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外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁合金新材料研究及應(yīng)用

文檔作者：劉東啟張景行文檔來源：煤炭科學(xué)研究總院重慶分院北京冶煉廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月07日
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魏然那然然驥籠
鬢薰翼羹蒸
外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁合金
新材料研究及應(yīng)用
煤炭科學(xué)研究總院重慶分院張景行
北京冶煉廠劉東啟
〔摘要〕鋁合金材料與銹鋼撞擊或摩擦?xí)r, 容易引燃瓦斯發(fā)生爆炸亨故。本文結(jié)合研
制的F H Z L 50 3 A 型鑄造鋁合金材料, 按照G B 1 3 81 3一習(xí)2 《煤礦用金屬材料
摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和制定規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定, 在試驗(yàn)室通過了15 0 次
模擬接近工況狀態(tài)的自由落錘沖擊和摩擦試驗(yàn), 得出F H Z 5L 03 A 型鑄造鋁
合金使用是安全的結(jié)論, 并建議替代目前煤獷井下具有安全隱患的Z儀0 1 、
Z L 10 4 、Z L 10 2 等鑄造鋁合金。
〔關(guān)鍵詞〕外殼摩擦火花安全型鑄造鋁合金試驗(yàn)研究
一、前言
世界上許多國家: 英國、( 前) 西德、( 前)
蘇聯(lián)、日本、波蘭、捷克等國家在煤礦井下曾
在抽出式局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉輪、活節(jié)頂梁、金
屬摩擦支柱的墊塊、攜帶式電鉆、風(fēng)煤鉆、儀
器儀表、電氣設(shè)備外殼等用鋁合金制造的零部
件曾因撞擊或摩擦產(chǎn)生火花引起多起事故。因
而上述國家對輕合金材料在礦井中應(yīng)用的安全
問題很早就進(jìn)行了研究, 探索其應(yīng)用前景, 但
至今尚未獲得突破性進(jìn)展。因而目前英國、( 前)
西德、日本及其他一些國家已禁止在煤礦井下
或者禁止在具有沼氣危險的采掘工作面, 30 m
以內(nèi)使用輕合金制造的設(shè)備。
西歐、澳大利亞等國家制定了技術(shù)規(guī)范允
許在井下使用的輕金屬的合金, 含鋁、鎂、欽
成份的總含量不能超過15 % ( 質(zhì)量計(jì)) , 鎂、
欽總含量不超過6 % ( 質(zhì)量計(jì)) 的規(guī)定。
因而目前世界上近十年對輕合金設(shè)備、儀
器儀表, 在表面添加保護(hù)層來防止摩擦火花的
一項(xiàng)輔助措施在進(jìn)行研究和應(yīng)用。
從19 90 年初, 煤炭科學(xué)研究總院重慶分院
與北京冶煉廠( 原北京有色金屬加工廠) 共同
合作開發(fā)外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁合金新
材料( F H Z5L 03 A ) , 深入進(jìn)行研究和試驗(yàn)。
19 9 2年國家技術(shù)監(jiān)督局, 技監(jiān)國標(biāo)發(fā)〔19 9 2 )
50 6 號文件批準(zhǔn), 發(fā)布《煤礦用金屬材料摩擦
火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》國家標(biāo)準(zhǔn),
于19 9 3年8 月1 日起實(shí)施, 國內(nèi)首次有了鋁合
金安全性能的檢測單位和試驗(yàn)方法, 推動了
F H Z瑪03 A 鑄造鋁合金的研究和提供了研究
應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)和要求。
這次研究是從輕合金材料引燃沼氣的機(jī)理
最基本的原理和現(xiàn)象開始探索的, 首先考核
了國內(nèi)各種牌號鑄造鋁合金的旋轉(zhuǎn)摩擦、高速
沖擊和自由落錘試驗(yàn)時, 火花發(fā)生情況, 研究
了火花引燃沼氣的過程和條件。用高速動態(tài)測
. 3 .
定儀測試的結(jié)果表明. 旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的火花是 一束高溫粒子流, 點(diǎn)燃沼氣往往發(fā)生在距離摩
擦點(diǎn)一定的距離處; 而高速沖擊是由于鋁合金
彈丸沖擊或摩擦產(chǎn)生一些粉末或小的顆粒; 自
由落錘沖擊由千沖擊的能量大和摩擦的程度也
較為充分, 產(chǎn)生摩擦屑或較大塊的碎片。采用
高速攝影技術(shù), 以10 0 幅/ 秒一3 0 0 幅/ 秒的
速度拍攝摩擦火花的點(diǎn)燃的起點(diǎn)、火花持續(xù)時
l’de 、火花形成和引燃甲烷試驗(yàn)用氣體的全過
程, 再以慢速用錄相放出來, 就可明顯觀察到:
旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)我們采用Z L 10 4 鑄造鋁合金
為固定試件, 用生銹的A 3 或45 # 鋼板幾旋轉(zhuǎn)
圓盤試件, 在不同相對摩擦速度的條件下旋轉(zhuǎn)
試驗(yàn)。試驗(yàn)氣體用甲烷一空氣棍合氣體( 甲
烷濃度6
.
5 一7
.
0% ) 固定試件用重錘加載方法
靜態(tài)穩(wěn)定壓緊力為sl N , 固定試件和旋轉(zhuǎn)試件
摩擦接觸面積分別為l o o m m Z 和14 o m m Z 。相
對摩擦速度為(2 0 一9 0) m s/ 共六檔, 在9
次試驗(yàn)中, 均觀察到強(qiáng)度和亮度不同的火花束,
在50 m / s 以上, 固定試件和旋轉(zhuǎn)試件接觸瞬間,
著火時間為0
.
41 一1
.
