一种用于制造减压器零件的锌基合金材料及其制造方法

摘要

本发明提供了一种锌基合金材料,采用金属型重力铸造或挤压铸造,用于制造减压器阀体,螺杆或输入接头、螺母等零件,锌基合金的化学成分组成(重量百分比)为:Al22～28,Cu1.0～20,Cr0.1～0.5,Ti0.01～0.05,B0.002～0.02,Mg0.005～0.02,余为Zn,其它允许杂质含量为Fe< 0.1,Pb< 0.004,Sn< 0.002,Cd< 0.003。制造成功的减压器零件在30MPa压力下不发生渗漏,与通用的铅黄铜零件相比成本降低40%以上。

说明书

本发明涉及锌基合金材料及其制造方法，具体地说是用于制造减压器阀体、螺杆、螺母等零件的锌基合金材料。

通常使用的氧气瓶、乙炔气瓶、二氧化碳气瓶等均带有一个减压器，其中减压器阀体、螺杆或叫输入接头和螺母是减压器中的重要零件。根据GB7899-87规定，减压器的高压室要求在规定负荷为30MPa的压力下，持续5分钟水压试验后应无永久性变形，因此对材料的耐压性能和机械性能有较高的要求。另外，GB7899-87标准规定，与乙炔或具有类似化学特性的气体接触的材料其含铜量应不超过70％，因此，国内外广泛采用铅黄铜材料ZCuZn40Pb2(相当于GB1176-74标准规定的ZHPb59-1铅黄铜)制造。根据GB1176～87标准规定，这种铅黄铜含有58～63％Cu，0.5～2.5％Pb，其余为Zn。金属型铸造时，铸态机械性能为бb≥280MPa，δ≥20％，HB90。减压器阀体的制造方法是，首先配制铅黄铜材料，在感应炉或其它熔炼设备中熔化，连续铸造或用其它方法铸造成棒材，然后下料，在电阻炉中加热到一定的温度，采用模锻方法成形。而螺杆、螺母则采用铸造成形的园形棒材或六方型材经机械切削加工而成。用黄铜材料制造存在下列缺点，①由于这种合金含有较高含量的贵重金属铜，原材料成本高，材料来源困难；②由于生产工序多，能耗高，而螺母、螺杆又由于机械加工，材料的利用率低，因而生产成本高；③黄铜材料在熔炼过程中，熔炼温度超过锌的沸点(911℃)，因此，在熔炼过程中蒸发产生的烟雾大。又由于合金中含有铅，环境污染严重，严重影响操作人员的健康，生产车间需要较好的通风除尘设备。

目前，国际上研究和推广应用的锌基合金材料ZA27，见《Metal Progress》，1982(11)，P29-31，具有强度高和耐磨性好的特点，主要用于代替镉青铜ZCuSn5Zn5Pb5，ZCuSn10Pb1等材料作耐磨轴承材料使用，在机械、冶金、矿山、轻工等行业用于制造轴瓦、轴套、蜗轮等另件。ZA27合金含有下列成分：25～28％Al，2.0～2.5％Cu，0.01～0.02％Mg，其余为Zn。金属型重力铸造时，机械性能为бb400～440MPa，δ1-3％，HB110～120。但是该合金的最大的缺点是，由于铝含量较高，凝固温度范围宽(380～492℃)，在铸造过程中极易出现显微缩松，铸件的致密度差，因而铸件的耐压性能差。该合金产生显微缩松的原因在于，由于凝固温度范围宽，呈树枝晶凝固，最后在树枝晶间隙中凝固的液体，在凝固过程中得不到补缩，造成显微缩松。另外，这种合金的塑韧性低，金属型铸造时延伸率1-3％，通过热处理可提高合金的塑韧性，但合金的强度降低。

研究分析表明，合金的耐压性能和塑韧性与合金的致密度有关。因此，细化合金粗大的树枝晶组织，改变合金的凝固方式，提高合金的致密度，不仅能提高合金的耐压性能，而且也能同时提高合金的塑韧性。

本发明的目的是提供一种锌基合材料及其制造方法用于制造减压器阀体、螺杆、螺母等另件，具有较高的耐压性能和较高的强度及塑韧性。

本发明的锌基合金材料其化学成分组成(重量百分比)为：Al22～28，Cu1.0～2.0，Cr0.1～0.5，Ti0.01～0.05，B0.002～0.02，Mg0.005～0.02，其余为Zn，其中杂质允许含量为：Fe＜0.1，Pb＜0.004 Sn＜0.002，Cd＜0.003。

本发明的锌基合金中，加入Al，Cu，Cr的主要作用是提高合金的强度和硬度。加入0.1～0.5％的Cr能够明显提高合金的强度，细化合金的组织。在合金的凝固过程中，加入Cr后形成Cr的金属间化合物θ相，在组织中呈较为规则的方块状主要分布在富铝α相的晶内，少数分布在晶界，尺寸大小为3～10μm，θ相是先析出相。加入Cr能明显细化合金的组织，提高合金的致密度。由于Cu含量低，合金发生共晶凝固的液体减少，从而减少了合金的显微缩松。Mg的作用主要是提高合金的强度和耐蚀性能。Ti和B的作用主要是细化合金的组织，提高合金组织的致密性，加入Ti和B后，合金的组织明显细化、粗大的树枝晶组织消失，并且出现等轴晶。

本发明合金可采用金属型重力铸造或挤压铸造，制造减压器阀体、螺杆、螺母零件。挤压铸造时，合适的压力为50～180MPa，合金的机械性能最好，致密度高，耐压性能好。挤压铸造时，机械性能为бb420～490MPa，δ8～18％，ak80～140J/cm²，HB100～125。金属重力铸造时，铸件组织致密，铸态机械性能为：бb400～480MPa，δ4-8％，aK40～60J/cm²，HB95～120。

本发明合金的优点在于，合金的强度高，塑韧性好，组织致密度高，耐压性能好，并且具有不发火花特性。与铅黄铜材料ZCuZn40Pb2相比，原材料成本低，重量比铅黄铜ZCuZn40Pb2轻40％左右，按体积计算，成本仅为铅黄铜的38～40％。由于熔炼温度为600～650℃，比铅黄铜的熔炼温度(约950℃)低，并且一次铸造成形，因此能耗低，对环境无污染。

实施例1.在本发明合金成分范围内，选择24％Al，2.0％Cu，0.3％Cr，0.02％Ti，0.01％B，0.015％Mg，其余为Zn。金属型重力铸造机械性能бb480MPa，δ5％，aK50J/cm²，HB110。

实施例2.在本发明合金成分范围内，选择26％Al，1.9％Cu，0.4％Cr，0.02％Ti，0.01％B，0.005％Mg，其余为Zn。挤压铸造(压力为90MPa)时，机械性能为，бb440MPa，δ12％.aK120J/cm²，HB120。

实施例3.用上述两种铸造方法制造的减压器阀体，根据GB7899-87现定，进行结构强度，气密性、压力升高系数，不规则系数等主要性能试验，均符合标准要求。对阀体的高压室充以30MPa的压力，低压室乙炔阀体充入3MPa的压力、氧气阀体充入6MPa的压力，持续5分钟，阀体的高低压室无永久变形，并且不发生渗漏现象。

实施例4.按实施例1选择的合金化学成分，金属型重力铸造成减压器用螺母，与铅黄铜材料ZCuZn40Pb2制成的螺母，做破坏性拉力试验，本发明锌基合金制成的螺母拉断力为57～60千牛，而铅黄铜材料的螺母则为33～40千牛，锌基合金螺母的耐磨性是铅黄铜材料螺母的2倍。