部份产品照
锌合金蜗轮逐步替代铜合金蜗轮
335公斤轴套
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对目前国内锌合金替代铜合金应用问题的探讨
易 武 陵
2007年10月
一、前 言
自2004年初我在网上第一次公布锌合金研究方面的资料及相关内容以来，深受锌合金研究及使用单位的关心与支持，在此我深表谢意。2004年我发表的“铸造锌基耐磨合金ZZnAlCu─6#在机械制造的维修方面的应用”一文,一直是国内同行业的范文，被多次未经授权修改后，成为了许多企业的宣传资料。
“铸造锌基耐磨合金ZZnAlCu─6# 在机械制造的维修方面的应用”一文发表至今已经有20余年了。在这20余年里，国内锌合金取代铜合金的应用，在很多专家、教授及科技工作者共同努力之下，有了很大的进展，并获得了多方面的科技成果与专利，为社会及企业经济效益的提高做出了很大的贡献。但是，在实践中也发现了许多锌合金应用领域的混乱。本文的目的就是想做一些澄清，以便企业减少不必要的损失，锌合金替代铜合金得到更好的推广与应用。
1998年我退休以来，一直在为一些从事锌合金生产的单位及用户解决应用中所出现的问题。在充实自己的同时也发现并解决了其他一些该类牌号锌合金在应用中存在的弊病。比如熔炼过程、铸造工艺、模具设计等等，受到用户的欢迎。2007年我与浙江大学做产业研究的汪建坤老师相遇，他认为我的技术在目前在金属价格不断上升的情况下，能为社会和企业做出很大的贡献，于是我们两人合作成立了“杭州坤易合金材料科技有限公司”。一方面，对ZZnAlCu─6#做深化研究，开发了ZA150-6#锌合金，并进一步开展锌合金替代铜合金的推广应用，另一方面，根据市场形势，我们展开了其他领域用锌合金替代铜合金、用铝合金替代铜合金、用铝合金替代锌合金的研究。我们正在研制、完善ZA150系列专用合金，为企业提供技术服务、开发新材料、新产品。
二、目前市场上锌合金替代铜合金应用中存在的问题
（一）锌合金应用中存在的问题
2004年我在网上发表“铸造锌基耐磨合金ZZnAlCu─6#在机械制造的维修方面的应用”一文后，许多网站做了转载。同时接到了全国各地许多ZA27锌合金研究与应用企业的来电、来信，他们提出很多技术方面的困惑，因此，这几年我的工作基本上就是在为他们解决问题。这些问题的出现大多是我预料之外的，总结和反思这些问题，结论是因为大多数科研机构只注重材料本身的单一研究，没有从熔炼过程、铸造工艺、模具设计、加工工艺整体上进行研究和配套，造成很多生产企业无法实现预定的目标，同时，许多应用单位在没有完全了解该类合金材料的铸造工艺及加工工艺要求的情况下，就进行生产，出了问题后，有些企业把该类锌合金材料打入冷宫，这些混乱的情况给锌合金替代铜合金的推广与应用带来很坏的影响。
（二）锌合金的应用中失败的案例
我从1972年开始对锌合金替代铜合金的研究，是当时国内最早进行锌合金替代铜合金的研究者之一。当时国内几乎没有该类合金的资料，只能边摸索，边应用，研制了ZZnAlCu─6#。由于当时条件的限制下，该合金只能用在本企业的设备维修上，一开始出现了很多问题。我在实践中摸索前进，终于掌握了该合金的基本特性，使合金得以完善，并从设备维修过渡到生产应用。在积累了大量现场经验及资料后，ZZnAlCu─6#才于1983年通过省级技术鉴定，宣布研制成功，填补了国内的空白，这一过程前后进行了11年。因此，我研制的ZZnAlCu─6#是十分成熟的替代铜合金的材料，并且最合适最成熟的应用领域就是蜗轮。我说这些是想告诉大家：一个好的合金材料研制不是短期内就可以完全成熟的，也不是单一的材料研究就可以成功的，它是一个长时间结合实际应用，并综合考虑熔炼、铸造、模具、加工工艺等多方面的因素才能得到极佳的应用效果。因此，目前，许多企业轻易放弃用锌合金替代铜合金做为部分蜗轮的材料，并不是一个正确的选择。现举几个几十年来我遇到的问题与研究过程中失败的例子供大家参考。