90 5 的范圍內(nèi)。在相對摩
擦速度均在40 m s/ 以下, 4 次未發(fā)生引燃試
驗(yàn)氣體, 有較分散的呈紅色的火花飛濺出來,
其接觸摩擦長達(dá)(2 6 5一4 4 3) 5 的范圍內(nèi), 都
未引燃。而旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)外緣處都粘附著鋁合金的
粉末。
高速沖擊或自由落錘沖擊試驗(yàn):
在一定能量沖擊下, 用鑄鋁合金試驗(yàn)彈丸
或者自由落錘沖擊試件撞擊和摩擦銹鋼試驗(yàn)板,
共有4 幀產(chǎn)生火花的擴(kuò)大畫面。在最下一幀畫
面中, 可以看到三分之一毫秒的撞擊時間內(nèi)產(chǎn)
生熾熱粒子的特有中心, 在火花中心獲得的極
高溫度下, 甲烷一空氣混合物經(jīng)過滯后時間
1 m s , 而在火花中持續(xù)時間內(nèi)發(fā)生著火, 逐
步擴(kuò)大。圖中的幾幀畫面是相連貫的, 每幅
畫面曝光時間約為1 / 3 m s 。最后形成一團(tuán)火
球而使整個爆炸槽中甲烷
—
空氣棍合氣體著
火燃燒。自由落錘的著火持續(xù)時間要比高速沖
擊短, 原因是沖擊或摩擦產(chǎn)生屑片或顆粒高熾
熱粒子的能量要大些, 擴(kuò)散速度有所增加而已。
因此, 旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)持續(xù)著火最短, 最易著火,
自由落錘試驗(yàn)次之; 最后是高速沖擊試驗(yàn)。
因此, 從試驗(yàn)?zāi)Σ粱驔_擊產(chǎn)生火花引燃可
燃性氣體的條件是:
( 1 ) 合金材料被撞擊時容易破碎為極細(xì)
的粉末, 這些粉末具有新的表面。
( 2 ) 這種粉末在空氣中易于氧化并保持
很高的溫度。
( 3 ) 碰撞時發(fā)生的火花具備必要的溫度
或“ 活化物” 。
具備上述條件的金屬或合金, 甚至其他各
種物質(zhì), 在碰撞時都容易發(fā)生火花引燃?xì)怏w燃
燒爆炸。鋁合金如果避開上述發(fā)生火因素, 即制.
成摩擦火花安全性合金, 這在技術(shù)上應(yīng)該是可
行的。
在上述研究的基礎(chǔ)上, 再進(jìn)行逐一研究了
鋁合金化學(xué)元素對撞擊摩擦產(chǎn)生火花的影響,
經(jīng)過仔細(xì)地成分篩選和工藝性能試驗(yàn), 研制了
摩擦火花安全型鑄造鋁合金材料, 試驗(yàn)證明安
全性能已明顯優(yōu)于普通鑄造鋁合金。
鑄造鋁合金都是多元合金, 為了弄情每種
鋁合金元素對摩擦火花的影響, 有必要從二元
合金來研究其安全性。
鑄造鋁合金按其合金所含化學(xué)元素的不同
可以分為四大組, 即:
( a ) A卜一is 鑄造合金; ( b ) A卜Mg
鑄造鋁合; ( c ) A卜uC 鑄造合金; d( ) lA
一Z n 鑄造合金。
二、外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料化學(xué)元素的篩選試驗(yàn)
為了考察is 、Cu 、Mg 、Z n 四種化學(xué)元素
對產(chǎn)生火花的影響, 將is 、Cu 、Mg 和Z n 由含量
l 一15% 分別注入鋁中, 然后澆鑄成試塊進(jìn)行
沖擊或摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)用的is 、Cu 、M g 、z n 純
度均大于9
.
9 % , 鋁為9
. 9 95 % 的高純鋁。
試驗(yàn)用試塊的配制是在電阻爐中進(jìn)行的,
在預(yù)熱好的純石墨柑渦中按配件計(jì)算的純Z n 、
純Cu 、純S份別和lA同時加入, 升溫熔化, 控
. 4 .
制溫度在3 一 4 ℃范圍內(nèi) , 待加入金屬全部
熔化后, 用石墨棒攪拌均勻, 純M g 是A I熔化
后, 加入覆蓋劑, 然后再加入純M g , 控制溫
度為7 30 ℃ , 通入干燥后的N Z氣精煉5 一8
m i n , 然后靜置一0 m in , 扒渣后澆注成試塊,
分別進(jìn)行高速沖擊和自由落錘試驗(yàn)。
從高速沖擊試驗(yàn)觀察可以得出, 因純lA 太
軟, 塑性好, 故障彈丸沖擊到銹鋼板上只有撞
擊變形很少發(fā)生摩擦, 因此產(chǎn)生的火花較少。
從而通過此次試驗(yàn)結(jié)果, 可以得知火花的產(chǎn)生
主要由于摩擦所致。但也與沖擊有一定關(guān)系。
純A哈金高速沖擊時火花產(chǎn)生次數(shù)最少,
隨著Z n 含量的增加, 火花產(chǎn)生次數(shù)逐漸減少
其次是A卜uC 合金, 當(dāng)C u 含量小于9 % 時, 產(chǎn)
生火花次數(shù)較少, 大于9 % 后火花即大量產(chǎn)生;
A I一一S洽金當(dāng)5 1含量大于2 % 火花產(chǎn)生次數(shù)
開始增多。安全性能最差的是A } 一Mg 合金,
M g 含量在1 % 時, 即有大量火花產(chǎn)生。
從自由落錘火花試驗(yàn)結(jié)果與高速沖擊試驗(yàn)
結(jié)果基本一致, 即A 卜Zn 合金火花產(chǎn)生最少,
其次為A l- 一丁C u 合金和A卜iS 合金, A卜M g
合金火花產(chǎn)生最多。
綜合上面兩個試驗(yàn)可以得出這樣的結(jié)論:
即A卜一5 1和A卜M g 合金不是研制摩擦火花安
全型鋁合金的主攻方向。
為了提高鋁合金的鑄造性能和機(jī)械性能
往往需要添加少量元素來強(qiáng)化合金, 這些元素
通常有C r 、N i 、M n 、T i 、S r 、B e 等元素。
為了研究這些少量添加元素對鋁合金撞擊
摩擦火花的影響, 也分別以不同量往純A I 中
添加, 進(jìn)行高速沖擊和自由落錘試驗(yàn)。如表1
所示。
