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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用

文檔作者：劉東啟張景行文檔來源：煤炭科學研究總院重慶分院北京冶煉廠		點擊數：	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
新材料研究及應用
煤炭科學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時, 容易引燃瓦斯發(fā)生爆炸亨故。本文結合研
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2 《煤礦用金屬材料
摩擦火花安全性試驗方法和制定規(guī)則》標準的規(guī)定, 在試驗室通過了15 0 次
模擬接近工況狀態(tài)的自由落錘沖擊和摩擦試驗, 得出F H Z 5L 03 A 型鑄造鋁
合金使用是安全的結論, 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。
〔關鍵詞〕外殼摩擦火花安全型鑄造鋁合金試驗研究
一、前言
世界上許多國家: 英國、( 前) 西德、( 前)
蘇聯、日本、波蘭、捷克等國家在煤礦井下曾
在抽出式局部通風機的風葉輪、活節(jié)頂梁、金
屬摩擦支柱的墊塊、攜帶式電鉆、風煤鉆、儀
器儀表、電氣設備外殼等用鋁合金制造的零部
件曾因撞擊或摩擦產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用的安全
問題很早就進行了研究, 探索其應用前景, 但
至今尚未獲得突破性進展。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
以內使用輕合金制造的設備。
西歐、澳大利亞等國家制定了技術規(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 % ( 質量計) , 鎂、
欽總含量不超過6 % ( 質量計) 的規(guī)定。
因而目前世界上近十年對輕合金設備、儀
器儀表, 在表面添加保護層來防止摩擦火花的
一項輔助措施在進行研究和應用。
從19 90 年初, 煤炭科學研究總院重慶分院
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 ) , 深入進行研究和試驗。
19 9 2年國家技術監(jiān)督局, 技監(jiān)國標發(fā)〔19 9 2 )
50 6 號文件批準, 發(fā)布《煤礦用金屬材料摩擦
火花安全性試驗方法和判定規(guī)則》國家標準,
于19 9 3年8 月1 日起實施, 國內首次有了鋁合
金安全性能的檢測單位和試驗方法, 推動了
F H Z瑪03 A 鑄造鋁合金的研究和提供了研究
應達到的目標和要求。
這次研究是從輕合金材料引燃沼氣的機理
最基本的原理和現象開始探索的, 首先考核
了國內各種牌號鑄造鋁合金的旋轉摩擦、高速
沖擊和自由落錘試驗時, 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 .
定儀測試的結果表明. 旋轉摩擦產生的火花是 一束高溫粒子流, 點燃沼氣往往發(fā)生在距離摩
擦點一定的距離處; 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, 產生摩擦屑或較大塊的碎片。采用
高速攝影技術, 以10 0 幅/ 秒一3 0 0 幅/ 秒的
速度拍攝摩擦火花的點燃的起點、火花持續(xù)時
l’de 、火花形成和引燃甲烷試驗用氣體的全過
程, 再以慢速用錄相放出來, 就可明顯觀察到:
旋轉摩擦試驗我們采用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
圓盤試件, 在不同相對摩擦速度的條件下旋轉
試驗。試驗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
次試驗中, 均觀察到強度和亮度不同的火花束,
在50 m / s 以上, 固定試件和旋轉試件接觸瞬間,
著火時間為0
.
41 一1
.
90 5 的范圍內。在相對摩
擦速度均在40 m s/ 以下, 4 次未發(fā)生引燃試
驗氣體, 有較分散的呈紅色的火花飛濺出來,
其接觸摩擦長達(2 6 5一4 4 3) 5 的范圍內, 都
未引燃。而旋轉試驗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:
在一定能量沖擊下, 用鑄鋁合金試驗彈丸
或者自由落錘沖擊試件撞擊和摩擦銹鋼試驗板,
共有4 幀產生火花的擴大畫面。在最下一幀畫
面中, 可以看到三分之一毫秒的撞擊時間內產
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過滯后時間
1 m s , 而在火花中持續(xù)時間內發(fā)生著火, 逐
步擴大。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生屑片或顆粒高熾
熱粒子的能量要大些, 擴散速度有所增加而已。
因此, 旋轉摩擦試驗持續(xù)著火最短, 最易著火,
自由落錘試驗次之; 最后是高速沖擊試驗。
因此, 從試驗摩擦或沖擊產生火花引燃可
燃性氣體的條件是:
( 1 ) 合金材料被撞擊時容易破碎為極細
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, 在碰撞時都容易發(fā)生火花引燃氣體燃
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, 這在技術上應該是可
行的。
在上述研究的基礎上, 再進行逐一研究了
鋁合金化學元素對撞擊摩擦產生火花的影響,
經過仔細地成分篩選和工藝性能試驗, 研制了
摩擦火花安全型鑄造鋁合金材料, 試驗證明安
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
合金新材料化學元素的篩選試驗
為了考察is 、Cu 、Mg 、Z n 四種化學元素
對產生火花的影響, 將is 、Cu 、Mg 和Z n 由含量
l 一15% 分別注入鋁中, 然后澆鑄成試塊進行
沖擊或摩擦試驗。試驗用的is 、Cu 、M g 、z n 純
度均大于9
.