案例一：湖南某研究所一韦姓高级工程师研究并开发了接近ZA27的锌合金（8#合金）并通过了技术鉴定，但在没有完善前期试验与现场试用的情况下就将该牌号投入市场，用户在使用时就出了问题。在无法解决问题的情况下只能打着8#的牌子，表面仍以他的成果的名义，但实际生产销售的却是我研制的ZZnAlCu─6#合金，这才解决了问题。这一例子充分说明了在没有材料研究基础知识积累的情况下盲目生产的后果。
案例二：沈阳某科研单位某工程师，研究出一种ZA27范围的锌合金并获得成果奖。应该说，该材料本身是比较成功的，但其在后期生产工艺上的缺陷使他与生产单位的合作破裂。其原因是，这一合金的其中之一零件的模具设计制作成本达1.4万元，但相对昂贵的模具，经反复浇铸后仍无法生产出合格产品，最后模具完全损坏，造成生产单位不满，最后双方不欢而散。后来该生产企业找到我帮他们分析原因，我分析后，发现是由于对合金材料的性能不完全了解导致的模具设计与铸造工艺不合理引起的，此类大型厚壁零件（该零件近300公斤），如掌握了材料特性，铸造时就简单多了，我根据实际情况只为其设计了200余元的简单模具就顺利地铸造成功。这说明了模具设计与铸造工艺与材料配套的重要性。
案例三：1987年上海同济大学江景波校长聘任我为该校金属材料研究室工程师，与朱耀华博士合作，研究并推广应用锌合金。先用ZZnAlCu─6#在该校投产，并与上海浦东某企业协商后生产一批次蜗轮，经该厂5天台架试验证明ZZnAlCu─6#达到使用指标，某些方面性能已超过该厂原用铜合金蜗轮。与该厂签订长期供货合同后应用在该厂双狮牌减速机上。半年后因原材料涨价，朱博士要求改用接近于ZA12合金生产，我在持保留意见的情况下，按照朱博士调整的化学成分生产了轴套和蜗轮。朱博士在未经通知用户的情况下，提供了几批次蜗轮。一段时间后双狮牌减速机蜗轮发现严重缺陷（裂纹、断齿）事故。后经化验，出问题的蜗轮全部是修改成分后生产的批次，其他厂家的轴套却没有发现问题。这起严重的事故造成该厂当时近10万元的损失，厂长也因该事故被撤换。经过那次教训后，该校很长时间都恢复沿用ZZnAlCu─6#合金和既有的生产工艺，生产出的各类型产品再未出现任何事故。这个事故是我亲身经历，对我影响深刻。此事故说明了锌合金存在它独有的特性，并不是万能合金。
案例四：湖南某橡胶机械厂一朋友最近来电话，他们厂2006年采用安徽某企业生产的ZA27锌合金轴套，装配在该厂硫化机上出了问题，他们现已停止使用。根据朋友的诉说来分析，此合金材料并不适用于该机械零件的特殊要求。我认为其实只要通过简单工艺完全可以解决问题。如：铸造后铸件经过回火处理可以提高冲击韧性，在ZA27中添加少量硅元素以提高承载能力。这一案例说明，材料的选择与工艺是应用中很重要的一个环节。
案例五：浙江某科研人员对ZA27加以改良，为锌合金系列增加了一个新的牌号，并在国际上获了奖，应该说是一个比较优秀的新材料。但由于生产的工艺流程出了纰漏。一般来说生产该合金的企业应该去找该科研人员，然而让人困惑的是生产单位通过种种途径找到我来帮他们解决问题。这也说明了生产工艺的重要性。