表1 少t 添加元素對鋁合金產(chǎn)生火花的影響匯總表
臺金\ 元素含量
漢(夕f )5 (飛飛0 3 0 5 O 了1 0
! 1 . 1 1 班1 I t 1 . 琶! l 百1 1 1
M! 月硯高速沖擊2 考2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 今9 少2 3 2
自由落錘竺2 1 2 全2 2 2 1 1 1 2 一悶~ } 義2
2 2 }
A I一C r 高速沖擊2 藝3 2 3 3 2 2 1 2 2 2 2 2 3 {2
自由矛真睡1 } 夕2 藝1 2 2 2 2 2 2 3 3 護(hù)}}匕匕三_ 幾夕
A 卜一N i 高速沖擊2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 3 3 2 2 3 ?/
自Ih 落乍垂夕2 } 2 2 2 2 2 〕2 3 2 ) 3 又?:;
A I一R e 高速沖擊2 Z j 2 2 竺2 2 3 2 2 3 2 :弓! :虧2 2
自r寸{落錘戈2 3 : 2 只少個9 、2 2 1 戶全;` } : 、;弓3
A 卜T i 高速沖擊2 3 2 2 3 2 2 K 2 2 竺3 2 二更3 少弓9
自dl 落錘2 2 2 2 2 戶3 :考j 1 1 宋竺2 1 之3 2
A I S r l詩速沖,七2 2 2 2 弓3 { l } 虧1 3 1 3 1:奮1 3
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自由落錘2 2 1 藝3 飛8 9 卜) 9 9 9 ! 弓13 1:飛
注: 表中產(chǎn)生火花議飯為試驗(yàn)2 。、吳所見到次數(shù)
從試驗(yàn)中看出純A 畜暇卜, 少量添加M n 、(二r 、
N i 、Be 、T樹撞擊摩擦火花無影響, 即不增
加也不減少鋁合金的火花發(fā)生, S r 就不同了,
加入超過0 . 3 % 以后, 就有大量火花產(chǎn)生, 因
此, 超過0 . 1% 的S r 不能用作摩擦火花安全型
鋁合金的添加元素
岑5 朱
由上面的試驗(yàn), 我們可以看出鋁合金的撞
擊摩擦火花與其化學(xué)成分有很大關(guān)系。現(xiàn)作如
下分析:
A l se一Z n 合金: Z n 在A I中有很高的溶解度,
在鑄態(tài)時可以得到Zn 在A I中的過飽和固溶體,
其中并無金屬間化合物存在, 相對來說沖稀了
A I的濃度。A 卜Z n 合金又具有較低的硬度
和高的延展性, 這些性質(zhì), 使得它在撞擊摩擦
時不易產(chǎn)生極細(xì)的粉末, 因此, 火花產(chǎn)生較少
或根本不產(chǎn)生。
A I, . Cu合金: 在固態(tài)時, C u 在d 一固溶
體中溶解度很小, 超過溶解度的C u 以金屬間化
合物Cu A 12 的形式存在, 強(qiáng)度增加, 使合金在
撞擊摩擦?xí)r不易破碎為細(xì)粉, 因此有減少撞擊
摩擦火花的作用, 隨著C u 含量的增加, C u A 12
的量也增加, 使合金的脆性增加, 在遇到摩擦
撞擊等機(jī)械外力時, 則容易產(chǎn)生極細(xì)粉末, 火
花的發(fā)生也就隨之增多了。
A卜S洽金: 在鑄態(tài)時的組織為粗大的
片狀硅和鋁基固溶體組成的共晶硅和少量的塊
狀初晶硅, is 含量越高, 脆性急劇增加, 一遇
碰撞摩擦很容易產(chǎn)生微細(xì)粉末, 隨之迅速燃燒
出現(xiàn)火花。
A卜iS 鑄造合金往往加入變質(zhì)劑來進(jìn)行細(xì)
化處理, 以提高機(jī)械性能。以往在A卜一S洽
金中加入S r 變質(zhì)后, 出現(xiàn)了有趣的現(xiàn)象, 即
撞擊摩擦火花明顯減少, 這顯然是由于變質(zhì)合
金中珊瑚狀的共晶硅細(xì)化成粒狀, 使合金的膩
性大大降低, 在撞擊摩擦?xí)r, 粒狀硅整個脫落,
微細(xì)化的可能性減少, 因此出現(xiàn)火花也相應(yīng)減
少了。
A 卜M g 合金: 由于M g 與lA 形成的金屬間
化合物刀( A I: M g : ) 相很脆, Mg 本身的性
質(zhì)又極易燃燒, 所以碰撞摩擦很容易形成極細(xì)
的粉末, 產(chǎn)生大量火花。
綜上所述, 調(diào)整鋁合金的化學(xué)成份, 改善
顯微組織結(jié)構(gòu), 使合金具有適當(dāng)?shù)难诱剐院蛷?qiáng)
度, 在碰撞摩擦?xí)r不產(chǎn)生極細(xì)的粉末, 就可以
減少或避免發(fā)生火花。因此摩擦火花安全型鑄
造鋁合金, 首先選定化學(xué)元素的組成, 是至關(guān)
重要的。
三、外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料化學(xué)元素配方的確定
從鋁合金研制簡單的A卜is 、A卜Cu 、
A卜M g 、A 卜Z n 二元合金不能達(dá)到鑄造性
能和機(jī)械性能的要求, 必須加入一些少量元素
起到強(qiáng)化作用。經(jīng)過試驗(yàn)后確定C u 、Cr 、iT 、
B e 、M n 、S r 等六種元素, 排除M g 元素。添
加這些元素它們在合金中的作用和對產(chǎn)生火花
的影響分別為:
Cu : 是高強(qiáng)度鋁合金的重要元素, 鋁鋅
合金中加入一定量的銅組成A I一Z n 一Cu 三元
合金, Cu 在鋁合金中析出強(qiáng)化相( C u A 12 )
通過固熔強(qiáng)化和時效強(qiáng)化, 提高合金的強(qiáng)度,
C u 含量不大于7 % , 不會惡化安全性能, 還
可以提高合金的流動性和耐蝕能力。
C r : 可以細(xì)化鋁晶粒, 使合金至密, 提
高鑄件氣密性, 同時改變合金抗蝕能力, 試驗(yàn)發(fā)
現(xiàn)C r含量超過0
.