9 % , 鋁為9
. 9 95 % 的高純鋁。
試驗用試塊的配制是在電阻爐中進行的,
在預熱好的純石墨柑渦中按配件計算的純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 , 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,
分別進行高速沖擊和自由落錘試驗。
從高速沖擊試驗觀察可以得出, 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, 因此產生的火花較少。
從而通過此次試驗結果, 可以得知火花的產生
主要由于摩擦所致。但也與沖擊有一定關系。
純A哈金高速沖擊時火花產生次數最少,
隨著Z n 含量的增加, 火花產生次數逐漸減少
其次是A卜uC 合金, 當C u 含量小于9 % 時, 產
生火花次數較少, 大于9 % 后火花即大量產生;
A I一一S洽金當5 1含量大于2 % 火花產生次數
開始增多。安全性能最差的是A } 一Mg 合金,
M g 含量在1 % 時, 即有大量火花產生。
從自由落錘火花試驗結果與高速沖擊試驗
結果基本一致, 即A 卜Zn 合金火花產生最少,
其次為A l- 一丁C u 合金和A卜iS 合金, A卜M g
合金火花產生最多。
綜合上面兩個試驗可以得出這樣的結論:
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械性能
往往需要添加少量元素來強化合金, 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, 進行高速沖擊和自由落錘試驗。如表1
所示。
表1 少t 添加元素對鋁合金產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}}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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一
: ?
1凡}5 ! 5
自由落錘2 2 1 藝3 飛8 9 卜) 9 9 9 ! 弓13 1:飛
注: 表中產生火花議飯為試驗2 。、吳所見到次數
從試驗中看出純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, 我們可以看出鋁合金的撞
擊摩擦火花與其化學成分有很大關系?，F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, 使得它在撞擊摩擦
時不易產生極細的粉末, 因此, 火花產生較少
或根本不產生。
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, 強度增加, 使合金在
撞擊摩擦時不易破碎為細粉, 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
撞擊等機械外力時, 則容易產生極細粉末, 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
碰撞摩擦很容易產生微細粉末, 隨之迅速燃燒
出現火花。
A卜iS 鑄造合金往往加入變質劑來進行細
化處理, 以提高機械性能。以往在A卜一S洽
金中加入S r 變質后, 出現了有趣的現象, 即
撞擊摩擦火花明顯減少, 這顯然是由于變質合
金中珊瑚狀的共晶硅細化成粒狀, 使合金的膩
性大大降低, 在撞擊摩擦時, 粒狀硅整個脫落,
微細化的可能性減少, 因此出現火花也相應減
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
質又極易燃燒, 所以碰撞摩擦很容易形成極細
的粉末, 產生大量火花。
綜上所述, 調整鋁合金的化學成份, 改善
顯微組織結構, 使合金具有適當的延展性和強
度, 在碰撞摩擦時不產生極細的粉末, 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, 首先選定化學元素的組成, 是至關
重要的。
三、外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料化學元素配方的確定
從鋁合金研制簡單的A卜is 、A卜Cu 、
A卜M g 、A 卜Z n 二元合金不能達到鑄造性
能和機械性能的要求, 必須加入一些少量元素
起到強化作用。經過試驗后確定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生火花
的影響分別為:
Cu : 是高強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 在鋁合金中析出強化相( C u A 12 )
通過固熔強化和時效強化, 提高合金的強度,
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, 試驗發(fā)
現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 , 當凝固時作為外來晶
核細化組織, 使疲勞極限增加, iT 的細化效
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 : 有關文獻報道能抑制鋁合金撞擊摩
火花的發(fā)生, 但通過大量試驗證明B e 無此作
但B e 的加入可以細化A 堪體, 同時使合金塑性
和韌性增加, 疲勞強度得到改善, 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, 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時火花
合金的屈服強度和高溫性能得到改善, 同時可的發(fā)生, 經過多次篩選, 試驗選擇了一組合金
以降低雜質鐵的有害作用, 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
根據鋁合金中少量強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
量, 試驗選擇了: 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 在撞擊摩擦時沒有
強化效果不明顯, 高于此含量合金撞擊摩擦時產生火花, 這三種合金以5 一3 的性能最佳,
容易產生火花, 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。鋁合金的化學成分。
表2 五種化學成分的鋁合金產生魔擦火花匯總表
編號化學成分“ 試驗結果
C u Z n 5 1 C r T i Il e S r M n R x A I 產生火花次數
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.
