（材料加工工程专业论文）高铝锌基合金耐磨性能的研究.pdf

导师： - 悻蒡 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 擀徽期删年够叼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金魍工业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：馓 签字日期 学位论文 工作单位 通讯地址 导师签名：乡匆忙蒡 姆园。f7 每4 其占j 日 噼：| 坼6 5 龇嘲 黼毗7 高铝锌基合金耐磨性能的研究 摘要 高铝锌基合金具有良好的力学性能和耐磨性能，可用于替代锡青铜和铝青 铜制造滑块、轴瓦、轴套、涡轮等，零件的使用寿命可达铜合金的1 3 倍，而 铸件成本仅为铜合金的4 0 6 0 ，具有显著的经济效益。本文首先通过正交试 验确定了z a 4 0 的优化成分，在此基础上对经过成分优化的z a 4 0 合金做了摩擦磨 损试验研究，分析了合金元素( c u ，m g ，s i ，稀土r e ) 和六种不同的热处理工艺对 z a 4 0 合金的金相组织及其耐磨性能的影响，初步探讨了z a 4 0 合金的拉伸断裂机 制和摩擦磨损机理，研究结果如下所述： ( 1 ) 通过正交试验，综合抗拉强度和布氏硬度得到的z a 4 0 合金成分的优化 组合为：z n a 1 4 0 c u 4 m g o 0 2 s i 3 一r e 0 1 5 。铸态下，z a 4 0 合金的金相组织主要 由相、t l 相、s i 相、e 相和共析体( q + 1 1 ) 组成。 ( 2 ) 影响z a 4 0 合金抗拉强度因素的主次顺序为m g c u r e s i ；影响z a 4 0 合 金硬度因素的主次顺序为s i r e c u m g ；影响z a 4 0 合金延伸率因素的主次顺序 为r e m g c u s i 。 ( 3 ) 经过成分优化后，z a 4 0 合金的性能得到了较大幅度的提高，与文献中 报道的性能相比，优化后的z a 4 0 合金其硬度、强度和延伸率分别从h b s l 2 2 、 3 3 9 m p a 和1 5 提高到了h b s l 5 8 6 、3 5 8 2 4 m p a 和2 5 5 ，分别提高了3 0 、5 7 和7 0 。 ( 4 ) 铸态z a 4 0 合金的拉伸断裂机制可以认为是一种应变诱导方式的准解理 断裂，拉伸断裂时伴随着的较大的塑性变形，且在准解理面上常常出现一些所 谓的撕裂棱和韧窝带。 ( 5 ) 不同载荷下，铸态z a 4 0 合金的干摩擦系数变化不大，随着载荷的增大， 合金摩擦系数略有上升，载荷分别为2 0 0 n 和3 0 0 n 时，平均干摩擦系数分别是 0 5 5 和o 5 7 。 ( 6 ) 铸态z a 4 0 合金在干摩擦条件下的磨损机理随载荷的大小不同而有所不 同。在较低载荷( 2 0 0 n ) 时，主要是磨料磨损和氧化磨损；较高载荷( 3 0 0 n ) 时， 主要是表面疲劳磨损和氧化磨损。 ( 7 ) 对铸态z a 4 0 合金作高温固溶处理之后，随着冷却速率的增大，合金的 晶粒尺寸依次减小，但合金中仍然存在较为严重的成分偏析现象。 ( 8 ) 对经过固溶+ 淬火处理之后的z a 4 0 合金再进一步作低温时效处理，随 着时效保温时间的延长，成分偏析和应力集中现象逐步得到消除，晶粒逐渐长 大。 ( 9 ) 热处理工艺对铸态z a 4 0 合金磨损量的影响规律是：固溶处理配合短时 间的低温时效，能使z a 4 0 合金的磨损量显著下降，且磨损量随着低温时效时问 的延长而增大。实验表明，热处理工艺为：3 8 0 x8 h 水淬+ 2 0 0 x2 h 空冷能 使z a 4 0 合金试样的磨损量下降最大。经过时效处理之后的试样摩擦磨损性能更 加稳定。 由于铝青铜和锡青铜的材质与z a 4 0 合金相比较软，在同等实验条件下 虽然其摩擦系数较z a 4 0 合金小，但其磨损量都远大于( 不管是铸态还是经过热 处理过后的) z a 4 0 合金。 总之，z a 4 0 合金可以作为一种新型的减摩材料用于替代部分锡青铜和铝青 铜制造耐磨材料。 