5% 時, 合金塑性降低, 因此
加入量控制在0
.
3% 。
iT : 以A卜T l一B 中間合金形式加入。微
量的Ti與A I形成A 13 T i , 當(dāng)凝固時作為外來晶
核細(xì)化組織, 使疲勞極限增加, iT 的細(xì)化效
果, 只有B 存在時才能充分顯示出來, iT 的加
入量控制為0
. 1一0
.
1 5% , B 為0
.
0 2 一0
.
0 4% 。
B e : 有關(guān)文獻(xiàn)報道能抑制鋁合金撞擊摩
火花的發(fā)生, 但通過大量試驗(yàn)證明B e 無此作
但B e 的加入可以細(xì)化A 堪體, 同時使合金塑性
和韌性增加, 疲勞強(qiáng)度得到改善, 因而避免在
撞擊和振動時斷裂, B跡能夠提高合金的抗
蝕能力。
S r 、A卜Z n 合金的抗腐蝕性能一般, 在
潮濕環(huán)境中有晶間腐蝕傾向。尤其煤礦井下使
用。為了克服這一缺點(diǎn), 加入微量的S r , 則
能避免發(fā)生晶間腐蝕, 從而提高合金的抗蝕能
力。當(dāng)A l , Zn合金中同時存在S r 和B e時, 抗
腐蝕效果最佳。S r 的加入量控制在0
.
01 一0
. l on/
對鋁合金摩擦火花無影響。
. 6 今
在含銅的鋁合金中, 加入M n 可使為了有效地抑制鋁合金的撞擊摩擦?xí)r火花
合金的屈服強(qiáng)度和高溫性能得到改善, 同時可的發(fā)生, 經(jīng)過多次篩選, 試驗(yàn)選擇了一組合金
以降低雜質(zhì)鐵的有害作用, 但M n 含量過高時, 添加劑R x , 添加量為2
.
5 一4
.
5% 。
合金機(jī)械性能降低, 控制M n 含量小于0
.
8% 不綜合以上條件, 考慮到煤礦井下外殼用摩
會惡化鋁合金的安全性能。擦火花安全型鑄造鋁合金使用環(huán)境潮濕, 腐蝕
根據(jù)鋁合金中少量強(qiáng)化元素的最佳加入性氣體存在等的惡劣性, 以及對鑄造性能、機(jī)
量, 試驗(yàn)選擇了: C r 的加入量0
. 1一0
.
3% ; iT 械性能及氣密性的要求, 首先選出五種安全型
的加入量0 . 1一0 .
2% ; B e 的加入量0
.
03 一0 .
05 % ; 鑄造鋁合金的成分配方。其化學(xué)成分和安全性
S r 的加入量0
.
0 1一0
.
0 3% ; M n 的加入量能列表如下。
0 .
3一0
.
8 % 。從表2 中可以看出, 篩選出的5 種成分只
Cu 的加入量選擇2 .
5 一5
.
5% , 低于此含量有5 一1 、5 一2 、5 一3 在撞擊摩擦?xí)r沒有
強(qiáng)化效果不明顯, 高于此含量合金撞擊摩擦?xí)r產(chǎn)生火花, 這三種合金以5 一3 的性能最佳,
容易產(chǎn)生火花, 安全性能下降。合金的抗腐蝕因此確定5 一3 為外殼用摩擦火花安全型鑄造
J勝能也降低。鋁合金的化學(xué)成分。
表2 五種化學(xué)成分的鋁合金產(chǎn)生魔擦火花匯總表
編號化學(xué)成分“ 試驗(yàn)結(jié)果
C u Z n 5 1 C r T i Il e S r M n R x A I 產(chǎn)生火花次數(shù)
5 一l 一4 . 5 一0 . 3 0 . 1 5 0 03 0 . 0 3 0 . 5 3. 2 余量無無無
5 一2 4 . 5 一一0 . 3 0 . 15 0 03 0 . 0 3 0 . 5 3 2 余量無無無
5 一3 2 . 5 2. 5 一0 . 3 0 . 15 0. 03 0 . 0 3 0 . 5 3 2 余量· 無無無
5 二一4 一4 5 1 . 5 0 . 3 0 . 1 5 0 0 3 0 0 3 0 . 5 3 . 2 余量七
5 一5 5 . 5 4 0 0 3 0 . 15 0 . 0 3 0 . 0 3 0. 5 3 . 2 余量無1 1
無1 】
注: 1.
自由落錘質(zhì)量為20 k g ; 2 .
重錘提升高度3
.
s m ; 3
.
試驗(yàn)板為45 # 銹鋼板。
為了進(jìn)一步尋找性能穩(wěn)定的5 一3 號安全
性鋁合金的元素成分的含量范圍。我們編排了
一系列不同的元素含量配方, 熔注后進(jìn)行機(jī)械
性能和自由落錘撞擊摩擦火花試驗(yàn), 我們把試
驗(yàn)結(jié)果中5 一3 合金性能穩(wěn)定的元素成分含量
范圍列表如下。
表3 不同成分和含t 鋁合金時物理機(jī)械性能和產(chǎn)生火花次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總表
機(jī)械性能l 試驗(yàn)結(jié)果
合金編號
仁要化學(xué)成分筍
. n C r T i B e S r M n l{ A I {抗拉M P
無無
耳
延伸率% l , 生火花次數(shù)
余余畢且墾量以里量 232 `Jgū11 CO日6召
8 9 0
0 6 0
14 0.
1 4 0.
l 5
l 5
0. 0 1
0 0 4 3
0 0 30
0 0 3 1
0 . 4 8 2
0. 6 1 3
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坦竺
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堅(jiān)0· 2 2 。· “ 。。2 5 里二竺畢蘭竺-
竺業(yè)蘭一
無無
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續(xù)表3
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產(chǎn)生火花次數(shù)
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余量
余鼠
余量2 3 2 3 5 兀無無
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注: 】.
自由洛錘質(zhì)量20 k g ; 2 .
重錘提升高度3
. s m : 3 .
試驗(yàn)板為45 “ 銹鋼板
從表3 中可以看出, 5 一3 合金中主要元
素C u 含量在3
.
