0、前言

延長與經過重新改裝的機器與機械使用壽命，是提高產品質量總任務的一個重要環節，首要的問題是降低磨擦構件的磨損與提高它的耐用性。

為開發我國富產鋅資源，多年來我們曾做了一定的工作。對應用較廣，又節省能源，工藝簡單，成本低廉的鋅合金進行了研究和生產，成功地研制了鋅基耐磨合金：ZZnAl1225及ZZnAlCu3—6#，兩種國內新牌號。經長期與生產實踐結合中ZZnAlCu3—6#，優于ZZnAl122合金在重力鑄造中的應用。到目前為止，已得到國內九個省近400家用戶的歡迎，現還在繼續擴大推廣。該合金不僅由于它機械性能（如耐磨、硬度、熔煉配制等）優于銅基合金，而且多種工藝性能（如鑄造、加工、粘結等）也優于銅基合金。該合金鑄造的鑄件成品率高達98%以上，生產成本大幅度下降，其工藝及所需設備非常簡單。因此可以預計，這種合金必將以二十世紀末代時髦的機械工程材料服務于人類。

一、鋅基耐磨合金特點及磨損的基本形式

磨擦與磨損是材料力學中不能忽視的一個重要方面。五十年代以來，國外對磨擦磨損和潤滑的研究及實踐是非常重視的，因為這方面已經給他們帶來了巨大的經濟效益。如1974年日本從減少磨擦磨損中節約開支27.3億美元，美國達120～160億美元，西德達100億馬克。可見研究作為軸瓦應用的耐磨材料來延長磨擦磨損的壽命具有何等重要意義。

自1980年以來，我們將鋅基耐磨合金廣泛的應用于CW6136、CW6140、CW6163，車床和B665牛頭刨床及鉆床中的軸套、軸瓦、蝸輪、齒輪花鍵套等零件上，替代原錫青銅ZQSn6-6-3、ZQSn10-1和ZQAl9-4等銅合金牌號使用。由于以上機床工作載荷輕，磨擦磨損時受力均勻（一般很難發生異常現象），使用效果良好，受到用戶歡迎。

有人認為磨擦過程不是一些等效接觸行為堆砌，而是由一種狀態向另一種狀態有規則過度的總和。因此我們必須從磨擦副的載荷談起。輕載軸瓦磨擦磨損時由于受力效輕，能形成均勻磨擦，磨損效小。而重載荷軸瓦承受的負荷繁重，所承受的壓強度一般都在50公斤·力/平方厘米以上，并還常受沖擊、高溫、粉塵、潤滑條件較差的惡劣條件下工作，軸瓦表面常出現擦傷、變形犁溝，嚴重時到硬相碎裂而引起燒壞。我們常碰到過這種情況。現以長沙鋼廠制品分廠的一臺?150兩輥式冷軋機為例。

該廠?150n/n兩輥式冷軋鋼機，按圖紙要求采用ZQSn10-1磷青銅制作軸瓦，潤滑條件為邊界潤滑。原該機正常工作時，開機不到兩小時軸與瓦配合部份明顯升溫，工作不到三小時發燒嚴重，必須停機換瓦或刮瓦，再重新工作。即使這樣開開停停，一付軸瓦最長時間只能用五個班左右，嚴重影響正常工作和生產效率。這顯然與工作條件和軸瓦的材質有關。一般來講，軸瓦在磨擦磨損工作時，軟相基件被軸的表面凸峰擦傷和刮傷，而硬相暴露起作支撐的作用，如圖一所示：由于砂模散熱效慢（凝固速度低于金屬模鑄造的30倍），銅合金凝固后形成粗晶狀結構，使其生成大塊硬相的聚集，再加上鑄造缺陷如：氣孔、夾渣縮孔、縮松等，都會直接影響瓦的磨損。在重載的情況下，大塊硬相受重壓磨擦后能導致影響與基體裂紋，壓碎及脫落。由于磨擦面增加了磨粒（硬相脫落），就似雪崩一樣不可阻擋，磨擦熱急劇上升，直到將軸瓦燒傷。經市冶金局建議，采用我所鋅基耐磨合金試試看，我們與該廠配合下，用鋅基耐磨合金加工的軸瓦裝機試車，連續運轉五個班，無異常現象發生，工作平穩正常，后來該機軸瓦全部改用鋅基耐磨合金。