以上几个实例都是亲身经历，基本说明了一些生产实践中间容易产生的问题。还有很多实例不胜枚举。这也说明了研究与生产脱节是目前许多问题产生的关键。材料的成功研制还需要有后续的生产工艺相配合，才能为企业创造价值。
三、国际国内几种重要锌合金研究情况介绍
（一）ILZRO、Noranda与ZA8、ZA12、ZA27
国际铅锌研究会（ILZRO）与加拿大采矿研究中心（Noranda）在60-70年代相继研制出ZA8、ZA12、ZA27三个锌合金牌号用于重力铸造。60年代初研究会就成功研制出ILZRO12合金，该合金含铝12%铜0.75%镁0.015。后来加拿大Noranda采矿研究中心发现该合金的冲击韧性较低不宜在受冲击的环境工作，于是在该合金的基础上改进（仅将铝含量从12%降到了11%），改进后的合金在冲击韧性上得到明显改善并命名为ZA12。ZA12合金成功地在美国、英国、澳大利亚等国家打开了市场。74年Noranda在对市场研究后发现急需一种比ZA12更高强度与韧性的铸造合金，Noranda在ZA12的基础上相继研究成功ZA8、ZA27两个牌号合金用于重力铸造。
（二）我国锌合金的研究
我国锌合金代替铜合金是从80年代中期开始，当时许多大专院校、科研单位、国营重点厂矿企业都进行研究与探讨。其中有：湖南有色金属研究所（院）、中南工业大学、湖南大学、江西冶金学院、太原重机学院、洛阳工学院、同济大学、河北农大、山东冶金研究院、沈阳铸造所、长春光机所、南京光学仪器厂、济南二机等，这些机构的专家、教授及科研人员对锌合金研究做了大量工作，编写了有关锌合金研究的很多文章与论文，加强与改善了锌合金替代铜合金在我国的发展和研究。1987年9月由中国机械工程学会、有色金属专业委员会主持，在上海同济大学召开了全国首届锌合金学术研讨会，参加会议的这批优秀科技工作者为我国锌合金替代铜合金的应用与发展做出了很大的贡献，同时也培养出大批这方面的人才和专家，使90年代我国锌合金的发展突飞猛进。但是，许多企业因为后期应用的工艺等问题没有充分完善造成实践中问题不断，对锌合金替代铜合金的使用也带来了一些不利影响。因此，我认为，实际上本人研制ZZnAlCu─6#合金以及其他人员开发的某些锌合金牌号已经非常成熟，技术推广人员更应注重的是其应用中的工艺问题，而不是进行简单的不成熟的创新，这样可以减少生产与应用单位的摸索时间，减少应用单位的损失，才可以尽快的发挥该类材料的优势。
（三）ZA27在我国的发展
我国科技工作者从80年代中期开始，大多数以ZA27为基础进行研究并取得了很大的成绩，发表了很多论文也获得很多科技成果及专利。大多数合金是以ZA27为基础再添加少量或者微量其他元素来进行的，其中以添加钛、硼、硅、锂、锰、稀土等为主。每一种元素对ZA27的性能改善都有一定的作用，但是，在提高了某些方面性能的同时也降低其他方面的性能。
元素的添加对ZA27性能的影响：
1．加入（0.3%-0.75）锰可以提高耐磨性。
2．加入少量硅可以提高减磨性与承载力（提高40%-50%）。
3．加入硼钛可以提高抗拉强度。
4．加入少量稀土可以提高耐磨性、硬度。
5．加入稀土硅可以提高冲击韧性。
还有很多不一一例举。以上仅作为参考。
ZA8、ZA12、ZA27实际上只要注意了它们的特性，使用时选择正确的牌号无需改进也完全能够正常应用。只有遇到特殊要求时，才需要添加其他元素或采用特殊工艺来提高某些性能，但要特别注意一些性能改善了，其他一些性能会下降，要考虑实际应用是否合适。
四、锌合金的应用