关键词：z a 4 0 合金；耐磨性；摩擦磨损；热处理；正交试验 r e s e a r c ho nw e a rr e s i s t a n c eo fh i g h - a l u m i n u m z i n c - b a s e da l l o y s a b s t r a c t p r o v i d e dw i t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a rr e s i s t a n c e ，h i g h - a l u m i n u m z i n c b a s e da l l o y s ( z a 4 0 ) c a nb eu s e dt or e p l a c et i nb r o n z ea n da l u m i n u mb r o n z et o m a k es l i pb l o c k s ，b e a r i n gb u s h e s ，a x l es l e e v e s ，w o r mw h e e l sa n ds oo n t h es e r v i c e l i f eo fc a s t i n g sm a d eo fz a 4 0 ，w h i c hc o s to n l y4 0 - 6 0 e x p e n s e so fb r o n z e p a r t s ，i sa b o u t1 - 3t i m e st h a nt h a to fb r o n z e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o no fz a 4 0h a sb e e nd e t e r m i n e db yc o m p a r e w i t ht h et e n s i l es t r e n g t ha n db r i n e l lh a r d n e s s t h ef r i c t i o nb e h a v i o r so fz a 4 0a r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h e 。e f f e c to fa l l o y i n ge l e m e n t s ( c u ，m g ， s ia n dr e ) a n ds i xk i n d so fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n d w e a rr e s i s t a n c eo fz a 4 0a l l o y sa r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h em e c h a n i s m so f t e n s i l eb r e a ka n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c so fz a 4 0a l l o y sa r ed i s c u s s e db r i e f l y t h e r e s u l t so ft h i sr e s e a r c hp r o g r a ma r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o no fz a 4 0i sz n - a 1 4 0 一c u 4 一m 9 0 0 2 一s i 3 - r e 0 1 5 t h e m i c r o s t r u c t u r eo fa s - c a s tz a 4 0a l l o y sm a i n l yc o n s i s t so fap h a s e ，1 1p h a s e ，s i p h a s e ，p h a s ea n de u t e c t o i d ( a + t 1 ) ( 2 ) t h es i g n i f i c a n c eo r d e ro fe f f e c tf a c t o r so nt h et e n s i l es t r e n g t ho fa s - c a s tz a 4 0 a l l o yi sm g c u r e s i t h eo r d e ro fe f f e c tf a c t o r so nt h eb r i n e l lh a r d n e s si s s i r e c u m g ，a n dt h a to nt h ee l o n g a t i o ni sr e m g c u s i ( 3 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz a 4 0a l l o ya r eg r e a t l yi m p r o v e da f t e rt h e c o m p o s i t i o ni so p t i m i z