人們在分析磨擦偶件的工作時，注意力只集中在機械接觸的作用力和材料對它的抗力上。而磨損力又取決于磨擦副材料成分，可是卻忽視了亞組織的作用，更很少考慮到組織在磨擦過程的變化。直到進幾年來才注意到用金相方法分析鋅基合金在磨擦過程中發生的組織變化。因此ZZnALCu3-6#合金中加入微量的高熔點金屬，使其在合金開始結晶時起核心作用，即在最短的時間內析出初生晶格，使合金形成組織，由于晶粒的細化，能生成新的細小的硬化相，均勻分布在基體中，（磨擦面既無硬相壓碎且無脫落現象，呈似均勻磨損），使合金性能得到提高，其硬度和耐磨性的提高更為明顯。微量高熔點金屬增添在鋅合金中還可以多方面的改善其它性能，一般來講效果明顯。

二、銅、鋅合金鑄造缺陷的比較

1．銅合金：作為機械零件中的磨擦副材料，ZQSn10-1、ZQSn6-6-3、ZQAl9-4等銅合金。不論是輕載荷或重載荷的軸瓦等零件，幾乎全由鑄造成形后加工的，而銅合金鑄造缺陷常見的氣孔、針孔、渣孔、縮孔、縮松等之類的問題，這些缺陷能直接影響到所制零件的磨損，眾所周知，凡有鑄造缺陷的軸瓦，磨損現象都較嚴重，重載條件使用的軸瓦磨損現象更為劇烈。

2．鋅基合金：該合金具有低氧化性的特點，同時融化溫度低（380℃～410℃）采用金屬模澆鑄，冷卻速度快，合金致密度高，基本上無鑄造缺陷，保證了軸瓦表面的硬度和光潔度，減少了在磨擦和磨損運動中的切向應力，受均勻磨損，提高了它的耐用性，從而延長了使用壽命。多年的使用經驗來看，該合金特別適合用于各類機械設備中的大小蝸輪，它與銅合金制作的蝸輪比較，一般使用受民壽命延長2至3倍以上。

三、鋅基耐磨合金的鑒定情況

我們用了十多年時間對鋅基耐磨合金研制做了大量的工作，其中包括（研究鋅中加入其它元素的作用）：研究各種元素在合金中形成的金相及組織結構特征，研究各種成分合金及不同相對機械性能的影響。選出符合要求的合金成分，制成機械零件裝機試用，并測試其使用情況和各種測試工作，包括對鋅基耐磨合金材料試樣進行抗拉、抗壓、硬度、磨擦系數、磨損量、金相結構組織、電鏡、X射線分析、熱分析等，經過各種機械方面上的裝機實驗和機械物理性能檢查等，效果優良。并于一九八三年十月十五日至十七日，由湖南省機械工業廳組織鑒定后，將該合金列入省推廣的新材料。

鑒定意見如下：

(1)技術文件齊全，數據可靠。
(2)該合金成分選擇正確，試制的零件經過五年多使用證實，該合金具有良好的機械性能。鋅基耐磨合金的抗拉強度為σb29～34公斤/毫米2，抗壓屈服強度大于42公斤/毫米2。而ZQSn6-6-3國家標準為20公斤/毫米2。較好摩擦性能（該合金與ZQSn6-6-3在相同的工作條件下實驗，ZQSn6-6-3的最大磨損量為0.0122，而鋅基耐磨合金的最大磨損量僅為0.0012～0.1120），和自潤滑性能，被切削性能好和使用壽命長，是一種優良的耐磨材料。
(3)鋅基耐磨合金熔煉溫度低，鑄造工藝簡單，能源消耗少（降低焦碳消耗60%左右）合金元素燒損少（燒損量僅0.8%左右），成品率高達98%以上，環境污染輕和勞動強度小。
(4)該合金僅用2～4%銅、12～14%鋁，其余為鋅和其它微量元素等，因此鑄件成本低廉，費用只相當于ZQSn6-6-3錫青銅的40%左右，具有顯著的經濟效益。
(5)希望對該合金作進一步研究并擴大試驗品以及制訂生產標準。
(6)從該合金研究成份的選擇，零件的試用及取得效果來看，鋅基耐磨合金的研究成果具有國內先進水平，建議有關部門將該合金作為新牌號納入國家標準并迅速推廣使用。