锌合金的基本化学成份是锌、铝二元素组成，添加元素为铜、镁等。锌合金的发展史是从压铸机的发明开始的，压铸机使用时遇到的问题是液态锌容易侵蚀铁基模具及工具，加入铝可以阻碍这种侵蚀作用。铝的加入还可以提高合金的流动性，同时改造了铸造性能，提高合金的强度。从此Zn-Ai系列合金产生了。由于铝的含量提高，性能得到改善，国际铅锌组织与加拿大采矿中心经过10多年的努力研究出ZA8、ZA12、ZA27系列重力铸造合金。各牌号主要用途也较明确：
ZA8：主要用于替代黄铜类产品及其他产品
ZA12：主要用于厚壁、重负荷、低转速机械零件
ZA27：主要用于高强度机械零件
锌合金普遍都具有很好的耐磨性能，因为锌合金对油具有较高的亲和力，摩擦系数低，减振性能好。这一特点可广泛应用于轴承领域。
（一）铝
锌合金中随着铝含量的提高合金枝晶状很发达，在凝固过程中枝晶架构形成后枝晶间仍有液体存在，合金收缩时有退让作用，因而表现出动态铸造应力。但凝固完成后由于枝晶间少量残留液相凝固放出结晶潜热形成热应力（特别是厚壁铸件），表明会出现较大的线收缩和较高的残留应力而形成铸件的缺陷。因为合金在缓慢冷却时易产生底面收缩，这些都与合金凝固温度范围宽偏析倾向较大有关（象有这样缺陷的铸件在实际生产中常有发生），其原因是由于缓慢冷却时，初生的富铝ａ相枝晶比重轻而上浮，富锌的液体则往下沉积到底部，即先凝固的铸件上部富铝区（熔点高）最后凝固富锌区（熔点低）而形成底部的富锌液去补偿上部的富铝区而收缩，从而在铸件的底面形成缩孔与缩松。
（二）铜
铜是锌合金中主要添加元素之一，铜加入到锌合金中一方面固熔于η相和β相中，固熔强化了基体，另一方面含量到一定时合金中形成富铜的金属间化合物（铜、锌为基体的固熔体ε相（硬相）弥散分布于合金组织中，因而使合金的机械性能尤其是耐磨性能得到提高，铜还能提高合金的抗蠕变强度和抗腐蚀的能力。
（三）镁
镁是锌合金中重要的微量元素，它对锌合金的机械性能和抗腐蚀性能有显著的影响，也能显著增加合金的强度，但也显著的降低合金的延伸率。镁还是抑制杂质元素的有害影响的有效合金元素，但合金杂质很少时加入镁对晶间腐蚀性能没有明显的改善。当合金中含有铅、锡时,镁抑制杂质元素的有利作用就能充分显示出来。
（四）稀土
稀土作为活性元素，能使合金表面张力减小，降低形成临界尺寸晶核所需要的功，从而使结晶核增多，细化了晶粒。另外稀土的原子半径较大，在合金中不可能有大的熔解度，根据固熔度和晶间吸附关系的规律，固熔度愈小的熔质，在晶界被吸附的趋势愈大，所以稀土在锌合金中必然偏聚在晶界上，阻碍晶粒长大，达到细化晶粒的目的。提高了强度和硬度。同时能形成新的硬相，减少了塑性变形程度和微裂的产生，添加的微量稀土元素多为六方晶格，这种晶格的摩擦系数小，磨损量少，延长了合金的使用寿命。还有人认为添加稀土元素可以将有害杂质（电子化合物）扩散，将有害程度降低到最低范围。因此稀土的添加是提高锌合金耐磨、强度、硬度的较好添加剂。
（五）有害杂质
锌合金的有害杂质以铅、锡、镉为主，其次是铁、铟、铋、钛等。它们在合金中固熔度极微，吸附于晶介，构成众多的电极电位差，形成较大的微腐蚀电池，能使合金晶介结合松弛，晶介粗化（老化）使合金机械性能逐步下降。锡是锌合金中危害较大的元素，会显著增加合金脆性，促进晶间腐蚀有害性比其他元素更明显。
参考资料来源：全国首届锌合金学术研讨会资料
五、蜗轮专用锌合金介绍
（一）蜗轮专用合金
