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外壳用摩擦火花安全型铸造铝合金新材料研究及应用

文档作者：刘东启张景行文档来源：煤炭科学研究总院重庆分院北京冶炼厂		点击数： 260 1	更新时间： 2021年04月07日
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魏然那然然骥笼
鬓薰翼羹蒸
外壳用摩擦火花安全型铸造铝合金
新材料研究及应用
煤炭科学研究总院重庆分院张景行
北京冶炼厂刘东启
〔摘要〕铝合金材料与锈钢撞击或摩擦时, 容易引燃瓦斯发生爆炸亨故。本文结合研
制的F H Z L 50 3 A 型铸造铝合金材料, 按照G B 1 3 81 3一习2 《煤矿用金属材料
摩擦火花安全性试验方法和制定规则》标准的规定, 在试验室通过了15 0 次
模拟接近工况状态的自由落锤冲击和摩擦试验, 得出F H Z 5L 03 A 型铸造铝
合金使用是安全的结论, 并建议替代目前煤犷井下具有安全隐患的Z仪0 1 、
Z L 10 4 、Z L 10 2 等铸造铝合金。
〔关键词〕外壳摩擦火花安全型铸造铝合金试验研究
一、前言
世界上许多国家: 英国、( 前) 西德、( 前)
苏联、日本、波兰、捷克等国家在煤矿井下曾
在抽出式局部通风机的风叶轮、活节顶梁、金
属摩擦支柱的垫块、携带式电钻、风煤钻、仪
器仪表、电气设备外壳等用铝合金制造的零部
件曾因撞击或摩擦产生火花引起多起事故。因
而上述国家对轻合金材料在矿井中应用的安全
问题很早就进行了研究, 探索其应用前景, 但
至今尚未获得突破性进展。因而目前英国、( 前)
西德、日本及其他一些国家已禁止在煤矿井下
或者禁止在具有沼气危险的采掘工作面, 30 m
以内使用轻合金制造的设备。
西欧、澳大利亚等国家制定了技术规范允
许在井下使用的轻金属的合金, 含铝、镁、钦
成份的总含量不能超过15 % ( 质量计) , 镁、
钦总含量不超过6 % ( 质量计) 的规定。
因而目前世界上近十年对轻合金设备、仪
器仪表, 在表面添加保护层来防止摩擦火花的
一项辅助措施在进行研究和应用。
从19 90 年初, 煤炭科学研究总院重庆分院
与北京冶炼厂( 原北京有色金属加工厂) 共同
合作开发外壳用摩擦火花安全型铸造铝合金新
材料( F H Z5L 03 A ) , 深入进行研究和试验。
19 9 2年国家技术监督局, 技监国标发〔19 9 2 )
50 6 号文件批准, 发布《煤矿用金属材料摩擦
火花安全性试验方法和判定规则》国家标准,
于19 9 3年8 月1 日起实施, 国内首次有了铝合
金安全性能的检测单位和试验方法, 推动了
F H Z玛03 A 铸造铝合金的研究和提供了研究
应达到的目标和要求。
这次研究是从轻合金材料引燃沼气的机理
最基本的原理和现象开始探索的, 首先考核
了国内各种牌号铸造铝合金的旋转摩擦、高速
冲击和自由落锤试验时, 火花发生情况, 研究
了火花引燃沼气的过程和条件。用高速动态测
. 3 .
定仪测试的结果表明. 旋转摩擦产生的火花是 一束高温粒子流, 点燃沼气往往发生在距离摩
擦点一定的距离处; 而高速冲击是由于铝合金
弹丸冲击或摩擦产生一些粉末或小的颗粒; 自
由落锤冲击由千冲击的能量大和摩擦的程度也
较为充分, 产生摩擦屑或较大块的碎片。采用
高速摄影技术, 以10 0 幅/ 秒一3 0 0 幅/ 秒的
速度拍摄摩擦火花的点燃的起点、火花持续时
l’de 、火花形成和引燃甲烷试验用气体的全过
程, 再以慢速用录相放出来, 就可明显观察到:
旋转摩擦试验我们采用Z L 10 4 铸造铝合金
为固定试件, 用生锈的A 3 或45 # 钢板几旋转
圆盘试件, 在不同相对摩擦速度的条件下旋转
试验。试验气体用甲烷一空气棍合气体( 甲
烷浓度6
.
5 一7
.
0% ) 固定试件用重锤加载方法
静态稳定压紧力为sl N , 固定试件和旋转试件
摩擦接触面积分别为l o o m m Z 和14 o m m Z 。相
对摩擦速度为(2 0 一9 0) m s/ 共六档, 在9
次试验中, 均观察到强度和亮度不同的火花束,
在50 m / s 以上, 固定试件和旋转试件接触瞬间,
着火时间为0
.
41 一1
.