e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t s r e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e ，t h eb r i n e l lh a r d n e s s ，t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f t h ea s c a s tz a 4 0a l l o yi n c r e a s ef r o mh b s1 2 2 ，3 3 9 m p aa n d1 5 t oh b s15 8 6 ， 3 5 8 2 4 m p aa n d2 5 5 r e s p e c t i v e l y , r a i s e db y3 0 ，5 7 a n d7 0 ( 4 ) t h em e c h a n i s mo ft e n s i l eb r e a ko ft h ea s c a s tz a 4 0a l l o yc a nb ec o n s i d e r e da sa k i n do fs t r a i n i n d u c e dc l e a v a g ec r a c k t h e r ei sr e m a r k a b l ep l a s t i cd e f o r m a t i o n a n ds o m eb a n de d g e sa n dt e a rd i m p l e so nt h ep l a n eo fd i s r u p t i o nw h e nt e n s i l e b r e a kt a k ep l a c e ( 5 ) u n d e rd i f f e r e n tl o a d s ，t h ed r yf r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ea s c a s tz a 4 0a l l o y c h a n g e sal i t t l e t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tr i s e ds l i g h t l yw i t hi n c r e a s i n gl o a d t h e a v e r a g ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti so 5 5a n d0 5 7u n d e rt h el o a d2 0 0 na n d3 0 0 n r e s p e c t i v e l y ( 6 ) t h ew e a rm e c h a n i s ma b o u td r yf r i c t i o no ft h e a s e a s tz a 4 0a 1 1 0 vv a r i e sw 。i t h d i f f e r e n tl o a d s t h ew e a rm e c h a n i s mi s m a i n l ya b r a s i v ew e a ra n do x i d a t i o n w e a ra tl o w e rl o a d2 0 0 na n dt h a ti ss u r f a c ef a t i g u ew e a ra n do x i d a t i o nw e a ra t h i g h e rl o a d30 0 n ( 7 ) t h eg r a i ns i z eo fz a 4 0d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n g c o o l i n gr a t ea f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n ti nh i g ht e m p e r a t u r e ，b u tt h e r ei s s t i l ls o m es e g r e g a t i o no fa l l o y i n g e l e m e n t si nt h em i c r o s t r u c t u r e ( 8 ) t h es e g r e g a t i o na n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o na r ee l i m i n a t e da st h ea