0 一3
.
5% , Z n 含量在1
. 0一2
.
5%
其余少量添加元素按常規(guī)量加入, 合金的機(jī)械
性能和安全性能穩(wěn)定。
最后, 確定煤礦井下外殼用摩擦火花安全
型鑄造鋁合金的化學(xué)組成配方為: Z川
. 0 一
2 .
5% 、C u 3
. O一5
.
5% 、C r O. 1一0 .
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0
. 1 一0
.
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. 0 2 一0 . 0 5 % 、S or
.
0 1一0
. 0 3%
M n O
. 3 一0 . 8 % 、R x2
.
5 一4 .
5% , 雜質(zhì)含量iS
1 .
5% 、M g o .
5 % 、F oe
.
5% , 其代號為F H Z
L SO3 A 。
四、確定配方后, 選擇最危險狀態(tài)
摩擦火花的產(chǎn)生過程和引燃瓦斯的機(jī)理是
一個較復(fù)雜的問題, 有鋁合金本身的化學(xué)成分
和物理機(jī)械性能, 也有外界多種因素的影響。
因此, 國內(nèi)外對金屬材料摩擦火花的研究評價
及其安全性, 通常是在實(shí)驗(yàn)室通過試驗(yàn)裝置模
擬接近工況狀態(tài), 對摩擦火花引燃甲烷一一空
氣混合氣體的定性試驗(yàn)。當(dāng)時G B 1 3 8 13 一92 標(biāo)
準(zhǔn)尚未發(fā)布和實(shí)施, 故選用了如下的試驗(yàn)條件
進(jìn)行考核。
根據(jù)大量試驗(yàn)表明: 重錘質(zhì)量一定, 自由
下落高度在3
.
s m 時, 相對著火率最高。故首先
選擇在最危險工況下, 每組20 次共25 組試驗(yàn)。
見表4 。
下進(jìn)行大量重復(fù)性考核試驗(yàn)。
表4 第一次自由落錘沖擊靡擦火花安全性重復(fù)考核試驗(yàn)匯總表
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十三甚,ltIseew
分全}1
序號
大} 仁_蘭
序號乙
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試驗(yàn)板
材質(zhì)
試驗(yàn)阪
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F H Z I J 50 3
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A ( 3一5 ’ 、3一6
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F H Z L 5 0 3
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2 1 . 7 6 4 6 一6 . 88
.35.35.35
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2 1 7 3 . 5 6 . 6 5 一6 93
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4 0 1
一4 0 0 1 17 . 0 7 8 F H Z L 5 0 3
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2 1 . 7 3. 5 6 . 6 8 一6 . 95
2 1 4 2 0 1 17 0 78 F H Z L 50 3
A ( 3一1 7 ’ 、3一18
2 1 . 7 3. 5 6 . 6 1 一6 . 87
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A ( 3一2 5 ’ 、3一26
2 1 . 7
13一
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C
一2〔)
試驗(yàn)結(jié)果及分析:
在第6 組、( 10 9 次) 第15 號試件; 第1 7 組,
( 32 7 次) , 第3 號試件( 重復(fù)使用) ; 第20 組,
( 38 2 次) , 第15 號試件` 第二次重復(fù)使用) ;
第2 4 組( 4 7 3 次) , 第2 4號試件( 重復(fù)使用) ;
第2 6 組, ( 4 8 6 次) , 第25 號試件( 重復(fù)使用)。
在最危險狀況下50 0 次重復(fù)試驗(yàn)中, 不著火
4 9 5 次, 著火5 次。
分析認(rèn)為可能由于冶煉與鑄造過程中, 在
試件中化學(xué)元素含量分布不均勻性, 造成個別
試件中著火較高的元素含量偏高, 或者試驗(yàn)過
程中環(huán)境或其他試驗(yàn)條件差異造成的。針對上
述分析出的原因, 再作一次重新冶煉制作試
件, 并注意改進(jìn)冶煉的均勻性, 再次分為25
組, 每組20 次, 共計(jì)5 0 次與上述相同的試驗(yàn)
條件下進(jìn)行試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果見表5 。
. 9 徐
表5 第2 次自由落誘沖擊. 娜火花安全性, 盆考核試驗(yàn)匯總表
分組} 試件環(huán)凌試件i式驗(yàn)板試驗(yàn)板重睡重錘下試驗(yàn)用氣體成分若火率
序號
?
序” 溫度代號材質(zhì)角(。) 質(zhì)量落高度C升14 0/
( ) f k g ) ( m ) 著火次數(shù)
試驗(yàn)總數(shù)
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’` ’一’6 。20 . 8 A ( 4一8、4一9 ) A 3 55 2 1 . 7 3. 5 6 . 6 3一6 9 8 !一0 /2 0
9 }` 6 ’一’”。2 1 . 4 F H Z L 5() 3 A 3 55 2 1。7 3. 5 6 . 6 7一6 . 8 8 1
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F H Z I J 5 0 3
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F H Z L 5 0 3
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F H Z L 5 0 3
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F H Z L 50 3
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試驗(yàn)結(jié)果及分析:
在第8 組, ( 15 6次) 第17 號試件; 在第1 6
組、( 28 9 次) 、第1 號試件( 該試件在作過
一次試驗(yàn)沖擊后, 經(jīng)過加工切削沖擊變形部份
后再次使用; 在第17 組(3 19 次) , 第4 號試
件( 同樣為加工切削后重復(fù)使用) 。
分析: 第二次在最危險狀況下再次作5 0
次試驗(yàn), 非著火4 9 7 次, 著火3 次, 通過著火
概率分析計(jì)算, 著火概率為0
.
8% , 非著火概
率為9
.
2 % 。當(dāng)試驗(yàn)的沖擊能量、試驗(yàn)板的材
質(zhì)( 即硬度、生銹程度) 和試驗(yàn)板傾角等條件
都處于摩擦火花引燃可燃性氣體最危險狀況,
摩擦火花產(chǎn)生的引燃概率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際著火
的概率, 因此該外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料是安全可靠的。
五、外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料檢驗(yàn)性試驗(yàn)
19 9 2 年8 月l 日實(shí)施G B 13 8 1 3一9 2 《煤礦
用金屬材料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)
則》后, 再按第n 章“ 輕合金外殼” 中規(guī)定進(jìn)
行正式檢驗(yàn)考核。
1
.