自由落錘質量為20 k g ; 2 .
重錘提升高度3
.
s m ; 3
.
試驗板為45 # 銹鋼板。
為了進一步尋找性能穩(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, 熔注后進行機械
性能和自由落錘撞擊摩擦火花試驗, 我們把試
驗結果中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 鋁合金時物理機械性能和產生火花次數試驗結果匯總表
機械性能l 試驗結果
合金編號
仁要化學成分筍
. 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
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
6 5
1l
3 4
3 6
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無無
無無
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續(xù)表3
合金編號一一—
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0 . 0 2 ( )
0 . 08
0 0 1 4
0 . 3 1 2 . 4 3 2 2 5 3 4
產生火花次數
無無無
汽 一士
0 70 4 . 9 0 2 1 3 3. 8
0 . 0 9 0 2 7 2 4 5 2 1 3 3. 8
無無無
無無無
5 6 8 2 6 3 0 . 3 5 0 0 05 0 . 0 7 9 J . 7 1 4 . 8 3
A l
余量
余量
余鼠
余量2 3 2 3 5 兀無無
門一11 ú巧
注: 】.
自由洛錘質量20 k g ; 2 .
重錘提升高度3
. s m : 3 .
試驗板為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組成配方為: Z川
. 0 一
2 .
5% 、C u 3
. O一5
.
5% 、C r O. 1一0 .
3 9么、Ti
0
. 1 一0
.
2% 、I弓兇
. 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)
摩擦火花的產生過程和引燃瓦斯的機理是
一個較復雜的問題, 有鋁合金本身的化學成分
和物理機械性能, 也有外界多種因素的影響。
因此, 國內外對金屬材料摩擦火花的研究評價
及其安全性, 通常是在實驗室通過試驗裝置模
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。當時G B 1 3 8 13 一92 標
準尚未發(fā)布和實施, 故選用了如下的試驗條件
進行考核。
根據大量試驗表明: 重錘質量一定, 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。
見表4 。
下進行大量重復性考核試驗。
表4 第一次自由落錘沖擊靡擦火花安全性重復考核試驗匯總表
?
十三甚,ltIseew
分全}1
序號
大} 仁_蘭
序號乙
試件
代` J
試驗板
材質
試驗阪
角
( 。、
2 O {
.
: F H Z 1 5 () 3
氣( 3 5 、9 6
F l l Z 1 5 0 ;
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2 1 7 3 . 5 6 . 6 5 一6 93
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2 1 . 7 3. 5 6 . 6 8 一6 . 95
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A ( 3一2 5 ’ 、3一26
2 1 . 7
13一
?
C
一2〔)
試驗結果及分析:
在第6 組、( 10 9 次) 第15 號試件; 第1 7 組,
( 32 7 次) , 第3 號試件( 重復使用) ; 第20 組,
( 38 2 次) , 第15 號試件` 第二次重復使用) ;
第2 4 組( 4 7 3 次) , 第2 4號試件( 重復使用) ;
第2 6 組, ( 4 8 6 次) , 第25 號試件( 重復使用)。
在最危險狀況下50 0 次重復試驗中, 不著火
4 9 5 次, 著火5 次。
分析認為可能由于冶煉與鑄造過程中, 在
試件中化學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, 或者試驗過
程中環(huán)境或其他試驗條件差異造成的。針對上
述分析出的原因, 再作一次重新冶煉制作試
件, 并注意改進冶煉的均勻性, 再次分為25
組, 每組20 次, 共計5 0 次與上述相同的試驗
條件下進行試驗, 試驗結果見表5 。
. 9 徐
表5 第2 次自由落誘沖擊. 娜火花安全性, 盆考核試驗匯總表
分組} 試件環(huán)凌試件i式驗板試驗板重睡重錘下試驗用氣體成分若火率
序號
?