90 5 的范围内。在相对摩
擦速度均在40 m s/ 以下, 4 次未发生引燃试
验气体, 有较分散的呈红色的火花飞溅出来,
其接触摩擦长达(2 6 5一4 4 3) 5 的范围内, 都
未引燃。而旋转试验外缘处都粘附着铝合金的
粉末。
高速冲击或自由落锤冲击试验:
在一定能量冲击下, 用铸铝合金试验弹丸
或者自由落锤冲击试件撞击和摩擦锈钢试验板,
共有4 帧产生火花的扩大画面。在最下一帧画
面中, 可以看到三分之一毫秒的撞击时间内产
生炽热粒子的特有中心, 在火花中心获得的极
高温度下, 甲烷一空气混合物经过滞后时间
1 m s , 而在火花中持续时间内发生着火, 逐
步扩大。图中的几帧画面是相连贯的, 每幅
画面曝光时间约为1 / 3 m s 。最后形成一团火
球而使整个爆炸槽中甲烷
—
空气棍合气体着
火燃烧。自由落锤的着火持续时间要比高速冲
击短, 原因是冲击或摩擦产生屑片或颗粒高炽
热粒子的能量要大些, 扩散速度有所增加而已。
因此, 旋转摩擦试验持续着火最短, 最易着火,
自由落锤试验次之; 最后是高速冲击试验。
因此, 从试验摩擦或冲击产生火花引燃可
燃性气体的条件是:
( 1 ) 合金材料被撞击时容易破碎为极细
的粉末, 这些粉末具有新的表面。
( 2 ) 这种粉末在空气中易于氧化并保持
很高的温度。
( 3 ) 碰撞时发生的火花具备必要的温度
或“ 活化物” 。
具备上述条件的金属或合金, 甚至其他各
种物质, 在碰撞时都容易发生火花引燃气体燃
烧爆炸。铝合金如果避开上述发生火因素, 即制.
成摩擦火花安全性合金, 这在技术上应该是可
行的。
在上述研究的基础上, 再进行逐一研究了
铝合金化学元素对撞击摩擦产生火花的影响,
经过仔细地成分筛选和工艺性能试验, 研制了
摩擦火花安全型铸造铝合金材料, 试验证明安
全性能已明显优于普通铸造铝合金。
铸造铝合金都是多元合金, 为了弄情每种
铝合金元素对摩擦火花的影响, 有必要从二元
合金来研究其安全性。
铸造铝合金按其合金所含化学元素的不同
可以分为四大组, 即:
( a ) A卜一is 铸造合金; ( b ) A卜Mg
铸造铝合; ( c ) A卜uC 铸造合金; d( ) lA
一Z n 铸造合金。
二、外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金新材料化学元素的筛选试验
为了考察is 、Cu 、Mg 、Z n 四种化学元素
对产生火花的影响, 将is 、Cu 、Mg 和Z n 由含量
l 一15% 分别注入铝中, 然后浇铸成试块进行
冲击或摩擦试验。试验用的is 、Cu 、M g 、z n 纯
度均大于9
.
9 % , 铝为9
. 9 95 % 的高纯铝。
试验用试块的配制是在电阻炉中进行的,
在预热好的纯石墨柑涡中按配件计算的纯Z n 、
纯Cu 、纯S份别和lA同时加入, 升温熔化, 控
. 4 .
制温度在3 一 4 ℃范围内 , 待加入金属全部
熔化后, 用石墨棒搅拌均匀, 纯M g 是A I熔化
后, 加入覆盖剂, 然后再加入纯M g , 控制温
度为7 30 ℃ , 通入干燥后的N Z气精炼5 一8
m i n , 然后静置一0 m in , 扒渣后浇注成试块,
分别进行高速冲击和自由落锤试验。
从高速冲击试验观察可以得出, 因纯lA 太
软, 塑性好, 故障弹丸冲击到锈钢板上只有撞
击变形很少发生摩擦, 因此产生的火花较少。
从而通过此次试验结果, 可以得知火花的产生
主要由于摩擦所致。但也与冲击有一定关系。
纯A哈金高速冲击时火花产生次数最少,
随着Z n 含量的增加, 火花产生次数逐渐减少
其次是A卜uC 合金, 当C u 含量小于9 % 时, 产
生火花次数较少, 大于9 % 后火花即大量产生;
A I一一S洽金当5 1含量大于2 % 火花产生次数
开始增多。安全性能最差的是A } 一Mg 合金,
M g 含量在1 % 时, 即有大量火花产生。
从自由落锤火花试验结果与高速冲击试验
结果基本一致, 即A 卜Zn 合金火花产生最少,
其次为A l- 一丁C u 合金和A卜iS 合金, A卜M g
合金火花产生最多。
综合上面两个试验可以得出这样的结论:
即A卜一5 1和A卜M g 合金不是研制摩擦火花安
全型铝合金的主攻方向。
为了提高铝合金的铸造性能和机械性能
往往需要添加少量元素来强化合金, 这些元素
通常有C r 、N i 、M n 、T i 、S r 、B e 等元素。
为了研究这些少量添加元素对铝合金撞击
摩擦火花的影响, 也分别以不同量往纯A I 中
添加, 进行高速冲击和自由落锤试验。如表1
所示。
表1 少t 添加元素对铝合金产生火花的影响汇总表
台金\ 元素含量
汉(夕f )5 (飞飞0 3 0 5 O 了1 0