四、鑄造鋅基耐磨合金的工藝性能及其對其它合金的優勢

1. 流動性
鋅基耐磨合金具有極好的流動性，這是其它有色合金鑄造所遠不能及的，諸如起重吊車傳感機構一類精密零件，即便使用鋼和鑄鐵的永久型鑄造（指金屬模），也能澆鑄出完美的鑄件來。采用鋅基耐磨合金可以鑄出最小壁厚為2毫米、最小孔徑為2毫米的鑄件。而鋁合金則僅能鑄出最小壁厚為4毫米、最小孔徑6.35毫米的鑄件。

2. 低氧化性
該合金具有低氧化率的特性，因此和其它合金相比，熔煉過程中不需要加入熔劑和脫氧劑。而且在重熔時無需加入熔劑。只有在重熔被大量污染的原料（回爐料，如含油切削時油污嚴重等），才酌情添加適量熔劑。這不僅避免了環境污染，同時還改善了工人的勞動條件。

3. 低熔點
該合金亦屬于低熔點合金（也可稱為節能合金），其熔點僅380～420℃，澆鑄溫度控制在470℃以下。低熔點的特性給生產過程中帶來很多益處。首先表現在能源選擇和低消耗方面，由于合金熔點低，使得有可能選擇多種燃料作為能源，如焦碳、木炭、白煤、煙煤、重油、煤氣，乃至農村燒飯用的柴火等都可作為燃料制作各種零件。因此不受能源的限制。其次，由于合金熔點低，合金成份在熔煉過程中燒損極少，坩堝及熔具等不易燒損，鑄造設備和型砂消耗非常低。所有這些都能節約原材料，因而鑄件成本隨之降低。再由于熔點低，澆鑄溫度低，砂型中產生的氣體少，對型砂的水份、強度、透氣性要求亦無需過嚴。

4. 易切削加工
該合金具有優良的機械加工性能，及成屑性能。可使零件加工過程迅速，縮短了加工時間。這個特性鋁、銅合金都無法比擬。該合金加工后表面光潔明亮，并可進行研衍、拋光、鍍鉻、油漆等超精加工和覆蓋處理。表面經陽極鈍化處理后，有優良的耐腐蝕能力而用于需要耐腐蝕的零件。該合金初次使用車床切削時會碰到有粘刀的現象，建議車速為500轉/分鐘左右、切角度數為5至7度，這一現象即可消除。精車時涂上一點煤油，光潔度可高達六級以上，成光亮的銀白色，非常美觀。

由于該合金具有上述良好的工藝性，所以這種合金可采用多種鑄造方式。如砂型鑄造、金屬型鑄造（鋼質、銅質、鑄鐵及薄鋼板成型）和石墨型鑄造、石膏模鑄造等等，并能成功地獲得理想的加工成無氣孔的優質鑄件，這是其它有色合金迄今所少有的現象。正是該合金的獨特之處，同時也是它成功的代替鑄造錫青銅等合金的主要原因之一。

五、鑄造鋅基耐磨合金的機械性能、物理性能和耐磨性能

1. 機械、物理性能如下：

(1) 熔點 ℃ 380～420℃
(2) 比重 6.13～6.21
(3) 抗拉強度σb3號合金29～34公斤/毫米2
6號合金33～46公斤/毫米2
(4) 延伸率 0.7～1.5%
(5) 殘壓強度（壓縮率26%） 大于66公斤力/毫米2
(6) 抗壓屈服強度 大于43公斤力/毫米2
(7) 布氏硬度（HB） 95～130
(8) 沖擊韌性 有切口大于0.4公斤米/厘米2
(9) 無潤滑磨擦系數（與45號鋼材對磨） 0.323～0.330
(10)線膨脹系數 32～150℃ 27×10¤
(11)合金在無潤滑時試驗磨損0.0004

2.耐磨性能

耐磨性能可用耐磨試驗對比表說明?