序” 溫度代號材質角(。) 質量落高度C升14 0/
( ) f k g ) ( m ) 著火次數
試驗總數
l
1
1一1 6 . 0 F H Z L 50 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5 一1
。/2。
2 }” 一` 。15 。0 A ( 4一l 、4一3 ) A 3 55 2 1 。7 3 . 5 一? ” ` 2 0
3
?
` ’一6” 16 。4 F H Z L5() 3 A 3 55 2 1。7 、3. 5 6. 6 5一6 . 98 0 /20
4
?
6` 一` ” 19 . 5 A ( 4一硯、4一5 ) A 3 55 2 1。7 3. 5 6. 66 一6 . 9 6 0 /20
5 18’一’。。20 . 6 F H Z L 5 0 3 A 3 55 2 1。7 3。5 6. 6 6一6 . 9 8 一0 /20
6
?
’“` 一` 2 0 20 . 6 A ( 4一6、4一7 ) A 3 55 2 1。7 3. 5 6 . 6 8一6. 8 6 1 0 /2 0
7 1” ’一’` ” 12 . 8 F H Z L 5 0 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5 6. 67 一6 . 97 1 . 0 /2 0
8
?
’` ’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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1
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?
’“ ’一’。0 2 1 . 6 A ( 4一10 、4一11 ) A 3 55 2 1 . 7 3. 5 6
一
9 8
?? l l 1’?！? 2。20 . 8 F H Z L 50 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5
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2 2 ’一2` “ 2 1 . 5 A ( 4一12 、4一13 ) A 3 55 2 1 . 7 3. 5
l 3 12` ’一2 6 。2 3 . 2 F H Z L 5() 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5
l 4
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2 6 ` 一28。2 5 . 4 A ( 4一14 、4一15 ) A 3 55 2 1 7 3. 5
15 1’“”一” 。24 . 5 F H Z I J 50 3 A 3 55 21 . 7 3. 5
16
?
2”’一3。。29 . 2 A ( 4一16 、4一1 7 ) A 3 55 2 1 . 7 3. 5
17
?
3?！?2“ 26 . 2 F H Z L 50 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5
18 1
3 2 ` 一3 ` 。26 4 A ( 4一18 、4一19 ) A ; ; 5 5 2 1 . 7 3. 5
l 9 }3“ 一3“” 2 5 . 4 F H Z L5 0 3 A 3 5 5 2 1 . 7 3. 5
20 }3 6 ’一’。28 . 6 A ( 4一2 0 、4一2 1 ) A 3 55 2 1 . 7 3. 5
2 l }” 一` 。。26 . 3 F H Z L 5 0 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5
?
` ?！籤 ’“ 27 . 4 A ( 4一2 2、4一2 3 ) A 3 5 5 2 1 . 7 3. 5
F l l Z L 5 0 3
,、( 4一2 4 、4 一2 5 )
F H Z L 50 3
A ( 4一2 6 、4一27 )
F H Z L 50 )
A ( 4一2 8 、4一29 )
F H Z L 5 0 3
A ( 4一30 )
F H Z L 5 0 3
A 〔4一2 1 )
F H Z I J 5 0 3
A ( 4 一i 、4 一鄉(xiāng)
F H Z L 5 0 3
A ( 4 一3` 、4一4 ` )
F H Z L 5() 3
A ( 4一5 ` 、4一6’ )
F H Z L 5 0 3
A ` 4一7 ` 、4一8 )
F H Z L 5 0 3
A ( 4 一9’ 4 一10 ’ )
F H Z L 50 3
A ( 4 一1 1 、4一12 ` )
. 10 .
. 3 . . 一 . ! O空 」O尸ùù匕ó 4 一 4 3 . F H Z L 3 ( 4一 3 ’ 、4一 4 ’ 3 4 一 4 . ( 4一 ’ 、4 一’ . 3 . . 一 . , 1 0 / 20
2 4 1 4 6 1 一4 8 0 1 3 1 . 6 F H Z L 5() 3
A ( 4一17’ 、4一18 `
2 5 1 4 8 1一5() 0 1 29 . 2 F H Z L 5 0 3
A ( 4一19 ` 、4一20
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A 3 ! 55 } 2 1 . 7 } 3. 5 } 6. 6 5 一6 . 96 } o / 加
試驗結果及分析:
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
一次試驗沖擊后, 經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使用) 。
分析: 第二次在最危險狀況下再次作5 0
次試驗, 非著火4 9 7 次, 著火3 次, 通過著火
概率分析計算, 著火概率為0
.