! 1 . 1 1 班1 I t 1 . 琶! l 百1 1 1
M! 月砚高速冲击2 考2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 今9 少2 3 2
自由落锤竺2 1 2 全2 2 2 1 1 1 2 一闷~ } 义2
2 2 }
A I一C r 高速冲击2 艺3 2 3 3 2 2 1 2 2 2 2 2 3 {2
自由矛真睡1 } 夕2 艺1 2 2 2 2 2 2 3 3 护}}匕匕三_ 几夕
A 卜一N i 高速冲击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 高速冲击2 Z j 2 2 竺2 2 3 2 2 3 2 :弓! :亏2 2
自r寸{落锤戈2 3 : 2 只少个9 、2 2 1 户全;` } : 、;弓3
A 卜T i 高速冲击2 3 2 2 3 2 2 K 2 2 竺3 2 二更3 少弓9
自dl 落锤2 2 2 2 2 户3 :考j 1 1 宋竺2 1 之3 2
A I S r l诗速冲,七2 2 2 2 弓3 { l } 亏1 3 1 3 1:奋1 3
⋯
一
: ⋯
1凡}5 ! 5
自由落锤2 2 1 艺3 飞8 9 卜) 9 9 9 ! 弓13 1:飞
注: 表中产生火花议饭为试验2 。、吴所见到次数
从试验中看出纯A 畜暇卜, 少量添加M n 、(二r 、
N i 、Be 、T树撞击摩擦火花无影响, 即不增
加也不减少铝合金的火花发生, S r 就不同了,
加入超过0 . 3 % 以后, 就有大量火花产生, 因
此, 超过0 . 1% 的S r 不能用作摩擦火花安全型
铝合金的添加元素
岑5 朱
由上面的试验, 我们可以看出铝合金的撞
击摩擦火花与其化学成分有很大关系。现作如
下分析:
A l se一Z n 合金: Z n 在A I中有很高的溶解度,
在铸态时可以得到Zn 在A I中的过饱和固溶体,
其中并无金属间化合物存在, 相对来说冲稀了
A I的浓度。A 卜Z n 合金又具有较低的硬度
和高的延展性, 这些性质, 使得它在撞击摩擦
时不易产生极细的粉末, 因此, 火花产生较少
或根本不产生。
A I, . Cu合金: 在固态时, C u 在d 一固溶
体中溶解度很小, 超过溶解度的C u 以金属间化
合物Cu A 12 的形式存在, 强度增加, 使合金在
撞击摩擦时不易破碎为细粉, 因此有减少撞击
摩擦火花的作用, 随着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
撞击等机械外力时, 则容易产生极细粉末, 火
花的发生也就随之增多了。
A卜S洽金: 在铸态时的组织为粗大的
片状硅和铝基固溶体组成的共晶硅和少量的块
状初晶硅, is 含量越高, 脆性急剧增加, 一遇
碰撞摩擦很容易产生微细粉末, 随之迅速燃烧
出现火花。
A卜iS 铸造合金往往加入变质剂来进行细
化处理, 以提高机械性能。以往在A卜一S洽
金中加入S r 变质后, 出现了有趣的现象, 即
撞击摩擦火花明显减少, 这显然是由于变质合
金中珊瑚状的共晶硅细化成粒状, 使合金的腻
性大大降低, 在撞击摩擦时, 粒状硅整个脱落,
微细化的可能性减少, 因此出现火花也相应减
少了。
A 卜M g 合金: 由于M g 与lA 形成的金属间
化合物刀( A I: M g : ) 相很脆, Mg 本身的性
质又极易燃烧, 所以碰撞摩擦很容易形成极细
的粉末, 产生大量火花。
综上所述, 调整铝合金的化学成份, 改善
显微组织结构, 使合金具有适当的延展性和强
度, 在碰撞摩擦时不产生极细的粉末, 就可以
减少或避免发生火花。因此摩擦火花安全型铸
造铝合金, 首先选定化学元素的组成, 是至关
重要的。
三、外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金新材料化学元素配方的确定
从铝合金研制简单的A卜is 、A卜Cu 、
A卜M g 、A 卜Z n 二元合金不能达到铸造性
能和机械性能的要求, 必须加入一些少量元素
起到强化作用。经过试验后确定C u 、Cr 、iT 、
B e 、M n 、S r 等六种元素, 排除M g 元素。添
加这些元素它们在合金中的作用和对产生火花
的影响分别为:
Cu : 是高强度铝合金的重要元素, 铝锌
合金中加入一定量的铜组成A I一Z n 一Cu 三元
合金, Cu 在铝合金中析出强化相( C u A 12 )
通过固熔强化和时效强化, 提高合金的强度,
C u 含量不大于7 % , 不会恶化安全性能, 还
可以提高合金的流动性和耐蚀能力。
C r : 可以细化铝晶粒, 使合金至密, 提
高铸件气密性, 同时改变合金抗蚀能力, 试验发
现C r含量超过0
.
