钢球加工系列设备中锌基合金的应用研究

郑王刚， 樊亚谱

（1.新乡职业技术学院，河南新乡 453000；2.新乡市新华液压机械有限公司，河南新乡 453000）

0 引言

钢球加工系列设备，作为机床制造业的基础行业，对有色金属铜合金的需求量很大。其原因在于我们生产的钢球加工设备大量使用铜合金ZQSn6-6-3蜗轮蜗杆传动，铜合金ZQSn6-6-3适宜的工作条件为中速中载，耐磨损耐冲击性好。在实际工作状况中，钢球加工设备基本处于24 h轻负载的工况下不停机工作，基于铜合金的铸造性能、减摩性能好和力学性能好，铜合金主要使用在装载料盘的减速机构上的蜗轮蜗杆传动机构中，可以使钢球加工设备长时间正常工作。但近些年，我国经济形势不断恢复，造成基础行业对原材料的需求大增，特别是铅、锌、铜、铝等有色金属价格也稳步走高。如何在不降低产品性能的基础上，降低产品成本成为企业提高产品竞争力的发展方向。在此，我们通过市场调研和生产试验，选择锌基合金ZA27在钢球加工系列设备的传动系统中替代铜合金。

1 锌基合金

锌基合金（Zinc Matrix Alloy，简称ZA），是以锌为主体，加定量的锡铅，在焦炭炉中熔炼，采用氮气精炼所得到的合金材料，具有良好的力学性能、摩擦性能优良、耐磨性好、无火花和无磁性等特点，可以替代价格较贵的（锡铝）青铜和（铅）黄铜等铜合金以及巴士合金等制造轴瓦、轴套、螺母、蜗轮、滑块和丝杠螺母等耐磨减摩零件。

表1 力学性能比较表

1.1 力学性能比较

锌基合金与铜合金力学性能比较见表1。

1.2 磨耗比较

在相同的实验条件下，对比如表2、表3所示。

表2 两种合金耐磨状况试验数据

表3 不同合金磨耗比较表 mm/km

1．3 PV（压力－速度）特性比较

从表1～表4中可以看出，ZA27相较于其他合金材料，具有更高的强度；在干摩擦和润滑条件下，具有更低的摩擦因数、更好的承载能力、更低的摩擦温升和更宽的液体润滑特性。但是由于锌合金的流动性优良,因此锌合金不但适合于砂型铸造,也适合于压铸、壳型铸造、金属型铸造、石墨永久型铸造、石膏型铸造、离心铸造、连续铸造和挤压铸造。

表4 PV特性比较表

2 锌基合金使用性能

2.1 摩擦因数

从参考的资料中，我们可以得出ZA27在干摩擦条件下的摩擦因数为0.20，在有油润滑的条件下，其摩擦因数为0.09，均小于ZQSn6-6-3的0.24。在低速重载的工况下，其寿命最长为铜合金的3倍。

2.2 加工性能

2.2.1 铸造性能

锌基合金的流动性优良，因此锌基合金不但适合于砂型铸造，也适合于压铸、壳型铸造、金属型铸造、石墨永久型铸造、石膏型铸造、离心铸造、连续铸造和挤压铸造。但锌基合金蠕变强度较低，延展率和冲击韧性低于传统的耐磨铜合金。因此采用锌合金生产厚壁耐磨铸件时应采取适当的工艺措施,以防止锌合金铸件产生底缩和严重的疏松。

2.2.2 切削性能

锌基合金具有优良的切削性能，可进行粗、精车,精车后表面粗糙度值可达Ra1.6 μm以上,呈光亮的银白色,非常美观，也可进行研磨加工，其切削速度比灰铸铁高几倍，与易切削黄铜相当，刀具的磨损也较小，但切削速度及切削量增大时有黏刀现象，建议车刀削入为5～7 mm，切削速度为6 m/min左右，并涂煤油润滑刀具，以提高车削表面质量。另外高强度锌基合金不会因切削加工而产生残余应力。

锌基合金加工后可根据需要进行镀铬或阳极钝化处理及化学无电化处理,处理后的表面具有优良的耐腐蚀性,可进行氩弧焊接。

2.3 装配使用性能

锌基合金具有优良的切削性能，可以进行切削和磨削加工，故其制备零件的尺寸精度和形状精度较高。锌基合金蠕变强度较低，延展率和冲击韧性低于传统的耐磨铜合金。我们在使用锌基合金制作零件时，应注意装配技巧，不可用重锤直接敲击安装面，应用橡胶锤或紫铜进行装配。锌基合金膨胀系数比铜合金大，调整装配配合间隙应稍大。

3 实际应用情况

由于ZA27合金的密度仅为铜合金的2/3,而其价格却为铜合金的一半左右,因此制造相同的耐磨零件,ZA27合金的生产成本仅约为铜合金的1/3左右。自2006年以来，我们先后在钢球加工系列设备中立式钢球机输球料盘传动机构中的蜗轮蜗杆减速机构上，用锌基合金代替铜合金试验。在用户使用过程中，提出正确的润滑条件，保证输球料盘正常工作。使用至今，用户反馈良好。在替代试验过程中，我们发现在性能上锌基合金耐磨性优于铜合金，但在实际使用过程中还应注意锌基合金的缺陷：1）使用的环境温度应低于120℃；2）锌基合金不能承受剧烈的冲击负荷；3）锌基合金不能在缺油状态下工作；4）零件相对滑移线速度≤7 m/s，重载(可达30 MPa)的耐磨件，但因线速度增大会引起工件发热,应严密、慎重考虑；5）非腐蚀介质及热蒸汽环境；6）锌基铝合金膨胀系数比铜合金大，配合间隙应稍大。

4 经济效益

3ML4780系列钢球加工设备，承担运送物料的料盘传动系统中大量使用蜗轮传动系统。该传动系统功率为0.75 kW，转速约为0.7 r/min。减速箱铜蜗轮零件代号40A200，其选用材质为ZQSn6-6-3，单个铜蜗轮合计成本为647.88元/件。试验材质改为锌基合金ZA27，整体外购，合计成本为215元/件。试验时间为1 a，期间设备使用正常，无不良使用效果投诉。故决定将此件材质改为锌基合金ZA27。通过锌基合金替代铜合金材料，单个蜗轮可节约成本433元。现在钢球加工系列设备中4种产品（3ML4980A、3ML4680B、3ML4780B、3M7266） 立式钢球机均采用此蜗轮，每年总需求量为350件左右。初步计算每年可节约成本15万元，故现在企业配套已将此蜗轮材料由铜合金ZQSn6-6-3改为锌基合金ZA27。

5 结论

锌基合金具有的典型力学性能，在很大程度上可以替代铜合金，延长机械设备的使用寿命；在成本上相较于铜合金可以为企业节约60%的资金。虽然其一些缺陷是不可忽视的，应根据实际情况选择，避开其因本质缺陷而造成不能使用的条件，最大限度地发挥锌基合金性能优势和价格优势，为现代制造企业发展提供优质原材料。

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