锌合金替代铜合金30多年来最成功的应用就是ZZnAlCu─6# 在蜗轮上的应用。30多年来还没有发现该牌号合金在应用中出现过任何不良反应。ZZnAlCu─6#合金在很多单位进行的台架试验及恶劣环境下的破坏试验中都获得了成功。我从98年退休后，对蜗轮用锌合金的研究从没有停止过，在原有的基础上进一步完善了熔炼过程、铸造工艺、模具设计、加工等工艺，现已储备了一套完整的工艺流程。在此基础上对ZZnAlCu─6#的成分进行了合理科学的调整，新命名为ZA150-6#。该合金制作的蜗轮铸件最小为0.4公斤，最大为840公斤，直径2.4米，还有重达300多公斤的轴套等。
（二）蜗轮专用锌合金与铜合金蜗轮的对比
1．在机械设计中减速机蜗轮使用材料为ZQSn10-1锡青铜合金，其化学成份为铜89%锡10%磷1%。近年来铜锡的价格飞涨，从市场观点来看必需选择一种质量过硬且成本低的合金来取代，因此我研制开发的ZA150-6#合金投放市场后，受到生产与制造减速机企业的欢迎，该材料应用得比较好的省份首推湖南，其他的有广东、广西、福建、湖北、江苏、浙江、东北等，浙江萧山食品机械厂是从1985年就开始使用ZZnAlCu─6#合金直到今天。ZA150-6#合金主要提高了蠕变强度及承载能力，更加适用于厚壁、重载、低速的蜗轮制件，是不可多得的新型材料。（许多用户使用报告在“铸造锌基耐磨合金ZZnAlCu─6# 在机械制造的维修方面的应用 ”中有详细介绍在此就不多说了）。
2．ZA150-6#蜗轮专用合金与ZQSn10-1的部分机械性能
（1）ZA150-6#的参数
①熔 点 ℃ 380-410℃
②比 重 6.1
③抗拉强度MRa 33-42
④延 伸 率% 0.8-1.6
⑤抗压强度 MPa 343-370（压缩10%）
⑥布氏硬度（HB） 90-120
⑦冲击韧性 J/ cm2 >7.48 无切口
⑧线膨胀系数2×10ˉ6/c 23.0-27.0(32-100℃)
⑨ 磨损率 mg/km 12
（2）ZQSn10-1参数
①熔 点 ℃ 900-935℃
②比 重 8.76
③抗拉强度MRa 22-25
④延 伸 率% 3-5
⑤布氏硬度（HB） 80-90
⑥线膨胀系数2×10ˉ6/c 18.5(20℃)
⑦线收缩率% 1.24-1.44
从以上可以看出采用ZA150-6#代替ZQSn10-1合金使用可降低成本70%左右，由于ZA150-6#合金对润滑油具有较高的亲和力加上耐磨度比ZQSn10-1合金高得多，摩擦系数低、减震性能好的特点，在台架试验与实际工作中是ZQSn10-1的2-3倍，如果与ZQAI9-4比就更高了。我公司目前正在研制一批采用先进的生产工艺流程的产品，在质量上更有保障，而价格更低廉的精加工ZA150-6#系列蜗轮制品。
六、我公司目前同时在研制的ZA150系列专用合金介绍
（一）ZA150-6# 减速机蜗轮专用合金
（二）ZA150-7# 取代黄铜板制作模具的模具专用合金 (鞋模等）
（三）ZA150-8# 取代黄铜制作锁芯的锁芯专用合金
（四）ZA150-9# 取代黄铜制作锁芯套的锁套专用合金（试验中）
（五）ZA150-10# 用于工艺制品、饰品等（无铅合金）
公司资料如下：
杭州坤易合金材料科技有限公司
办公地址：杭州市天目山路浙江大学西溪校区中国西部发展研究院
生产基地：浙江杭州萧山闻堰镇三江口村河南126号
联系电话： 0571-82305309（传真）
执行董事： 汪建坤 13335715900
总工程师： 易武陵 13867419050生产部经理： 汪碧刚 13376829677
营销部经理： 易 旸 13588200936
电子邮件： yiwuling@hotmail.com QQ号： 70800981
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