5% 时, 合金塑性降低, 因此
加入量控制在0
.
3% 。
iT : 以A卜T l一B 中间合金形式加入。微
量的Ti与A I形成A 13 T i , 当凝固时作为外来晶
核细化组织, 使疲劳极限增加, iT 的细化效
果, 只有B 存在时才能充分显示出来, iT 的加
入量控制为0
. 1一0
.
1 5% , B 为0
.
0 2 一0
.
0 4% 。
B e : 有关文献报道能抑制铝合金撞击摩
火花的发生, 但通过大量试验证明B e 无此作
但B e 的加入可以细化A 堪体, 同时使合金塑性
和韧性增加, 疲劳强度得到改善, 因而避免在
撞击和振动时断裂, B迹能够提高合金的抗
蚀能力。
S r 、A卜Z n 合金的抗腐蚀性能一般, 在
潮湿环境中有晶间腐蚀倾向。尤其煤矿井下使
用。为了克服这一缺点, 加入微量的S r , 则
能避免发生晶间腐蚀, 从而提高合金的抗蚀能
力。当A l , Zn合金中同时存在S r 和B e时, 抗
腐蚀效果最佳。S r 的加入量控制在0
.
01 一0
. l on/
对铝合金摩擦火花无影响。
. 6 今
在含铜的铝合金中, 加入M n 可使为了有效地抑制铝合金的撞击摩擦时火花
合金的屈服强度和高温性能得到改善, 同时可的发生, 经过多次筛选, 试验选择了一组合金
以降低杂质铁的有害作用, 但M n 含量过高时, 添加剂R x , 添加量为2
.
5 一4
.
5% 。
合金机械性能降低, 控制M n 含量小于0
.
8% 不综合以上条件, 考虑到煤矿井下外壳用摩
会恶化铝合金的安全性能。擦火花安全型铸造铝合金使用环境潮湿, 腐蚀
根据铝合金中少量强化元素的最佳加入性气体存在等的恶劣性, 以及对铸造性能、机
量, 试验选择了: C r 的加入量0
. 1一0
.
3% ; iT 械性能及气密性的要求, 首先选出五种安全型
的加入量0 . 1一0 .
2% ; B e 的加入量0
.
03 一0 .
05 % ; 铸造铝合金的成分配方。其化学成分和安全性
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 % 。从表2 中可以看出, 筛选出的5 种成分只
Cu 的加入量选择2 .
5 一5
.
5% , 低于此含量有5 一1 、5 一2 、5 一3 在撞击摩擦时没有
强化效果不明显, 高于此含量合金撞击摩擦时产生火花, 这三种合金以5 一3 的性能最佳,
容易产生火花, 安全性能下降。合金的抗腐蚀因此确定5 一3 为外壳用摩擦火花安全型铸造
J胜能也降低。铝合金的化学成分。
表2 五种化学成分的铝合金产生魔擦火花汇总表
编号化学成分“ 试验结果
C u Z n 5 1 C r T i Il e S r M n R x A I 产生火花次数
5 一l 一4 . 5 一0 . 3 0 . 1 5 0 03 0 . 0 3 0 . 5 3. 2 余量无无无
5 一2 4 . 5 一一0 . 3 0 . 15 0 03 0 . 0 3 0 . 5 3 2 余量无无无
5 一3 2 . 5 2. 5 一0 . 3 0 . 15 0. 03 0 . 0 3 0 . 5 3 2 余量· 无无无
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 余量无1 1
无1 】
注: 1.
自由落锤质量为20 k g ; 2 .
重锤提升高度3
.
s m ; 3
.
试验板为45 # 锈钢板。
为了进一步寻找性能稳定的5 一3 号安全
性铝合金的元素成分的含量范围。我们编排了
一系列不同的元素含量配方, 熔注后进行机械
性能和自由落锤撞击摩擦火花试验, 我们把试
验结果中5 一3 合金性能稳定的元素成分含量
范围列表如下。
表3 不同成分和含t 铝合金时物理机械性能和产生火花次数试验结果汇总表
机械性能l 试验结果
合金编号
仁要化学成分笋
. n C r T i B e S r M n l{ A I {抗拉M P
无无
耳
延伸率% l , 生火花次数
余余毕且垦量以里量 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
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3 4
3 6
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无无
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S r
0 . 0 2 ( )
0 . 08
0 0 1 4
0 . 3 1 2 . 4 3 2 2 5 3 4
产生火花次数
无无无
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
无无无
无无无
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 兀无无
门一11 ú巧
注: 】.
自由洛锤质量20 k g ; 2 .
重锤提升高度3
. s m : 3 .