ZznAl13Cu3-6合金替代銅、鋁合金制造耐磨件使用效果極為良好（見本文后面附件用戶單位使用情況報告）。首先由于它的強度比鑄造青銅高，因而承載能力大大超過青銅，加之該合金與潤滑的副作力非常強（是青銅的4倍）。在長時間的載荷工作條件中，實際上進行油磨，因此合金與對偶材料的磨損量非常小。如衡陽儀表機床廠使用該合金替代銅合金制作圓磨床中軸套，轉速為2900轉/分鐘，日平均工作時間10小時。經長達五年的工作運轉，磨損量僅在0.01m/m左右，為該長解決了一大技術難關。又如長沙二機床廠用該合金替代銅合金制作平面導軌磨床上的變速蝸輪，裝機兩年左右。由于變速箱體內未加油干磨擦時間過長，引起發熱冒煙，箱件溫度近達100℃，停車檢修，蝸輪、蝸桿部位尚未發現變形和磨損現象，加油后仍能照常使用。而過去使用銅合金蝸輪時，曾因同樣情況將蝸輪燒壞。到現在為止，該蝸輪已經使用了近七年時間，而過去采用ZQSn6-6-3制作的蝸輪最長使用周期僅一年左右。再如常德601礦在最大的鏟式挖土機上采用該合金制作軸瓦比青銅軸瓦耐磨得多。

六、合金的運用領域和經濟效益

鋅基耐磨合金與銅基、鋁基合金相比，具有三大優點。即：優異的工藝性能；優良的機械性能（尤其是耐磨性能）；低廉的成本。這就決定了鑄造鋅基耐磨合金的應用領域越來越廣泛。從鑒定后至目前為止，全國已有十六省近400余家廠礦企業及科研單位采用了我們提供的成品合金錠。

青銅、黃銅的大部分應用領域是可以探索用鋅基合金去替代，這不僅是因為性能上鋅合金可以與它比美，更主要的是產品成本上鋅合金占有絕對的優勢。例如長沙鋼廠采用該合金制作兩輥式冷軋機瓦代替ZQSn10-1銅合金使用，從成本和使用壽命周期來看，價格降低近七倍。又如長沙第二機床廠的統計，采用該合金代替ZQSn6-6-3銅合金制作零件投產六年來，生產的各類型機床1571臺，裝機鋅基耐磨合金零件數已達21370件，節約資金十四萬多元，并提高零件生產率6～8倍。

形狀復雜、極薄、極細小的零件，用銅、鋁合金及其它合金都難以鑄造成功，此時采用鋅基耐磨合金能獲得滿意的鑄件。雖然其它低熔點合金亦能鑄造出完整的形狀，但不具備所要求的機械性能，無法作為零件來使用。

該合金作為模具合金使用，在某些方面具有鉍錫合金所沒有的優點。眾所周知，鉍基合金的充填能力非常之好，鑄造出的模具完整無缺，但其熔點和硬度太低，則是難以彌補的缺陷，價格昂貴也是一大不足。而鋅基合金卻正好克服了它的這些不足。因為鋅合金也具有很好的流動性，充填能力也十分理想，這就是現在不少模具工廠轉向大量采用鋅基合金的原因之所在。

七、合金的線膨脹系數和自動補償

1.該合金在性能測試中，它的熱膨脹系數為：27×10¤，大于ZQSn6-6-3錫青銅（16×10¤），是錫青銅的1.5倍。因此零件在加工過程中，應該注意圖紙上所要求的加工精度，取上項正偏差尺寸的1.5倍為佳。例如?80±0.02時，應考慮為?80+0.03，預留一定的間隙作為膨脹間隙。由于間隙的增大對精度有一定影響時，開始利用該合金的護油作用，形成了含油間隙，同樣保持了精度，從而形成油磨，使耐磨度更加提高。該合金在壓力磨擦時隨著負荷加重，磨擦發熱時，卻產生線膨脹系數增大，間隙逐步減少時又保持正常的精度。同時應該注意的是，在制作高、低轉速軸套和軸瓦時，除上限差應增大1.5倍外，還需要在軸瓦軸套的內徑端面倒圓角；更要留一定的膨脹系數空間位置（以免在磨擦時體積膨脹而導致與軸瓦卡死和將端蓋磨壞等），使連續工作時耐磨度及機械的運轉一直處在正常狀態。