檢驗(yàn)方法的選定
外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁合金新材料
主要適用于煤礦井下攜帶式或小型移動式設(shè)
備、儀器儀表、工具、煤電鉆、風(fēng)煤鉆、手持
式鉆機(jī)、鉆具、燈具? ?等外殼。上述這些設(shè)
備和儀器儀表, 鉆具按其使用工況條件, 一般
可能出現(xiàn)兩種狀態(tài), 即一種是用該新材料制造
鋁合金外殼掉落于生銹鋼材上面受到?jīng)_擊或摩
擦產(chǎn)生火花; 另一種是在巷道中或工作面其他
物體掉落于這些用該新材料制成的鋁合金外殼
上。根據(jù)國內(nèi)外大量試驗(yàn)表明, 鋁合金直接落
于銹蝕的鋼材上, 沖擊摩擦產(chǎn)生火花引燃甲烷
—
空氣混合物的危險性最大。故在G B 1 3 81 3
一92 國家標(biāo)準(zhǔn)中, 第n 章《輕合金外殼》的試
驗(yàn)條件按前者進(jìn)行, 故選用第一種工況狀態(tài)采
用自由落錘沖擊試驗(yàn)。
2
.
檢驗(yàn)條件的選定和依據(jù)
按照G B 13 81 3一92 國家標(biāo)準(zhǔn)中11
.
2 條中規(guī)
定的安全性檢驗(yàn)試驗(yàn)條件如下:
( a ) 以設(shè)備、儀器、儀表、工具、器具
本身質(zhì)量2
.
5 一27
.
s k g 選用重錘質(zhì)量為40 k g ;
( b ) 重錘落下高度為Z m ;
( c ) 試驗(yàn)板與水平面傾角為5 。;
( d ) 試驗(yàn)用可燃性氣體成分和濃度: 甲
烷一空氣混合物, 甲烷濃度6
.
3 一7
.
0% ( 體積比) 。
試驗(yàn)條件選定的依據(jù)說明:
( a ) F H Z 5L 03 A 外殼用摩擦火花安全
型鑄造鋁合金新材料適用于煤礦井下手持式或
攜帶式工具、鉆具、儀器、儀表等, 其本身質(zhì)
量都在20 k g 以下, 煤電鉆為最大手持鉆具, 各
種不同三種型號質(zhì)量分別為1 3 k g 、15
.
s k g 和
18 k g , 故重錘質(zhì)量試驗(yàn)時選用為20 k g 。在G B
13 81 3一92 國家標(biāo)準(zhǔn)中第1 章( 輕合金外殼)
試驗(yàn)條件規(guī)定為了確定安全在模擬試驗(yàn)對象本
身質(zhì)量的基礎(chǔ)上增加沖擊能量的方法, 即在20
k g 基礎(chǔ)上增加一倍為4 0 k g 。故重錘質(zhì)量選用
為4 0 k g 。
( b ) 重錘提升高度的選擇, 按照G B
13 81 3一92 國家標(biāo)準(zhǔn)中第1 章( 輕合金外殼) 試
. 1 1 .
驗(yàn)條件規(guī)定為 Z , 這是依據(jù)模擬手持式或攜
帶式工具、鉆具、儀器、儀表等都掛于巷道頂
部下落沖擊于巷道底板上生銹鋼林的狀態(tài), 而
巷道高度一般為Z m 左右
(c ) ,端山路誣沖擊試驗(yàn)板與水平面傾角
度的選定從理論分析, 傾斜角a = 45 “ 時沖擊
做功最大, 應(yīng)該最易著火, 但對鑄造鋁合金受
沖擊時, 沖擊功太大, 試驗(yàn)塑性變形較大, 試
件沒有充分出于摩擦狀態(tài), 產(chǎn)生摩擦火花的機(jī)
率和著火率反而下降了, 對鑄造鋁合金選定試
驗(yàn)板與水平面傾斜角為5 “ 時, 使摩擦達(dá)到最
充分的狀態(tài), 故選定5 。進(jìn)行試驗(yàn)。
( d ) 試驗(yàn)板材質(zhì): 根據(jù)煤礦井下巷道中
一般常用A 3 鋼材, 故試驗(yàn)板選用A 3 鋼板。
根據(jù)國內(nèi)外的大量試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報導(dǎo)以
及我們進(jìn)行的大量驗(yàn)證試驗(yàn)證明: 輕合金材料
在與生銹鋼材產(chǎn)生沖擊或摩擦?xí)r產(chǎn)生的火花最
容易引燃可燃性氣體, 危險性最大。把A 3 鋼
板置于室外自然生銹42 天以上, 是模擬接近煤
礦井下鋼材銹蝕狀態(tài)的最佳試驗(yàn)條件。
( e ) 重錘沖擊受試試件以F H Z L5 0 3 A
型外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁合金新材料按
要求制成, 每批試件都經(jīng)過精確的化學(xué)成分和
機(jī)械物理試驗(yàn), `
從試驗(yàn)中選定最佳配方。為了
確保推廣和應(yīng)用時在安全上的可靠性, 將選定
的最佳配方的合金錠, 反復(fù)熔煉五次, 考查重
熔后的材料是否與最初最佳配方時的安全性檢
驗(yàn)結(jié)果一致, 并考查重熔多次后, 對著火率有
無影響。
(f ) 試驗(yàn)用可燃性氣體成分及濃度問題
摩擦沖擊產(chǎn)生火花引燃可燃性氣體的能力
大小, 不僅與相互沖擊摩擦的材質(zhì)、加工工藝
和分離出來的金屬微粒所具有的能量有關(guān), 而
且也與試驗(yàn)用可燃性氣體的種類、濃度及燃燒
特性有關(guān)。根據(jù)煤礦井下環(huán)境中的可燃性氣體
的條件, 應(yīng)選用甲烷一一空氣混合物作為試驗(yàn)
用氣體, 關(guān)于甲烷
—
空氣棍合物甲烷濃度對
著火率的關(guān)系, 該濃度比充分燃燒的化學(xué)當(dāng)量
濃度9
.