试验板为45 “ 锈钢板
从表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规量加入, 合金的机械
性能和安全性能稳定。
最后, 确定煤矿井下外壳用摩擦火花安全
型铸造铝合金的化学组成配方为: 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弓凶
. 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% , 杂质含量iS
1 .
5% 、M g o .
5 % 、F oe
.
5% , 其代号为F H Z
L SO3 A 。
四、确定配方后, 选择最危险状态
摩擦火花的产生过程和引燃瓦斯的机理是
一个较复杂的问题, 有铝合金本身的化学成分
和物理机械性能, 也有外界多种因素的影响。
因此, 国内外对金属材料摩擦火花的研究评价
及其安全性, 通常是在实验室通过试验装置模
拟接近工况状态, 对摩擦火花引燃甲烷一一空
气混合气体的定性试验。当时G B 1 3 8 13 一92 标
准尚未发布和实施, 故选用了如下的试验条件
进行考核。
根据大量试验表明: 重锤质量一定, 自由
下落高度在3
.
s m 时, 相对着火率最高。故首先
选择在最危险工况下, 每组20 次共25 组试验。
见表4 。
下进行大量重复性考核试验。
表4 第一次自由落锤冲击靡擦火花安全性重复考核试验汇总表
⋯
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分全}1
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序号乙
试件
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.
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1 3 1 4 1 一 6 兀j l 13 . . H Z 3 ( 3一 9 、3一3 1 . 7 3 . 6 . 3 一6 . 9
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80 F H Z L 50 3
A ( 3一3 ’ 、3一4 )
2 1 . 7 3 . 5 6 . 7 2 一6 . 92
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1 5 ! 28 1 一3 0 0 1 15 . 5 80
2 1 . 7 6. 6 0 一6 . 9 3
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A ( 3一7 ’ 、3一8 ’
F H Z L 5 0 3
A ( 3 一9 ’ 、9 一10
2 1 . 7 6 4 6 一6 . 88
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A ( 3一1 1’ 、3一12 )
2 1 . 7 3. 5 6 50 一6 , 9 6
19 1 3 6 1 一38 0 16 . 5 79 F H Z L 50 3
A ( 3一1 3’ 、3一14 ’
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
A ( 3一15 ’ 、3一1 6
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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22 1 4 2 1 一44 0 } 1 7 . 0 7 8 F l l Z I J 50 3
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2 1 . 7 3. 5 6. 6 6 一6 . 80
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2 3 1 4 4 1 一4 6 0 1 18 . 0 7 7 F H Z L 5 0 3
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51A J八斗」 Jù仁匀匕 2 4 1 4 6 1 一4 8 0 1 1 8 0 77 F H Z L S〔} 3
A ` 3一2 3 ’ 、3一24
2 1 . 7
2 1 7
6 . 6 3 一6 . 8 8
6 . 6 6 一6 8 8 2日
2 5 1 4 8 1 一5 0 0 } 18 0 了7 F H Z I」50 3
A ( 3一2 5 ’ 、3一26
2 1 . 7
13一
⋯
C
一2〔)
试验结果及分析:
在第6 组、( 10 9 次) 第15 号试件; 第1 7 组,
( 32 7 次) , 第3 号试件( 重复使用) ; 第20 组,
( 38 2 次) , 第15 号试件` 第二次重复使用) ;
第2 4 组( 4 7 3 次) , 第2 4号试件( 重复使用) ;
第2 6 组, ( 4 8 6 次) , 第25 号试件( 重复使用)。
在最危险状况下50 0 次重复试验中, 不着火
4 9 5 次, 着火5 次。
分析认为可能由于冶炼与铸造过程中, 在
试件中化学元素含量分布不均匀性, 造成个别
试件中着火较高的元素含量偏高, 或者试验过
程中环境或其他试验条件差异造成的。针对上
述分析出的原因, 再作一次重新冶炼制作试
件, 并注意改进冶炼的均匀性, 再次分为25
组, 每组20 次, 共计5 0 次与上述相同的试验
条件下进行试验, 试验结果见表5 。
. 9 徐
表5 第2 次自由落诱冲击. 娜火花安全性, 盆考核试验汇总表
分组} 试件环凌试件i式验板试验板重睡重锤下试验用气体成分若火率
序号
⋯
序” 温度代号材质角(。) 质量落高度C升14 0/
( ) f k g ) ( m ) 着火次数
试验总数
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 ( 4一砚、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
⋯
1
: l 0
⋯
’“ ’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’。’一2 2。20 . 8 F H Z L 50 3 A 3 55 2 1 . 7 3. 5
12
⋯
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
⋯
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。’一32“ 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
⋯
` 。’一` ’“ 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 一乡
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
` 3 15 5 12 ”`
⋯
3` 5
】
6’ 6 5 一6 ` ”5
⋯
” ` ’o
A 3 ! 55 } 2 1 . 7 } 3. 5 } 6. 6 5 一6 . 96 } o / 加
试验结果及分析:
在第8 组, ( 15 6次) 第17 号试件; 在第1 6
组、( 28 9 次) 、第1 号试件( 该试件在作过
一次试验冲击后, 经过加工切削冲击变形部份
后再次使用; 在第17 组(3 19 次) , 第4 号试
件( 同样为加工切削后重复使用) 。
分析: 第二次在最危险状况下再次作5 0
次试验, 非着火4 9 7 次, 着火3 次, 通过着火
概率分析计算, 着火概率为0
.