g i n gt i m e e x t e n d e d w h i l et h eg r a i ns i z ei n c r e a s e da f t e rs o l u t i o n i z i n ga th i g ht e m p e r a t u r e ，q u e n c h i n gi n w a t e ra n da g i n ga tl o w t e m p e r a t u r eo fz a 4 0 a l l o y ( 9 ) t h ee f f e c to fd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so nw e a rr a t eo f z a 4 0a 1 1 0 vc a n b ec o n c l u d e da sf o l l o w s ：t h ew e a rr a t eo fz a 4 0 a l l o yd e c r e a s e ds i g m f i c 锄t l ya f i e r s o l u t i o n i z i n gc o u p l e dw i t has h o r tt i m el o w - t e m p e r a t u r ea g i n gn a n n e n t ，a n di j l c “：a s e d w i t ht h el o w - t e m p e r a t u r ea g i n gt i m ee x t e n d e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e 、 ，e a r 眦o f z a 4 0a l l o yd e c r e a s e sm o s ta f t e rt h eh e a t t r e a t m e n tp r o c e s s ：3 8 0 x g h r q u e n c h i n g ) + 2 0 0 。cx 2 h ( c o o l i n gi na i r ) f u r t h e r m o r e ，t h ef r i c t i o nb e h a v i o r sa r ev e r y s t a b l ea f t e ra g i n g ，e s p e c i a l l yi nt w oh o u r sa g i n gt r e a t m e n t 0 0 ) b e c a u s ea l u m i n u mb r o n z ea n dt i nb r o n z ea l l o yi ss o f t e rt h a nz a 4 0a 1 1 0 y t h e w e a rr a t eo ft h e s eb r o n z eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n sa r eg r e a t e rt h a nt h a t o f z a 4 0a l l o y a l t h o u g ht h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h e s eb r o n z e 棚陀s m a l l e rt h a n t h a to fz a 4 0a l l o y , t h ew e a rr a t eo fz a 4 0a l l o yi sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to f t h e s eb r o n z eu n d e rb o t ha s c a s ta n da f t e rh e a tt r e a n n e n tc o n d i t i o n s i nc o n c l u s i o n ，t h ez a 4 0a l l o yc a nb eu s e da s an e wk i n do fw e a rr e s i s t a n t m a t e r i a lt or e p l a c et i nb r o n z ea n da l u m i n u mb r o n z em a k i n gw e a r p a r t s k e y w o r d s ：z a 4 0a l l o y ；w e a r - r e s i s t a n c e ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t f r i c t i o na n d w e a r ；h e a tt r e a t m e n t ； 致谢 本文是在何顺荣老师的悉心指导和帮助下完成的，论文的顺利完成也凝结 了何老师的谆谆教诲和辛勤汗水。