8% , 非著火概
率為9
.
2 % 。當試驗的沖擊能量、試驗板的材
質( 即硬度、生銹程度) 和試驗板傾角等條件
都處于摩擦火花引燃可燃性氣體最危險狀況,
摩擦火花產生的引燃概率將遠遠低于實際著火
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
合金新材料檢驗性試驗
19 9 2 年8 月l 日實施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方法和判定規(guī)
則》后, 再按第n 章“ 輕合金外殼” 中規(guī)定進
行正式檢驗考核。
1
.
檢驗方法的選定
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
備、儀器儀表、工具、煤電鉆、風煤鉆、手持
式鉆機、鉆具、燈具? ?等外殼。上述這些設
備和儀器儀表, 鉆具按其使用工況條件, 一般
可能出現兩種狀態(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沖擊或摩
擦產生火花; 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。根據國內外大量試驗表明, 鋁合金直接落
于銹蝕的鋼材上, 沖擊摩擦產生火花引燃甲烷
—
空氣混合物的危險性最大。故在G B 1 3 81 3
一92 國家標準中, 第n 章《輕合金外殼》的試
驗條件按前者進行, 故選用第一種工況狀態(tài)采
用自由落錘沖擊試驗。
2
.
檢驗條件的選定和依據
按照G B 13 81 3一92 國家標準中11
.
2 條中規(guī)
定的安全性檢驗試驗條件如下:
( a ) 以設備、儀器、儀表、工具、器具
本身質量2
.
5 一27
.
s k g 選用重錘質量為40 k g ;
( b ) 重錘落下高度為Z m ;
( c ) 試驗板與水平面傾角為5 。;
( d ) 試驗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) 。
試驗條件選定的依據說明:
( 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
量都在20 k g 以下, 煤電鉆為最大手持鉆具, 各
種不同三種型號質量分別為1 3 k g 、15
.
s k g 和
18 k g , 故重錘質量試驗時選用為20 k g 。在G B
13 81 3一92 國家標準中第1 章( 輕合金外殼)
試驗條件規(guī)定為了確定安全在模擬試驗對象本
身質量的基礎上增加沖擊能量的方法, 即在20
k g 基礎上增加一倍為4 0 k g 。故重錘質量選用
為4 0 k g 。
( b ) 重錘提升高度的選擇, 按照G B
13 81 3一92 國家標準中第1 章( 輕合金外殼) 試
. 1 1 .
驗條件規(guī)定為 Z , 這是依據模擬手持式或攜
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, 應該最易著火, 但對鑄造鋁合金受
沖擊時, 沖擊功太大, 試驗塑性變形較大, 試
件沒有充分出于摩擦狀態(tài), 產生摩擦火花的機
率和著火率反而下降了, 對鑄造鋁合金選定試
驗板與水平面傾斜角為5 “ 時, 使摩擦達到最
充分的狀態(tài), 故選定5 。進行試驗。
( d ) 試驗板材質: 根據煤礦井下巷道中
一般常用A 3 鋼材, 故試驗板選用A 3 鋼板。
根據國內外的大量試驗結果和文獻報導以
及我們進行的大量驗證試驗證明: 輕合金材料
在與生銹鋼材產生沖擊或摩擦時產生的火花最
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, 每批試件都經過精確的化學成分和
機械物理試驗, `
從試驗中選定最佳配方。為了
確保推廣和應用時在安全上的可靠性, 將選定
的最佳配方的合金錠, 反復熔煉五次, 考查重
熔后的材料是否與最初最佳配方時的安全性檢
驗結果一致, 并考查重熔多次后, 對著火率有
無影響。
(f ) 試驗用可燃性氣體成分及濃度問題
摩擦沖擊產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、加工工藝
和分離出來的金屬微粒所具有的能量有關, 而
且也與試驗用可燃性氣體的種類、濃度及燃燒
特性有關。根據煤礦井下環(huán)境中的可燃性氣體
的條件, 應選用甲烷一一空氣混合物作為試驗
用氣體, 關于甲烷
—
空氣棍合物甲烷濃度對
著火率的關系, 該濃度比充分燃燒的化學當量
濃度9
.
5% 要低一些。國外進行大量試驗結果表
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, 反復驗證, 認為試驗用甲烷一
空氣混合物中甲烷濃度為6
.