8% , 非着火概
率为9
.
2 % 。当试验的冲击能量、试验板的材
质( 即硬度、生锈程度) 和试验板倾角等条件
都处于摩擦火花引燃可燃性气体最危险状况,
摩擦火花产生的引燃概率将远远低于实际着火
的概率, 因此该外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金新材料是安全可靠的。
五、外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金新材料检验性试验
19 9 2 年8 月l 日实施G B 13 8 1 3一9 2 《煤矿
用金属材料摩擦火花安全性试验方法和判定规
则》后, 再按第n 章“ 轻合金外壳” 中规定进
行正式检验考核。
1
.
检验方法的选定
外壳用摩擦火花安全型铸造铝合金新材料
主要适用于煤矿井下携带式或小型移动式设
备、仪器仪表、工具、煤电钻、风煤钻、手持
式钻机、钻具、灯具⋯ ⋯等外壳。上述这些设
备和仪器仪表, 钻具按其使用工况条件, 一般
可能出现两种状态, 即一种是用该新材料制造
铝合金外壳掉落于生锈钢材上面受到冲击或摩
擦产生火花; 另一种是在巷道中或工作面其他
物体掉落于这些用该新材料制成的铝合金外壳
上。根据国内外大量试验表明, 铝合金直接落
于锈蚀的钢材上, 冲击摩擦产生火花引燃甲烷
—
空气混合物的危险性最大。故在G B 1 3 81 3
一92 国家标准中, 第n 章《轻合金外壳》的试
验条件按前者进行, 故选用第一种工况状态采
用自由落锤冲击试验。
2
.
检验条件的选定和依据
按照G B 13 81 3一92 国家标准中11
.
2 条中规
定的安全性检验试验条件如下:
( a ) 以设备、仪器、仪表、工具、器具
本身质量2
.
5 一27
.
s k g 选用重锤质量为40 k g ;
( b ) 重锤落下高度为Z m ;
( c ) 试验板与水平面倾角为5 。;
( d ) 试验用可燃性气体成分和浓度: 甲
烷一空气混合物, 甲烷浓度6
.
3 一7
.
0% ( 体积比) 。
试验条件选定的依据说明:
( a ) F H Z 5L 03 A 外壳用摩擦火花安全
型铸造铝合金新材料适用于煤矿井下手持式或
携带式工具、钻具、仪器、仪表等, 其本身质
量都在20 k g 以下, 煤电钻为最大手持钻具, 各
种不同三种型号质量分别为1 3 k g 、15
.
s k g 和
18 k g , 故重锤质量试验时选用为20 k g 。在G B
13 81 3一92 国家标准中第1 章( 轻合金外壳)
试验条件规定为了确定安全在模拟试验对象本
身质量的基础上增加冲击能量的方法, 即在20
k g 基础上增加一倍为4 0 k g 。故重锤质量选用
为4 0 k g 。
( b ) 重锤提升高度的选择, 按照G B
13 81 3一92 国家标准中第1 章( 轻合金外壳) 试
. 1 1 .
验条件规定为 Z , 这是依据模拟手持式或携
带式工具、钻具、仪器、仪表等都挂于巷道顶
部下落冲击于巷道底板上生锈钢林的状态, 而
巷道高度一般为Z m 左右
(c ) ,端山路诬冲击试验板与水平面倾角
度的选定从理论分析, 倾斜角a = 45 “ 时冲击
做功最大, 应该最易着火, 但对铸造铝合金受
冲击时, 冲击功太大, 试验塑性变形较大, 试
件没有充分出于摩擦状态, 产生摩擦火花的机
率和着火率反而下降了, 对铸造铝合金选定试
验板与水平面倾斜角为5 “ 时, 使摩擦达到最
充分的状态, 故选定5 。进行试验。
( d ) 试验板材质: 根据煤矿井下巷道中
一般常用A 3 钢材, 故试验板选用A 3 钢板。
根据国内外的大量试验结果和文献报导以
及我们进行的大量验证试验证明: 轻合金材料
在与生锈钢材产生冲击或摩擦时产生的火花最
容易引燃可燃性气体, 危险性最大。把A 3 钢
板置于室外自然生锈42 天以上, 是模拟接近煤
矿井下钢材锈蚀状态的最佳试验条件。
( e ) 重锤冲击受试试件以F H Z L5 0 3 A
型外壳用摩擦火花安全型铸造铝合金新材料按
要求制成, 每批试件都经过精确的化学成分和
机械物理试验, `
从试验中选定最佳配方。为了
确保推广和应用时在安全上的可靠性, 将选定
的最佳配方的合金锭, 反复熔炼五次, 考查重
熔后的材料是否与最初最佳配方时的安全性检
验结果一致, 并考查重熔多次后, 对着火率有
无影响。
(f ) 试验用可燃性气体成分及浓度问题
摩擦冲击产生火花引燃可燃性气体的能力
大小, 不仅与相互冲击摩擦的材质、加工工艺
和分离出来的金属微粒所具有的能量有关, 而
且也与试验用可燃性气体的种类、浓度及燃烧
特性有关。根据煤矿井下环境中的可燃性气体
的条件, 应选用甲烷一一空气混合物作为试验
用气体, 关于甲烷
—
空气棍合物甲烷浓度对
着火率的关系, 该浓度比充分燃烧的化学当量
浓度9
.