近三年来，何老师渊博的学识，勤恳严谨的 工作习惯，踏实认真的工作态度，精益求精的科研精神，深深地鼓舞着我，时 时勉励我前进，使我真正理解了“鸟随鸾风飞腾远，人伴贤良品自高 这句话 的真谛。在向何老师求学的日子里，我不仅学习、巩固了专业知识，更重要的 是学会了正确的学习工作方法，同时也学会了对待生活、对待人生的正确态度， 懂得了应该如何做人和做事，这些使即将走上工作岗位的我尤为受益匪浅。弥 足珍贵的求学阶段即将结束，我憧憬未来的同时，也更加留恋逝去的美好时光。 但我相信，何老师的教诲将永远铭记我心，激励我更加努力的工作和学习。再 次，我向何老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在近三年的读研期间，各位代课老师和实验室的老师给予了我详尽的讲解， 耐心的指导。他们诲人不倦的教学态度深深感动着我，让我在读研过程中受益 良多，特别是工大新区工培中心以及实验车间的老师，正是有了他们诚挚的帮 助和配合，才使得我的毕业论文能够如期完成。谨此，我向他们表示由衷的谢 意! 近三年的同窗舍友李亮、张敏，同学好友刘福东、李雷阵、王求、张燕瑰 等，师弟朱健平、师妹储琪都给予了我最无私的帮助和真诚的建议，让我在遇 到困难的时候，可以找他们倾诉、商议，帮助我克服困难继续前进。在此，我 向他们表示诚挚的感谢! 背井离乡的求学生涯已过了很久，家人的爱永远是我前进的动力。读研期 间，父母兄弟姐妹，亲戚朋友的殷殷关切使我感到无比的幸福。虔诚地祝愿我 的家人、老师、朋友们身体健康，工作顺利，合家幸福，永远开心快乐! 贾胜超 2 0 11 年4 月1 6 日 目录 第一章绪论1 1 1 高铝锌基合金的发展及应用现状1 1 - 2 高铝锌基合金耐磨性研究现状4 1 3 本论文的研究内容8 第二章实验内容与方法1 0 2 1 主要实验仪器和材料1 0 2 1 1 实验仪器1 0 2 1 2 实验材料1 0 2 2z a 4 0 合金熔炼1 0 2 2 1 熔炼方法1 0 2 2 2z a 4 0 的熔炼过程一1 1 2 3 测试分析用试样的准备1 2 2 3 1 金相试样的制备1 2 2 3 2 拉伸试样的制备1 2 2 3 3 布氏硬度试样的制备1 2 2 3 4 耐磨试样的制备1 2 2 3 5 扫描电镜试样的制备1 2 2 4 正交试验1 2 2 5z a 4 0 合金拉伸断裂机制的探讨1 3 2 6 摩擦磨损试验1 3 2 7 热处理试验1 4 第三章正交试验1 5 3 1 各因素水平的确定1 5 3 2 合金显微组织一1 7 3 3 正交试验结果分析1 9 3 4 优化成分合金性能验证j 2 2 3 5z a 4 0 合金的断裂特征一2 2 3 6 本章小结2 5 第四章z a 4 0 合金的耐磨性2 7 4 1 摩擦磨损概述2 7 4 1 1 摩擦的定义及分类2 7 4 1 2 磨损的定义及其分类2 7 4 1 3 研究摩擦磨损的意义2 9 4 2z a 4 0 合金耐磨特性2 9 4 2 1 摩擦磨损试验方法一2 9 4 2 2 摩擦磨损试验结果分析一3 0 4 2 3 金相组织对z a 4 0 耐磨性能的影响3 l 4 3 摩擦磨损试样表面s e m 和e d s 分析j 3 2 4 4 本章小结3 5 第五章热处理对z a 4 0 合金耐磨性的影响3 6 5 1z a 4 0 合金的热处理工艺3 7 5 1 1z a 合金的凝固特点3 7 5 1 2 热处理工艺a 4 0 合金显微组织的影响3 9 5 2 热处理工艺对z a 4 0 合金耐磨性的影响4 0 5 2 1z a 4 0 合金摩擦系数及磨损量4 0 5 2 2z a 4 0 合金与铝青铜、锡青铜的耐磨性比较4 2 5 3 合金摩擦磨损表面s e m 和e d s 分析4 2 5 3 1 磨损表面s e m 分析4 2 5 3 2 磨损表面e d s 分析4 4 5 4 本章小结4 5 第六章结论4 7 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 插图清单 图2 - 1 金属模具及浇注试样图一1 0 图2 2 耐磨试样及磨损试样和配对件的接触示意1 3 图3 - 1 不同成分铸态z a 4 0 合金显微组织金相照片4 0 0 1 8 图3 - 2z n - a 1 二元合金相图和z a 4 0 合金冷却睹线示意图1 8 图3 3 各元素对z a 4 0 力学性能的影响_ 。