涂益民1 于华1 段世新2 周艳2
1 河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳471003 2 中信重机公司
在一定场合用锌基合金替代铜合金制造轴瓦、轴套、蜗轮等耐磨件，其应用范围正在逐步扩大[1-3]。锌基合金铸件在铸造和使用过程中均会出现局部缺陷和损伤，需要进行焊补修复，焊补区域的耐磨性能否与母材相匹配已成为该类零件使用中的一个关键问题。本文结合大型矿山机械用轴瓦的焊补实践，模拟其实际铸造工艺、焊补工艺和使用工况条件，对常用的 2 种锌基合金 ZA12 和 ZA27 的焊补区堆焊层的摩擦磨损性能和机理进行了研究。
1 试样制备及试验内容
1.1 试样制备
(1)试样熔炼在坩埚内将 Al 及 Al - Cu 中间合金熔化后在出炉前后将 Zn 分 2 次加入，ZA27 和 ZA12的出炉温度分别为 700 ℃ 和 650 ℃，浇注温度分别为540 ℃ 和 480 ℃，均先浇成Y型试块，所需试样从该试块上截取。
(2)焊补工艺[4] 机械法去除试样表面氧化物，丙酮去油污，炉中预热 150 ℃，采用同质焊条，交流 TIG堆焊，堆焊层厚度大于 3 mm。
1.2 试验内容
(1)组织观察对 ZA12 母材和堆焊层进行了组织观察，图 1、图 2 分别为 ZA12 的堆焊层组织和母材组织，由图可知，因焊补冷速快，堆焊层组织明显细化，树枝状特征明显。
(2)硬度测试2 种锌基合金材料硬度的测试结果如表 1。
由表 1 可知，焊补区堆焊层硬度明显高于母材，这与相应组织形态相一致。
(3)磨损试验就焊补区域而言，堆焊层金属、焊接热影响区和母材相比，其组织性能均有所变化，它们的耐磨性也不相同，文献[5]中对 TIG 焊的焊接热影响区的热模拟组织的耐磨性已有所述及，在本试验中主要考察堆焊层金属的摩擦磨损的性能。试验在MM-200型磨损试验机上进行，试样尺寸如图3所示， 下试样为f50×10 mm的淬火，回火45钢环，硬度为HRC31～35，载荷为90kg，油滴为 25滴/min，跑合0.5h后磨损试验1.5h，试验后清洗吹干在万分之一的天平上称重，以3次重复试验的失重平均值表征其耐磨性，用JSM-35型电子显微镜观察磨面的磨损机理。磨损试验结果见表2和表 3。
由表3知，磨损条件相同时，ZA12和ZA27焊补区堆焊层的耐磨性分别高达母材的5.9倍和8.9倍，其相应的配对轴的耐磨性也大约提高了一倍。这说明锌基合金堆焊层的耐磨性远优于其母材，完全可满足实际使用要求。
2 试验结果分析
2.1 磨面磨损形貌分析
图4、图5、图6、图7分别为ZA12堆焊层、ZA12母材、ZA27堆焊层和ZA27母材的磨面形貌。
由图所示的各磨面形貌可知，ZA12和ZA27堆焊层的主要磨损形式为轻犁沟磨损，而ZA12和ZA27母材的主要磨损形式为切削和犁沟疲劳，其中 ZA12 母材磨面尚有局部剥落，对此分析如下：切削是磨粒在外力作用下对基体作用而产生的一种基本磨损形式，在正压力作用下将磨粒压入基体，同时在水平力作用下使磨粒沿磨面运动而形成切削磨损，切削磨损量与材料硬度有关，可表示为
Wv=KaP/H
式中Wv—— 磨损总体积
Ka—— 磨料磨损系数
P—— 法向载荷
H—— 材料硬度
由式知材料切削磨损量与材料硬度成反比，由表 1可知 ZA12 和 ZA27 其堆焊层硬度均大于母材，说明堆焊层有好的抗切削磨损能力，表现为磨面上犁沟浅，磨损量减少。而母材由于硬度低抗切削磨损能力弱，故磨面表现为较深的犁沟磨损，而剥落则是由于两接触面相对滑动时，某一硬突点在相对软表面上运动，使局部产生塑性变形。当有多个硬突点多次作用时，塑性变形量的累积将在亚表层中形成微裂纹。随后在载荷的不断作用下，微裂纹扩展并互相连通，最终在某些薄弱位置切向表面，产生一个薄小的碎片，形成剥落。零件表面硬度提高，抗剥落能力越强，故母材较堆焊层更易产生剥落。
2.2 组织对耐磨性的影响
锌基合金组织通常为高铝相 a + (a + b ) 共晶所组成。由于焊接冷速快，与母材相比，堆焊层组织明显细化，且多为树枝状晶，对堆焊层组织中的树枝晶进行能谱分析表明，枝晶中心为高铝的 a 相，其强度、硬度高，在磨损过程中起着重要的支承作用，而晶间为 (a + b ) 共晶，共晶组织强度硬度低，在磨损过程中，软的共晶组织一方面可起减摩作用，同时其磨损后又可形成微小油槽进一步提高减摩性能，故从组织构成上可知堆焊层具有更好的耐磨性。
3 结 论
锌基合金焊补堆焊层主要表现为轻犁沟磨损，其耐磨性优于母材的耐磨性 6 倍以上。与母材相比，堆焊层组织明显细化，树枝晶发达,有很好的减摩作用和耐磨性；使用 TIG 焊在一定焊接工艺条件下，可对轴瓦、轴套的局部缺陷进行焊补修复。
参考文献
1. Jim B. New alloys for zinc castings. Materials& Design，1990.
2. YANG Liu-shuan，LIU Yong-chang，YANG Gen-cang，et al.Friction-wear property of high silicon ZA27 alloy prepared by spray deposition. Transaction of Nonferrous Metals Society of China，1996.
3. 杨留栓，王宏敏，陈全德. 高铝锌合金. 西安：西北工业大学出版社，1997.
4. 涂益民，张柯柯，谢敬佩，陈大柔. 锌基合金钨极氩弧焊焊接工艺的研究. 热加工工艺，1994(4)
5. 张柯柯，涂益民，陈大柔. ZA12 合金氩弧焊 HAZ 组织模拟及摩擦学性能. 中国有色金属学报，2000(6)□ |