5% 要低一些。国外进行大量试验结果表
明: 英国最易被摩擦火花引燃甲烷
—
空气混
合物中甲烷浓度为6
.
4 一8
.
5% , 日本为6
.
5 一
7
. 0 % , 波兰为6
.
5% 左右, 前苏联为6
.
5 一
7
.
5% , 前西德为6
.
3一6
.
4% 。我国通过近几
年的大量试验, 反复验证, 认为试验用甲烷一
空气混合物中甲烷浓度为6
.
3一7
.
0% 为宜。
3
.
检验结果
按G B 1 38 13 一习2标准中1 1
.
4 条“ 判定规则”
规定: 在不连续自由落锤冲击摩擦工况条件
下, 未发生一次引燃试验气体, 则判定受试轻
合金材料摩擦火花安全性为合格, 否则为不合格。
根据G B I 3 8 13一9 2 标准中, 1 1 .
2 条“ 试验
条件, , , 1 1 . 3 “ 试验步骤” 。
分3 组, 每组32 次, 试验内容, 试验结果
见表6 。
表6 自由落锤冲击靡擦火花安全性重复考核检验汇总表
分组试件环境试件代号试验板试验板收锤垂锤一下试验用气体成分宁丫火率
序号J挤号温度材质倾角( “ ) 质锹落高度C H 4 ( 〔) ( k g ) ( m ) ` 、 若火次数
价火总数
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 价少3 2
6 一5 # 、6一6 #
F H Z I J SO 3 A 6 一1 #
召一2 耸、6 :弓#
在3 组每组32 次, 共计96 次重复检验性考核中, 未发生一次引燃试验性气体。安全性是
可靠的。
的F H Z L o 铸造铝合金的机械性能 。
六、外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金新材料的机械物理和铸造性能。表 F H Z L 铸造铝合金机械性能汇总表 I 抗拉强度 a 炉号卜一
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 铸造铝合金的工业生产铸 锭 接 长 s o m m 、宽1 m m 、厚度7 o m m 的冶金
部颁标准锭, 合金断口组织致密, 无熔渣及非
金属夹杂物, 针孔度数为1 级。
F H Z L 5 0 3 A 铸造铝合金的熔点为6 1 5 一5 7 4
。C . 差热分析是在G R G型高温差热仪上进行的。
差热分析曲线如
一
F 图所示:
J B S B J B T 6
八吕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 肠
鄂一
ìú八一乙心今夕JngQ万一冲月八曰,J1ag1Z
一l 今一J ú八 4CO口q O少]
é。à 号、聆叫如
合金膨胀系数
煤炭部行业标准规定煤矿井下用煤电钻铝
合金机械强度大于14 OM P a 即可采用, 因此F H
Z L 50 3 A铸造铝合金是完全可以满足煤电钻等外
壳用材料的要求。
3
.
铸造性能
F H Z L 50 3 A 铸造铝合金铸造性能见表9
该合金铸造性能与目前煤矿井下煤电钻用
外壳体材料Z仪0 1 、铸造性能基本一致的。其
中线收缩略小一些。在通过制造厂家进一步改
t ` ” ’ 进提高, 完全可替代Z议01 铸造铝合金。
F H Z I公到) 3 A 铸造铝合金的差热分析曲线表9 同样条件测得的Z从0 1 和Z L 5 03 A 铸造铝合金的铸
造性能对比表
!l 十
⋯
!!
!⋯
F H Z L 50 3 A 铸造铝合金的密度按冶金部
标准所述方法测定。表7 是F H Z L 5 03 A 铸造
铝合金在成份范围内各个不同元素含量时的密
度, 该铸造铝合金的密度平均值为2 .
80 。
合金
牌号
浇注
温度’ C
热裂性
热裂环宽
( m m )
流动性
螺旋试样长
r m ul )
线收缩
凸灯一ù口曰自冲n 5 户勺月任口1ù为 喃凡口凸gqJJq
ù一
ǎǐ
口5 日乌
八六污JJnOQ八jngn巧今八J 耀捌侧耀 理
⋯|
ì
一
表 7 F H Z 05 3 A铸造铝合金的密度汇总表 洲上六
F H Z I
5 ( )3 A
铝合金
编号
4 5 6 了从冬》
密度
〔g / e m )
2 78 2 . 8 2 卫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
.