2 1 图3 - 4z a 4 0 合金铸态试样拉伸断口形貌及能谱分析2 3 图3 - 5 光滑圆试样的拉伸断i 2 4 图4 1 摩擦系数随时间的变化及不同载荷与磨损量的关系图3 0 图4 2z a 4 0 合金显微组织金相照片4 0 0 一_ 3 l 图4 3 铸态z a 4 0 在不同载荷下表面磨损形貌s e m 图像及部分e d s 图谱3 2 图5 1z n - a 1 二元合金相图及z a 4 0 冷却曲线示意图3 7 图5 2z a 4 0 合金在不同热处理工艺下的金相照片1 0 0 3 9 图5 - 3 摩擦系数随时间变化及不同热处理状态下z a 4 0 合金的磨损量图4 0 图5 4 摩擦系数随时间变化及不同热处理状态下z a 4 0 合金的磨损量图4 l 图5 - 5 合金表面磨损形貌s e i d 图像_ 。4 3 图5 64 号热处理方案z a 4 0 合金试样磨损表面s e m 和e d s 图谱4 4 表格清单 表1 - 1z a 合金的性能- 1 表2 - 1 熔炼锌合金时坩埚和工具用涂料的配方( 质量分数w t ) 1 l 表2 2 摩擦力矩范围所需配置的重铊数：1 4 表3 - 1 正交试验方案表 l 。( 3 4 ) 及z a 4 0 合金性能1 7 表3 - 2 拉伸强度试验计算表19 表3 - 3 布氏硬度实验计算表2 0 表3 - 4 各因素对力学性能影响的极差分析油工? ：2 1 表3 - 5z a 4 0 合金的化学成分及力学性能二2 2 表4 - 1 不同载荷下铸态z k 4 0 磨损试验后表面e d s 分析。_ _ _ i 3 3 表5 - 1z a 4 0 合金热处理工艺方案3 9 表5 - 2 合金在不同载荷下的磨损量m g 一4 2 表5 - 3 图5 - 6 中1 和2 处的e d s 分析一4 5 第一章一绪论 1 1 高铝锌基合金的发展及应用现状 一高铝锌基合金是在z n - a 1 二元合金的基础上发展起来的新型铸造有色合 金。于2 0 世纪7 0 年代开始发展，主要用于重力铸造，直到2 0 世纪8 0 年代， 一该合金才开发用于压铸件。如今，商业应用z a 合金由于其良好的铸造性能和 连接性能，被用于部分替代铸铝件以及青铜轴承件心。12 1 。它们也可以替代一部 分铸铁件，甚至高载荷较低滑动速度下的铸钢件n3 “1 。这种合金具有熔点低： 一。流动性好及良好的耐磨性等特点，力学性能与黄铜相近，价格低，可作为黄铜、 + 一铅青铜及低锡巴氏合金的代用材料，正越来越广泛地应用于各个领域，并带来 了显著地经济效益。因而近年来受到国内外的广泛重视，在替代铜合金作为减 - 磨耐磨材料方面获得了越来越多的应用n5 1 。不过，高铝锌基合金也存在塑性和 韧性较差，尺寸不够稳定，工作温度偏低等缺点。锌铝合金存在的另一问题是 “ 高温热强度很差，一般在1 2 0 就很难保证原有的强度了。这是由z a 合金本身 的成分特点决定的，主要有以下原因：一是先天原因，z n 本身的熔点低，只有 4 1 9 ，1 5 0 已是其熔点的6 0 ( 绝对温度) ；二是z a 合金其主要强化机理是固 溶强化和沉淀强化，但这种强化作用虽然在室温下的效果不错，但在高温下却 较差，1 5 0 工作条件下基本没有了什么强化作用；三是从锌铝二元合金相图中 可以看到z a 合金凝固温度范围较大，常规铸造条件下宏观偏析比较严重，导致 树枝晶间存在许多低熔点共晶区，如z a 2 7 它的凝固温度范围较宽，树枝晶分枝 发达，导致铸造显微缩松较多，使其性能严重下降： 生产过程中，含a 1 大于2 5 ( 质量分数) 的z a 合金往往被用作耐磨件。 研究最多的莫过于z a 2 7 ，这是由于此成分的合金有很好的综合性能豆然而，z a 2 7 的设计是以强度指标为其最主要依据的，其耐磨性能并不是很好。对含铝大于 2 7 的锌合金研究的不多，有研究显示z a 合金随着铝含量的增加，密度下降、 收缩率、伸长率、硬度、冲击值及抗蠕变性增大，高热强性有较大改善，耐磨 性也得到了提高。有文献n t l 7 3 报道z a 2 7 和z a 4 0 合金的一些性能如表1 - 1 所示 表1 - 1z a 合金的性能 人们远在公元前5 0 年就知道了锌，在c a m e r o s 遗址中发现有古人用锌制作 的手镯n 8 1 。大约在1 6 世纪，锌金属传到欧洲，有人开始了对锌的研究。1 9 世 纪铸造锌合金被研发出，然而由于当时无法获得纯度较高的原材料锌，导致锌 合金有很多缺点，比如晶间腐蚀严重，过早失效以及在潮湿的环境下容易开裂 等，所以不能成为具有优良性能的工程材料，它发展和应用也受到了较大限制。 大约1 9 3 0 年，美国的新泽西锌合金公司研制了z a m a k 3 和z a m a k 5 锌铝压铸合金。 