3一7
.
0% 為宜。
3
.
檢驗結果
按G B 1 38 13 一習2標準中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G B I 3 8 13一9 2 標準中, 1 1 .
2 條“ 試驗
條件, , , 1 1 . 3 “ 試驗步驟” 。
分3 組, 每組32 次, 試驗內容, 試驗結果
見表6 。
表6 自由落錘沖擊靡擦火花安全性重復考核檢驗匯總表
分組試件環(huán)境試件代號試驗板試驗板收錘垂錘一下試驗用氣體成分寧丫火率
序號J擠號溫度材質傾角( “ ) 質鍬落高度C H 4 ( 〔) ( k g ) ( m ) ` 、 若火次數
價火總數
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96 次重復檢驗性考核中, 未發(fā)生一次引燃試驗性氣體。安全性是
可靠的。
的F H Z L o 鑄造鋁合金的機械性能 。
六、外殼用摩擦火花安全型鑄造鋁
合金新材料的機械物理和鑄造性能。表 F H Z L 鑄造鋁合金機械性能匯總表 I 抗拉強度 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)生產鑄 錠 接 長 s o m m 、寬1 m m 、厚度7 o m m 的冶金
部頒標準錠, 合金斷口組織致密, 無熔渣及非
金屬夾雜物, 針孔度數為1 級。
F H Z L 5 0 3 A 鑄造鋁合金的熔點為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
煤炭部行業(yè)標準規(guī)定煤礦井下用煤電鉆鋁
合金機械強度大于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。在通過制造廠家進一步改
t ` ” ’ 進提高, 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
標準所述方法測定。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
.
機械性能
F H ZL 50 3 鑄造鋁合金的抗拉強度試驗按
G B 2 2 8 一76 標準測定, 抗拉試樣尺寸按G B 173
一74 標準規(guī)定制作; 硬度試驗按G B 25 1一63 標
準的試驗方法測定, 見表8 列出工頻電爐生產
七、幾點結論及推廣應用前景
1.
兒點結論
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
結束, 歷時4 年半, 共進行了多回合的試驗。
從合金的配方和二元合金開始探索化學元素的
組成及含量; 對最佳配方進行反復篩選試驗;
在各種試驗條件和處于最危險狀態(tài)下進行了
15 0 0 次左右驗證考核試驗。并且為今后的推廣
應用打下基礎, 對合金進行重熔冶煉5 次后,
再按照G B 138 13 一92 《煤礦用金屬材料摩擦火
花安全性試驗方法和判定規(guī)則》進行了三個回
合重復性96 次檢驗性試驗。并且對其機械物
理、鑄造性能進行各項參數的測定, 提出了科
學研究報告。
該項目于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合召開了技術鑒定會
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、先進的化學配方
和新的鑄造工藝, 其機械物理性能達到, 抗拉
強度廳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;
( 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方法和判定規(guī)則》標準
中《輕合金外殼》的檢驗規(guī)定, 在接近于實際
工況發(fā)生瓦斯燃燒最危險條件下, 進行150 0 余
次自由落錘沖擊摩擦試驗和5 次重熔試件進行
摩擦和沖擊試驗表明: F H Z L 5o 3 A 外殼用摩
擦火花安全型鑄造鋁合金所產生摩擦火花安全
性是可靠的;
( c ) 所提供鑒定技術文件齊全, 內容完
整、正確, 可以指導生產;
( d ) 該課題的研究完成了計劃任務書規(guī)
定的研究內容。在安全型鑄造鋁合金方面的研
究, 取得了突破性進展, 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、儀器儀表和設備
外殼( 整機質量在2 0 k g 以下) 。
2
.
幾點建議
( a ) F H Z 5L 03 A 鑄造鋁合金新材料從
上面幾點結論可以充分證明, 應盡快推廣應用,
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條件、試
驗方法下, 自由落錘沖擊試驗著火率達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( 萬元/ 噸) 0 . 0 1 0 . 0 1 0 . 0 1
工時費( 萬元/ 噸) 0. 0 1 8 0 . 0 1 8 0 . 0 1 8
車間經費( 萬元/ 噸) 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 0 3
企業(yè)管理費( 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, 經濟與社會效益都有非常重要
的意義。
c( ) 應進一步完善鑄造工藝, 不斷滿足
煤礦井下設備外殼的使用。而且對配方、工藝
作相應改進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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