2.該合金具有獨特自動補償性能，它一但與軸和其它對偶產生強力磨擦，磨損嚴重時，在受磨損的部位處能自動補上來。我們在長沙機床廠的產品，液壓刨床零件配油盤裝機試驗時，發現了這種現象。由于自動補償的特性，使配油盤的使用壽命提高了二至四倍。自動補償的來源主要還是由于線膨脹系數的增大而構成，因此膨脹系數與自動補償息息相關。只要我們能充分利用合金的特點，就使它能發揮更多的優勢，為我們服務。

八、合金的鑄造工藝

1. 潮模砂型鑄造工藝

由于合金流動性好，如采用潮模砂型鑄造，給工藝設計帶來了比效有利的條件，使我們采用最簡單的澆冒口系統，就能獲得高質量的鑄件。生產中一般采用壓邊澆冒口效多，因為壓邊澆冒口補償能力強，擋渣去氣效果好，造型簡單方便，澆冒口易于除去。根據鑄件大小和幾何形狀不同，可將壓邊澆冒口分為兩種形式。

①類似明冒口。此方案屬順序凝固放疇。若澆鑄溫度控制不當則容易產生由溫度差所引起的鑄件與澆口接縫處收縮變形，嚴重的還有可能發生裂紋現象。
②類似暗壓邊澆冒口。也屬順序凝固放疇。但它比第一種形式要好，其主要原因是逐漸壓邊冒口接縫處收縮變形有以下兩個因素：
a.壓邊縫隙比鑄件和冒口先凝固。即壓邊冒口停止補償是由于縫隙的截死，因此加大壓邊縫隙的尺寸是必要的，這樣可延長冒口補縮的時間。
b.鑄件凝固是由上而下，從四周（通過熱節）向最后凝固部分的鑄件中心上移至縫隙處，使鑄件幾何熱節（中心）盡可能引至冒口部位。這對防止鑄件中心處產生縮松裂紋等是極其重要的。而金屬模和石墨模鑄造基本可防止這類缺陷。

2.金屬模鑄造工藝

采用全部金屬模鑄造，是澆鑄鋅基耐磨合金最理想的工藝方案。它比砂型鑄造更為簡單，并基本上以同時凝固的方式縮小鑄件的溫度差，還提高了鑄件的成品率和金屬模所具有永久型的特點。無需經常造型，可連續澆鑄零件。金屬模比砂型模冷卻速度約快30倍左右。因此合金致密度高，制件美觀，尺寸穩定，只要注意精心操作，基本上可實現無廢品。采用金屬模澆鑄5公斤以下的零件，1分鐘左右能達到完全凝固，即可脫模取出鑄件重新拼合又可繼續澆鑄。模具光潔度越高，鑄件光潔度越好，表面美觀，尺寸精確。新制金屬模開始使用時表面不需涂料（但模型必須要放脫模斜度，這樣脫模效果好）。模型在澆鑄時必須預熱至70～100℃。如果模具使用時間較長，表面氧化（生銹）脫模困難時，可在模面排刷涂料，金屬涂料配方如下：

石墨粉或滑石粉40%、機油2%、水58%攪拌成稀糊狀，冷涂模型，預熱后即可澆鑄零件。

3.熔化、澆鑄、溫度的控制

使用該合金在熔化和澆鑄十切忌過熱，否則合金晶粒變粗，影響機械性能。特別是對韌性的影響則更為嚴重。一般情況下，該合金的熔化溫度控制在液相線以上100～150℃為宜（480～530℃）。如熔化時合金液體溫度過高，可采用隨時加錠塊降溫的辦法。澆鑄溫度則控制在430～470℃為宜。因澆鑄溫度過高會使合金收縮應力及殘余應力都相應增大，而造成零件局部變形的收縮、甚至裂紋等缺陷。在實踐生產過程中，我們不可能對每一零件的澆鑄溫度進行測試，根據我們摸索的經驗是合金液太表面呈現出鏡子一樣的現象能清晰的照出人物時，即是金屬模最佳澆鑄溫度。