第二次世界大战期间，德国由于铜资源紧缺，采用重力铸造锌铝合金代替铜制 造轴瓦、轴套等轴承材料。1 9 5 9 到1 9 6 2 年期间，国际铅锌组织i l z r o 开发出 名为i l i r 0 1 2 的铸造锌合金。到了7 0 年代中期，加拿大n o r a n d a 研究中心与美 国e a s t e r n 合金公司先后开发出z a 8 、z a 2 7 ，与后来开发的z a l 2 合金，组成了 新的系列锌合金u 引。 根据国际铅锌组织的数据，工业生产中锌用量中的4 7 用于钢材的防护镀 层。由于锌层有高效防护和防腐性，镀锌板广泛应用于汽车、建筑等行业。为 了达到减小自重，提高燃料利用率的目的，热镀和电镀钢板在汽车工业中的应 用比例逐年上升。镀锌钢板、镀锌钢丝、镀锌螺丝、结构件等依然应用于建筑 行业。锌及锌铝合金还经常通过热喷涂方式用于保护桥梁、交换塔等钢结构件。 黄铜、青铜制造业大约要消耗1 9 的锌，锌的加入可以提高铜合金的机械加工 性能、强度和耐磨及耐蚀性能。1 4 的锌用来制造五金和汽车零件。锌合金铸件 可以减轻汽车质量，从而提高汽车燃油效率。随着铸造业的发展和成本降低， 锌合金在汽车配件中的份额不断攀升。用于半成品制造的锌大约占到8 ，包括 轧制组合屋面材料、硬币等。当然，锌还有其它用途，比如动物饲料添加剂等。 颜料、橡胶填料以及医药化妆品中也有大量的氧化锌，它还用于浸渍木材起防 腐作用。硫酸锌用于制革、陶瓷、医药、化肥等。 我国在此领域也取得极大的发展，建国早期锌铝合金主要作为压铸合金使 用。7 0 年代末鞍山钢铁公司采用z a 2 7 锌铝合金取代锡青铜制作轴承滑块，提 高了轴承滑块使用寿命同时也降低了成本，直接经济效益每年达2 5 万元。采用 z a 2 7 锌铝合金生产滑动轴承的江苏海安重型剪床厂，也使其成本减小到原来的 2 8 2 6 。此外，郑州机械研究所利用锌铝合金内部的阻尼机制将其进一步应用 到减振降噪领域，唐山齿轮厂也利用锌铝合金成功地造出汽车变速器和特种风 机。1 9 9 2 年北京科技大学和北京假肢研究所研制出制作假肢体的z a 2 7 t y 新材 料，并申报了国家发明专利口们。锌铝合金的不断发展及应用，促使了其生产的 标准化、系列化。 锌铝合金的重要应用领域就是在低速重载工况下代替铜合金制造耐磨材料 结构件，实验表明，与铝、锡青铜相比，高铝锌基合金具有优良的摩擦磨损特 性，如较低的摩擦系数、更大的承载能力、更低的摩擦升温和更宽的液体润滑 特性。经过微合金化后，摩擦系数较青铜和黄铜都小。它作为耐磨材料是应用 最广的一个方面，可制造在低速、重载条件下工作的各种耐磨零件，使用寿命 和价格均比常用的锡青铜合金优。限制锌铝合金广泛应用的主要因素之一是它 的热稳定性差，机械性能易变，其原因是在稍高温度下该材料的组织结构会出 现复杂的演变幅。 锌铝合金按加工方法的不同，可简要地分为3 类。分别是铸造锌铝合金、 2 变形锌铝合金和热镀锌铝合金。锌铝合金按其用途不同可以分为6 类。 ( 1 ) 仪表合金：如z a 4 - 1 ，适用于压力铸造，主要用于汽车、飞机及电力部 门的各种仪表壳。( 2 ) 模具合金：最早用于印刷板制造，日本和西欧国家成功 用于汽车制造业，定名为z a s 。( 3 ) 滑动零件合金：又可称为耐磨锌铝合金， 早在二战期间德国因缺铜，曾用于代替青铜作轴承材料，现在如z a - 2 7 及z a - 3 5 主要用于做轴瓦等滑动摩擦零件。( 4 ) 阻尼合金：此材料可以降低工业噪音和 减轻机械振动，是一种前景较广的新型结构材料。( 5 ) 防腐合金：包括牺牲阳极 以及作为喷镀、热浸镀等用的锌铝合金，使用性能优于镀锌材料。( 6 ) 超塑性 合金：共析z n - a l 合金经适当处理后可获得特别大的延伸率即超塑性，对于加 工一些形状复杂的零件有独到之处乜副。 根据铸造方法、性能和用途的不同，锌铝合金可分为压铸锌铝合金、模具 锌铝合金、超塑性锌铝合金和高强度锌铝合金等。 ( 1 ) 压铸锌铝合金 美国早期开发的z a m a k 3 和z a m a k 5 合金的含铝量都在4 左右，属于亚共晶 锌铝合金。其成分与共晶点很接近，因此该合金的铸造性能良好、收缩率低， 切削加工性也比较好，在压铸工业中得到了较大发展和广泛应用。 ( 2 ) 模具用锌铝合金 模具用锌铝合金化学成分接近于z n - h l - c u 三元合金的共晶点。该合金的最 主要优点就是可采用铸造法制模，使模具加工周期缩短，工艺更加简单，而且 材料能重熔回用，因而成本低，经济效益显著。锌合金最初用于制造飞机、汽 车行业的拉延模，后来其应用范围不断扩展，几乎被用于各类模具制造之中， 从而大大扩展了锌铝合金在模具行业中的应用范围。 ( 3 ) 超塑性锌铝合金 几乎所有典型成分的锌铝合金，如纯锌、共晶合金和共析合金，在一定条 件下均可表现出良好的超塑性能，其中z n - 2 2 a 1 共析合金的超塑性最好、应用 最广、研究也最深入。具有等轴超细晶粒的z n a l 2 2 c u m g 合金在2 0 0 一3 0 0 适 当应变速率下拉伸时，可获得高达1 5 0 0 的延伸率。由于超塑性锌铝合金在一 定条件的延伸率特别高，因此可以一次成型形状复杂、尺寸精确、表面光洁的 模腔和零件，可用于制造各种形状复杂的模锻件和挤压件，此外还可用来制作 各种模具。 ( 4 ) 高强度锌铝合金 这类合金包括z a 8 ，z a l 2 和z a 2 7 合金系列。其中z a l 2 合金具有良好的机械 性能和耐磨性，并具有价廉、节能等优点，一经问世很快便开拓了市场。z h 2 7 合金是在z a l 2 合金基础上开发出来的，具有比z a l 2 更好的机械性能和耐磨性。 z a 8 合金强度和硬度不如z h l 2 和z h 2 7 合金，但合金的凝固温度区间窄、流动 性好，是理想的铸造合金。这类合金通常用重力铸造法生产铸件，具有良好的 3 力学性能和耐磨性等一系列的优点，同时还有良好的工艺性能，不仅可以用于 压铸，还可以用于砂型，金属型，石墨型，连铸，壳型铸造，半固态铸造，离 心铸造，喷雾沉积等成型工艺，故而越来越引起人们的注意，尤其是z a 8 和z a 2 7 用于替代铜合金在低速，中温条件轴瓦轴承应用领域发展迅速。现在，高铝锌 合金主要应用于制造轴承，挖土机抓斗，滑轮，中小轧钢机轴瓦，水泥烘干机 轴瓦，制砖机轴瓦，纺织机械轴瓦，各种管接头，减磨器涡轮，汽车外壳压型 模具，轧钢机万向联轴节，滑块以及冲裁模具，拉延成形模具等。当前，机械 工业中已用锌铝合金部分代替青铜、黄铜或铸铁甚至球铁等作结构材料，制作 低、中速重载轴承、轴瓦、衬套和模具等。另外，z a 8 、z a l 2 及z a 2 7 合金是对 常规压铸锌基合金z a m a k 3 和z a m a k 5 的有益补充，扩大了锌铝合金的种类和应 用范围。 1 2 高铝锌基合金耐磨性研究现状 几乎所有工业领域中的机械传动都涉及到机械零件的摩擦磨损问题。尤其 是在大量建筑机械、工程机械、汽车、农用机械中，这类问题特别严重。目前 这类机械的变速箱、轴瓦、轴套、涡轮等部件大部分是使用铜合金，即所谓的 巴氏合金。而高铝锌基合金可以替代部分巴氏合金和铜合金，在拖拉机、汽车、 机械制造、印刷制版及电池阴极等工业中广泛应用。由于我国的铜矿资源贫乏， 每年需花费大量外汇从国外进口铜原料心引。 世界能源约有一半以上都是以不同的形式消耗在克服机械零件对偶表面相 互间的摩擦上了。因为摩擦所导致的磨损是机械设备失效的主要原因之一，所 以每年都会给人类带来上千亿美元的巨额消耗。我国大量基础零件的磨损寿命 普遍大幅度低于国外同类产品，因此直接、间接的经济损失也是非常惊人的。 伴随着生产的发展和科技的日新月异，尤其是高速、重载、精密以及特殊工况 条件下工作的机械对于磨损提出了更高的要求，世界上工业发达的国家都在努 力开展摩擦磨损的研究和应用。所以，研究磨损机理和提高耐磨性的措施，会 有效地节约材料和能量，提高机械装备的使用性能和寿命，减少维修费用，这 对于国民经济发展具有十分重大的意义。 金属磨损主要受到载荷、相对运动形式、运动速度和持续时间、介质和润 滑条件等外部因素以及材料化学成分、显微组织和力学性能等内部因素的影响。 用作耐磨零件的锌铝合金，根据工况不同会遇到各种磨损形式，其中材料的组 织结构是制约其耐磨性能的关键。既使是同一成分的合金，在结晶过程中形成 不同的组织形态及组织分布状态，其耐磨性能也不尽相同。磨损表面的显微组 织是否均匀，影响整个磨损过程，像金属问化合物、弥散相等的组织性能与基 体不同口钔，这类硬的相组织，如果它们在一个相当硬的基体中分布很密，金属 耐磨性就高。基体的硬度对试样耐磨性很重要，当硬的显微组织在基体中分布 很稀时，而且基体又未硬到使它本身具备良好的耐磨性时，基体就会快速磨掉， 4 硬粒子则高出表面并切进表面中。新型高铝、高强、耐磨锌合金使用较晚，尚 未列入国家标准，包括三个合金z a 8 、z a l 2 、z h 2 7 。以z a 2 7 为例，与传统的砂型 铸造耐磨锌合金相比，力学性能明显提高，耐磨性更胜一筹，已普遍代替锡青 铜制造耐磨零件，寿命提高，成本降低，取得了很高的经济效果。国际铅锌研 究组织把z a l 2 ，z a 2 7 与z q s n 6 - 6 - 3 青铜作了比较实验。得到结论，低速高负 载时前者的磨损较后者小，z a l 2 和z a 2 7 的摩擦系数略低于z q s n 6 6 3 ，但当 转速大于5 0 0r m i n 时，摩擦系数升高，而后者有减小趋势，