5% 要低一些。國外進(jìn)行大量試驗(yàn)結(jié)果表
明: 英國最易被摩擦火花引燃甲烷
—
空氣混
合物中甲烷濃度為6
.
4 一8
.
5% , 日本為6
.
5 一
7
. 0 % , 波蘭為6
.
5% 左右, 前蘇聯(lián)為6
.
5 一
7
.
5% , 前西德為6
.
3一6
.
4% 。我國通過近幾
年的大量試驗(yàn), 反復(fù)驗(yàn)證, 認(rèn)為試驗(yàn)用甲烷一
空氣混合物中甲烷濃度為6
.
3一7
.
0% 為宜。
3
.
檢驗(yàn)結(jié)果
按G B 1 38 13 一習(xí)2標(biāo)準(zhǔn)中1 1
.
4 條“ 判定規(guī)則”
規(guī)定: 在不連續(xù)自由落錘沖擊摩擦工況條件
下, 未發(fā)生一次引燃試驗(yàn)氣體, 則判定受試輕
合金材料摩擦火花安全性為合格, 否則為不合格。
根據(jù)G B I 3 8 13一9 2 標(biāo)準(zhǔn)中, 1 1 .
2 條“ 試驗(yàn)
條件, , , 1 1 . 3 “ 試驗(yàn)步驟” 。
分3 組, 每組32 次, 試驗(yàn)內(nèi)容, 試驗(yàn)結(jié)果
見表6 。
表6 自由落錘沖擊靡擦火花安全性重復(fù)考核檢驗(yàn)匯總表
分組試件環(huán)境試件代號試驗(yàn)板試驗(yàn)板收錘垂錘一下試驗(yàn)用氣體成分寧丫火率
序號J擠號溫度材質(zhì)傾角( “ ) 質(zhì)鍬落高度C H 4 ( 〔) ( k g ) ( m ) ` 、 若火次數(shù)
價火總數(shù)
l 1 一3 2 14 3 F H Z I」50 3 A 6一7 # A 3 一
{ 55 4 0 . 0 2 . 0 6. 52 一6 . 9 3 0 / 3 2
2 3 3 一64 1 4 6 6 一8 # 、6一9 # A 3 5 5 4 0 0 2 ( ) 6 5 2 一6 9 3 O / 32
3 6 5 一性焰14 8 F H Z L SO 3 A 6一4 # A 3 5 4 0 0 2 0 6 7 0 6 9 3 價少3 2
6 一5 # 、6一6 #
F H Z I J SO 3 A 6 一1 #
召一2 聳、6 :弓#
在3 組每組32 次, 共計(jì)96 次重復(fù)檢驗(yàn)性考核中, 未發(fā)生一次引燃試驗(yàn)性氣體。安全性是
可靠的。
的F H Z L o 鑄造鋁合金的機(jī)械性能 。
六、外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料的機(jī)械物理和鑄造性能。表 F H Z L 鑄造鋁合金機(jī)械性能匯總表 I 抗拉強(qiáng)度 a 爐號卜一
一
一一一一
延伸率
B B T . 1 4 . . 4 . . 4 . . 4 . ]
1 4 . . 4 . 硬度H B
1
.
物理性能
F H Z L 鑄造鋁合金的工業(yè)生產(chǎn)鑄 錠 接 長 s o m m 、寬1 m m 、厚度7 o m m 的冶金
部頒標(biāo)準(zhǔn)錠, 合金斷口組織致密, 無熔渣及非
金屬夾雜物, 針孔度數(shù)為1 級。
F H Z L 5 0 3 A 鑄造鋁合金的熔點(diǎn)為6 1 5 一5 7 4
。C . 差熱分析是在G R G型高溫差熱儀上進(jìn)行的。
差熱分析曲線如
一
F 圖所示:
J B S B J B T 6
八呂0OUǎ0匕JnCO 6 5 5 8
6 6 55
6 3 6 0
68 57
6 5 55 8 8
6 7 5 5 腸
鄂一
ìú八一乙心今夕JngQ萬一沖月八曰,J1ag1Z
一l 今一J ú八 4CO口q O少]
é。à 號、聆叫如
合金膨脹系數(shù)
煤炭部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定煤礦井下用煤電鉆鋁
合金機(jī)械強(qiáng)度大于14 OM P a 即可采用, 因此F H
Z L 50 3 A鑄造鋁合金是完全可以滿足煤電鉆等外
殼用材料的要求。
3
.
鑄造性能
F H Z L 50 3 A 鑄造鋁合金鑄造性能見表9
該合金鑄造性能與目前煤礦井下煤電鉆用
外殼體材料Z儀0 1 、鑄造性能基本一致的。其
中線收縮略小一些。在通過制造廠家進(jìn)一步改
t ` ” ’ 進(jìn)提高, 完全可替代Z議01 鑄造鋁合金。
F H Z I公到) 3 A 鑄造鋁合金的差熱分析曲線表9 同樣條件測得的Z從0 1 和Z L 5 03 A 鑄造鋁合金的鑄
造性能對比表
!l 十
?
!!
!?
F H Z L 50 3 A 鑄造鋁合金的密度按冶金部
標(biāo)準(zhǔn)所述方法測定。表7 是F H Z L 5 03 A 鑄造
鋁合金在成份范圍內(nèi)各個不同元素含量時的密
度, 該鑄造鋁合金的密度平均值為2 .
80 。
合金
牌號
澆注
溫度’ C
熱裂性
熱裂環(huán)寬
( m m )
流動性
螺旋試樣長
r m ul )
線收縮
凸燈一ù口曰自沖n 5 戶勺月任口1ù為 喃凡口凸gqJJq
ù一
ǎǐ
口5 日烏
八六污JJnOQ八jngn巧今八J 耀捌側(cè)耀 理
?|
ì
一
表 7 F H Z 05 3 A鑄造鋁合金的密度匯總表 洲上六
F H Z I
5 ( )3 A
鋁合金
編號
4 5 6 了從冬》
密度
〔g / e m )
2 78 2 . 8 2 衛(wèi)7 8 2 8 1 2 了了、2. 8 (1 2. 7 9 2 7 8 2 . 8 4
合金
2 L 4 O I
2
.