九、辛基合金的粘結工藝

使用銅合金軸瓦時，為了達到整體加工來保證圖紙要求精度，同時又要很容易的將上瓦和下瓦分開，一般都采用錫焊接的方法。而鋅基合金對錫的粘合作用非常低，因此，如用鋅基合金制作的軸瓦，不能采用錫焊接法。這對推廣使用鋅基合金帶來了一定的困難。為解決這一關鍵技術，我們與長沙防腐材料研究所和秦皇島輕工機械廠共同配合，采用防腐研究所研制的“KJ-27”粘結劑試驗獲得成功。現已用于生產實踐中。下面將詳細介紹“KJ-27”的使用方法。

1.軸瓦被銑開成兩片后除去油污，用調好的“KJ-27”粘結劑分別涂在粘合面上，粘結時一定要放穩放平，否則會出現滑動偏移。粘結大瓦時應注意必須用鐵絲或螺絲等其它的方法盡量卡壓緊粘結物（提高粘結力）。
2.必須待粘結劑徹底干燥后方可進行切削加工（干燥時間為24小時左右或按當時氣候條件而定）。
3.已粘結好后的零件在搬運時嚴禁摔碰，以防脆裂。開裂后的零件粘結時必須刮去原留在合金上的粘漬。
4.上車床卡毛坯車卡口時應特別注意，卡爪不能緊靠粘結面，以防止受力后粘口移位。用四爪卡盤卡零件時，找正中心后須先兩對角卡爪慢慢壓，再壓另一對角卡爪，然后緊壓。
5.車完卡口后將零件調頭，用卡爪直接卡在車好的卡口上進行粗、精加工，精車后的松爪應先松粘結面的卡爪。
6.如用三爪卡盤卡零件時，如圖八裝卡即可。加工后需將零件分開時，最好用三爪卡盤撐在里面撐開。
7.“KJ-27”粘結劑在150℃十失效。因此，加工時必須用冷卻液降溫，以防升溫造成開裂。

十、鋅基耐磨合金使用時應注意的事項

1.使用低熔點鋅基耐磨合金，工作溫度不應高于120℃（低于120℃時效穩定）。長期工作溫度在70～120℃時應注意考慮冷卻措施，否則機械性能會有所下降、出現變形。
2.如采用該合金制作軸瓦、軸套、螺母等零件，配合件的主軸、軸、螺桿等表面光潔度應高于該合金。特別是螺桿絲口邊沿不能有銳利的刀口漬，否則會很快地將合金表面硬相一塊塊切下來或刮下來，成為硬相渣，增加磨擦阻力而燒壞螺母。
3.鋅基合金制作的磨擦副，必須有良好的潤滑條件（潤滑油應無渣物，要清潔）。
4.鋅基耐磨合金熱膨脹系數（27×10¤）大于銅合金，成批加工時，先粗車后卸下來，待零件冷卻后再精車。否則精車后的工件尺寸不穩定，從而引起成批報廢。

十一、結論

1.鑄造鋅基耐磨合金，具有高強度，高耐磨的性能。鑄造工藝簡單，適用于各種鑄造工藝方法，滿足生產和使用的要求，是一種優良的、有前途的機械工程材料。在制作結構件、受力件、耐磨件和低熔點合金模具等方面有巨大的潛力。
2.該合金由于鑄造性能優良，可消除銅合金在鑄造時造成的各類缺陷，能順利鑄制出銅合金無法解決各類復雜零件。
3.該合金澆鑄溫度低，金屬模鑄造壽命可達幾萬次以上，免去了型砂消耗，生產周期短，同時設備簡單，操作方便、安全，改善了勞動條件，上馬容易，見效快。
4.該合金機械性能優良，能擴大使用范圍。我們除去用于代替ZQSn10-1、ZQSn6-6-3、 ZQAl9-4合金外，還用于替代鋼件、高強度鋁合金等已取得效好成績。
5.由生產實踐表明，用該合金替代銅合金后，獲得明顯的經濟效益，提高生產4～8倍，質量穩定，降低成本50～70%。
6.環境污染輕，不需要增加防污染的專業設備。