机械性能
F H ZL 50 3 铸造铝合金的抗拉强度试验按
G B 2 2 8 一76 标准测定, 抗拉试样尺寸按G B 173
一74 标准规定制作; 硬度试验按G B 25 1一63 标
准的试验方法测定, 见表8 列出工频电炉生产
七、几点结论及推广应用前景
1.
儿点结论
F H Z L 50 3外壳用摩擦火花安全型铸造铝
合金新材料的研究从19 90 年6 月一19 94 年n 月
. 13 帝
结束, 历时4 年半, 共进行了多回合的试验。
从合金的配方和二元合金开始探索化学元素的
组成及含量; 对最佳配方进行反复筛选试验;
在各种试验条件和处于最危险状态下进行了
15 0 0 次左右验证考核试验。并且为今后的推广
应用打下基础, 对合金进行重熔冶炼5 次后,
再按照G B 138 13 一92 《煤矿用金属材料摩擦火
花安全性试验方法和判定规则》进行了三个回
合重复性96 次检验性试验。并且对其机械物
理、铸造性能进行各项参数的测定, 提出了科
学研究报告。
该项目于19 94 年12 月27 日在北京由煤炭部
和中国有色金属总公司联合召开了技术鉴定会
议, 一致同意通过鉴定。鉴定意见如下:
( a ) F H Z 5L 0 3 A 外壳用安全型铸造铝
合金新材料, 采用比较稳定、先进的化学配方
和新的铸造工艺, 其机械物理性能达到, 抗拉
强度厅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、耐腐蚀等优点;
( b ) 按照G B 1 3 8 1 3一9 2 《煤矿用金属材
料摩擦火花安全性试验方法和判定规则》标准
中《轻合金外壳》的检验规定, 在接近于实际
工况发生瓦斯燃烧最危险条件下, 进行150 0 余
次自由落锤冲击摩擦试验和5 次重熔试件进行
摩擦和冲击试验表明: F H Z L 5o 3 A 外壳用摩
擦火花安全型铸造铝合金所产生摩擦火花安全
性是可靠的;
( c ) 所提供鉴定技术文件齐全, 内容完
整、正确, 可以指导生产;
( d ) 该课题的研究完成了计划任务书规
定的研究内容。在安全型铸造铝合金方面的研
究, 取得了突破性进展, 所研究的外壳用摩擦
火花安全型铸造铝合金新材料适用于携带式、
小型移动式或支架式煤电钻、仪器仪表和设备
外壳( 整机质量在2 0 k g 以下) 。
2
.
几点建议
( a ) F H Z 5L 03 A 铸造铝合金新材料从
上面几点结论可以充分证明, 应尽快推广应用,
代替我国煤矿井下目前使用的Z 4L 0 1 、Z1L 02 、
Z 1L 04 等铸造铝合金。( 上述三种铸造铝合金在
与F lZ 玛0 3型铸造铝合金在相同试验条件、试
验方法下, 自由落锤冲击试验着火率达10 / 20
( 即5 0 % ) 、6 / 20 ( 即3 0 % 少4 / 2 0 ( 即2 0 % )
减少或消除目前煤矿引燃瓦斯着火源的事故隐
患。
( b ) F H Z 5L 03 A 铸造铝合金与现有使
用的ZU 0 1 、Z L l o 4 铸造铝合金的成本对比分
析如表10 0
表10 F H Z L 50 3 A 与Z从0 1 、Z L 10 4 成本对比分析
成本构成铸造铝合金
F H Z 5L 0 3 A Z L 10 4 Z从0 1
原材料( 万元/ 吨) 1。25 1. 2 6 1 . 24
辅助材料( 万元/ 吨) 0 . 0 1 5 0 . 0 1 5 0 . 0 1 5
动力费( 万元/ 吨) 0 . 0 1 0 . 0 1 0 . 0 1
工时费( 万元/ 吨) 0. 0 1 8 0 . 0 1 8 0 . 0 1 8
车间经费( 万元/ 吨) 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 0 3
企业管理费( 万元/ 吨) 0。0 3 0 . 0 3 0. 0 3
税金( 万元/ 吨) 0 . 34 0. 34 0. 34
销售价( 万元/ 吨) 1. 7 0 1。7 0 1. 70
从以上分析可以看出生产成本、销售价格
与Z议0 1 、Z L z0 4 基本一致。故使用F H Z 5L 0 3
型铸造铝合金材料不会增加铸造成本, 有着广
泛的推广前景, 经济与社会效益都有非常重要
的意义。
c( ) 应进一步完善铸造工艺, 不断满足
煤矿井下设备外壳的使用。而且对配方、工艺
作相应改进还可以推广解决化工、石油、轻工,
消防、船舶等行业可燃易爆场所摩擦火花安全
型铸造铝合金新材料。

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