銅相當(dāng)，刀具的磨損也較小，但切削速度及切削量增大時(shí)有黏刀現(xiàn)象，建議車刀削入為5～7 mm，切削速度為6 m/min左右，并涂煤油潤(rùn)滑刀具，以提高車削表面質(zhì)量。另外高強(qiáng)度鋅基合金不會(huì)因切削加工而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

鋅基合金加工后可根據(jù)需要進(jìn)行鍍鉻或陽(yáng)極鈍化處理及化學(xué)無(wú)電化處理,處理后的表面具有優(yōu)良的耐腐蝕性,可進(jìn)行氬弧焊接。

2.3 裝配使用性能

鋅基合金具有優(yōu)良的切削性能，可以進(jìn)行切削和磨削加工，故其制備零件的尺寸精度和形狀精度較高。鋅基合金蠕變強(qiáng)度較低，延展率和沖擊韌性低于傳統(tǒng)的耐磨銅合金。我們?cè)谑褂娩\基合金制作零件時(shí)，應(yīng)注意裝配技巧，不可用重錘直接敲擊安裝面，應(yīng)用橡膠錘或紫銅進(jìn)行裝配。鋅基合金膨脹系數(shù)比銅合金大，調(diào)整裝配配合間隙應(yīng)稍大。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

由于ZA27合金的密度僅為銅合金的2/3,而其價(jià)格卻為銅合金的一半左右,因此制造相同的耐磨零件,ZA27合金的生產(chǎn)成本僅約為銅合金的1/3左右。自2006年以來(lái)，我們先后在鋼球加工系列設(shè)備中立式鋼球機(jī)輸球料盤(pán)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)上，用鋅基合金代替銅合金試驗(yàn)。在用戶使用過(guò)程中，提出正確的潤(rùn)滑條件，保證輸球料盤(pán)正常工作。使用至今，用戶反饋良好。在替代試驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)在性能上鋅基合金耐磨性優(yōu)于銅合金，但在實(shí)際使用過(guò)程中還應(yīng)注意鋅基合金的缺陷：1）使用的環(huán)境溫度應(yīng)低于120℃；2）鋅基合金不能承受劇烈的沖擊負(fù)荷；3）鋅基合金不能在缺油狀態(tài)下工作；4）零件相對(duì)滑移線速度≤7 m/s，重載(可達(dá)30 MPa)的耐磨件，但因線速度增大會(huì)引起工件發(fā)熱,應(yīng)嚴(yán)密、慎重考慮；5）非腐蝕介質(zhì)及熱蒸汽環(huán)境；6）鋅基鋁合金膨脹系數(shù)比銅合金大，配合間隙應(yīng)稍大。

4 經(jīng)濟(jì)效益

3ML4780系列鋼球加工設(shè)備，承擔(dān)運(yùn)送物料的料盤(pán)傳動(dòng)系統(tǒng)中大量使用蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)。該傳動(dòng)系統(tǒng)功率為0.75 kW，轉(zhuǎn)速約為0.7 r/min。減速箱銅蝸輪零件代號(hào)40A200，其選用材質(zhì)為ZQSn6-6-3，單個(gè)銅蝸輪合計(jì)成本為647.88元/件。試驗(yàn)材質(zhì)改為鋅基合金ZA27，整體外購(gòu)，合計(jì)成本為215元/件。試驗(yàn)時(shí)間為1 a，期間設(shè)備使用正常，無(wú)不良使用效果投訴。故決定將此件材質(zhì)改為鋅基合金ZA27。通過(guò)鋅基合金替代銅合金材料，單個(gè)蝸輪可節(jié)約成本433元?，F(xiàn)在鋼球加工系列設(shè)備中4種產(chǎn)品（3ML4980A、3ML4680B、3ML4780B、3M7266） 立式鋼球機(jī)均采用此蝸輪，每年總需求量為350件左右。初步計(jì)算每年可節(jié)約成本15萬(wàn)元，故現(xiàn)在企業(yè)配套已將此蝸輪材料由銅合金ZQSn6-6-3改為鋅基合金ZA27。

5 結(jié)論

鋅基合金具有的典型力學(xué)性能，在很大程度上可以替代銅合金，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命；在成本上相較于銅合金可以為企業(yè)節(jié)約60%的資金。雖然其一些缺陷是不可忽視的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇，避開(kāi)其因本質(zhì)缺陷而造成不能使用的條件，最大限度地發(fā)揮鋅基合金性能優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代制造企業(yè)發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)原材料。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 高存貞.鋅基合金軸瓦材質(zhì)及成型工藝研究[D].洛陽(yáng):河南科技大學(xué),2011:9-32.

[2] 司家勇.高鋁鋅基合金相圖、相變與性能研究[D].南寧:廣西大學(xué),2005:1-64.

[3] 解念鎖,王艷,武立志.高鋅基合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].熱加工工藝,2010(14):50-53.

[4] 沈保羅.鋅基合金的性能特點(diǎn)及其在冶金行業(yè)中的應(yīng)用[J].四川冶金,1996(1):63-65.

[5] 李偉文.代銅耐磨鋅基合金[J].冶金叢刊,1995(5):39-45.

[6] 吳自明.鋅基合金及其在模具中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2010(5):39-40,43.

[7] 丁學(xué)明.周素洪.葉兵,等.鋅銅鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào),2017(3):38-43,51.

[8] 紀(jì)剛,孫靜,王吉岱.高鋁鋅基合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].熱加工工藝,2011,40(8):52-55.

[9] 劉文娣.高鋁鋅基合金強(qiáng)化機(jī)制研究進(jìn)展[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2016(7):26-27.

[10]蔣俊如.鋅基合金ZA13鑄造管和液態(tài)擠壓管的耐磨性分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2014(3):61-62.

[11]陳勇.模具技術(shù)在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的作用—以鋅基合金為例[J].中國(guó)集體經(jīng)濟(jì),2013(7):40-41.

[12] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[13] 曾健華.鋅基合金模具的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997

[14]張世宗.高鋁鋅基合金的實(shí)用研究[J].鑄造設(shè)備與工藝,2004(2):14-17.

[15] 顧冬青,邵紅紅,紀(jì)嘉明.新型高鋁鋅基合金制備及其性能[J].特種鑄造及有色合金,2010,30(6):584-586.