機(jī)械性能
F H ZL 50 3 鑄造鋁合金的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)按
G B 2 2 8 一76 標(biāo)準(zhǔn)測定, 抗拉試樣尺寸按G B 173
一74 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制作; 硬度試驗(yàn)按G B 25 1一63 標(biāo)
準(zhǔn)的試驗(yàn)方法測定, 見表8 列出工頻電爐生產(chǎn)
七、幾點(diǎn)結(jié)論及推廣應(yīng)用前景
1.
兒點(diǎn)結(jié)論
F H Z L 50 3外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料的研究從19 90 年6 月一19 94 年n 月
. 13 帝
結(jié)束, 歷時4 年半, 共進(jìn)行了多回合的試驗(yàn)。
從合金的配方和二元合金開始探索化學(xué)元素的
組成及含量; 對最佳配方進(jìn)行反復(fù)篩選試驗(yàn);
在各種試驗(yàn)條件和處于最危險狀態(tài)下進(jìn)行了
15 0 0 次左右驗(yàn)證考核試驗(yàn)。并且為今后的推廣
應(yīng)用打下基礎(chǔ), 對合金進(jìn)行重熔冶煉5 次后,
再按照G B 138 13 一92 《煤礦用金屬材料摩擦火
花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》進(jìn)行了三個回
合重復(fù)性96 次檢驗(yàn)性試驗(yàn)。并且對其機(jī)械物
理、鑄造性能進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測定, 提出了科
學(xué)研究報告。
該項(xiàng)目于19 94 年12 月27 日在北京由煤炭部
和中國有色金屬總公司聯(lián)合召開了技術(shù)鑒定會
議, 一致同意通過鑒定。鑒定意見如下:
( a ) F H Z 5L 0 3 A 外殼用安全型鑄造鋁
合金新材料, 采用比較穩(wěn)定、先進(jìn)的化學(xué)配方
和新的鑄造工藝, 其機(jī)械物理性能達(dá)到, 抗拉
強(qiáng)度廳b 夕18 OM P a , 延伸率` 》3
.
0 % , 硬度
H B 》50 , 具有摩擦火花安全性好, 密度小二
塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn);
( b ) 按照G B 1 3 8 1 3一9 2 《煤礦用金屬材
料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)
中《輕合金外殼》的檢驗(yàn)規(guī)定, 在接近于實(shí)際
工況發(fā)生瓦斯燃燒最危險條件下, 進(jìn)行150 0 余
次自由落錘沖擊摩擦試驗(yàn)和5 次重熔試件進(jìn)行
摩擦和沖擊試驗(yàn)表明: F H Z L 5o 3 A 外殼用摩
擦火花安全型鑄造鋁合金所產(chǎn)生摩擦火花安全
性是可靠的;
( c ) 所提供鑒定技術(shù)文件齊全, 內(nèi)容完
整、正確, 可以指導(dǎo)生產(chǎn);
( d ) 該課題的研究完成了計(jì)劃任務(wù)書規(guī)
定的研究內(nèi)容。在安全型鑄造鋁合金方面的研
究, 取得了突破性進(jìn)展, 所研究的外殼用摩擦
火花安全型鑄造鋁合金新材料適用于攜帶式、
小型移動式或支架式煤電鉆、儀器儀表和設(shè)備
外殼( 整機(jī)質(zhì)量在2 0 k g 以下) 。
2
.
幾點(diǎn)建議
( a ) F H Z 5L 03 A 鑄造鋁合金新材料從
上面幾點(diǎn)結(jié)論可以充分證明, 應(yīng)盡快推廣應(yīng)用,
代替我國煤礦井下目前使用的Z 4L 0 1 、Z1L 02 、
Z 1L 04 等鑄造鋁合金。( 上述三種鑄造鋁合金在
與F lZ 瑪0 3型鑄造鋁合金在相同試驗(yàn)條件、試
驗(yàn)方法下, 自由落錘沖擊試驗(yàn)著火率達(dá)10 / 20
( 即5 0 % ) 、6 / 20 ( 即3 0 % 少4 / 2 0 ( 即2 0 % )
減少或消除目前煤礦引燃瓦斯著火源的事故隱
患。
( b ) F H Z 5L 03 A 鑄造鋁合金與現(xiàn)有使
用的ZU 0 1 、Z L l o 4 鑄造鋁合金的成本對比分
析如表10 0
表10 F H Z L 50 3 A 與Z從0 1 、Z L 10 4 成本對比分析
成本構(gòu)成鑄造鋁合金
F H Z 5L 0 3 A Z L 10 4 Z從0 1
原材料( 萬元/ 噸) 1。25 1. 2 6 1 . 24
輔助材料( 萬元/ 噸) 0 . 0 1 5 0 . 0 1 5 0 . 0 1 5
動力費(fèi)( 萬元/ 噸) 0 . 0 1 0 . 0 1 0 . 0 1
工時費(fèi)( 萬元/ 噸) 0. 0 1 8 0 . 0 1 8 0 . 0 1 8
車間經(jīng)費(fèi)( 萬元/ 噸) 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 0 3
企業(yè)管理費(fèi)( 萬元/ 噸) 0。0 3 0 . 0 3 0. 0 3
稅金( 萬元/ 噸) 0 . 34 0. 34 0. 34
銷售價( 萬元/ 噸) 1. 7 0 1。7 0 1. 70
從以上分析可以看出生產(chǎn)成本、銷售價格
與Z議0 1 、Z L z0 4 基本一致。故使用F H Z 5L 0 3
型鑄造鋁合金材料不會增加鑄造成本, 有著廣
泛的推廣前景, 經(jīng)濟(jì)與社會效益都有非常重要
的意義。
c( ) 應(yīng)進(jìn)一步完善鑄造工藝, 不斷滿足
煤礦井下設(shè)備外殼的使用。而且對配方、工藝
作相應(yīng)改進(jìn)還可以推廣解決化工、石油、輕工,
消防、船舶等行業(yè)可燃易爆場所摩擦火花安全
型鑄造鋁合金新材料。

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