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周岳建 王国军 孙廷富

　　摘要：本文通过分析现有铸造铝合金种类与性能特点、以及在水表壳以及阀体上应用要解决的具体技术问题。介绍新型铝合金水表壳及管件的特点，并分析铝合金材料的成分设计、金属型精密铸造成型、热处理强化、化学浸渗以及表面处理技术等硬性指标，以及与铜、铁材料的对比，阐明铝合金材料的优势与特点。通过性能测试以及对节能、环保方面的贡献分析，拓展新型铝合金水表壳及管件的市场应用范围。

　　关键词：铝合金表壳环保节能表面处理

　　Abstract: by analyzing the type and performance characteristic of current aluminum alloy casting and the detail technique problems of application in water meter and valve body, this thesis introduce the characteristics of aluminum alloy meter and pipes, analyze the ingredient of aluminum alloy, metal precise casting, hot disposal intensify, chemistry osmosis and some indexes, and the comparison of brass and iron, to clarify the superiority and characteristic of aluminum alloy. By performance testing and analyzing the lower consumption, and environmental protection, develop and expand the market application scope of aluminum alloy water meters and pipes.

Key words: aluminum alloy meter body environmental protection

Power savingsurface disposal

　　目前，在国内、国际给排水系统中水表表壳、管道连接件以及阀门材料等应用上出现了一种难于解决的供需矛盾，即铁质表壳制造工艺简单价格容易接受，在国内市场应用范围较广，但对水质的二次污染和水资源的浪费已到了不容忽视的地步，虽然国家相关部门提出逐步取消供水系统产品的铁质管道，但表具与管道连接件、阀门仍以铁质材料为主导或铜材料。而铜资源紧缺导致价格上涨，产品难于被接受。

　　基于此现状，我公司耗时两年，研发、首创高强度不锈铝合金外壳水表及管件，解决了水表的二次污染，且成本较低，无论是产品的机械性能还是节能环保方面都优于铁、铜材料，是取代铁表壳及管件的最佳选择。符合当前国家提倡的节能减排产业结构，也是走在新技术、新材料的前沿。

　　一、铸造铝合金的分类、特点及应用

　　铸造铝合金共分五大类，有铝硅类、铝铜类、铝镁类、铝锌类以及铝稀土类铸造铝合金，而其它特类没有统一规范，这里不做讨论。

　　1、 铝硅类铸造合金（Si≥5%）（牌号表示法 ZL1XX）

　　铸造性能优异，如收缩率小、流动性好、气密性好和热裂倾向小等，耐腐蚀性能较优越；再经变质处理，具有良好的力学性能、加工性能、物理性能以及摩擦学性能，但表面化学、电化学氧化特性差。

该类合金品种最多，应用最广，主要用于制造承力结构件、耐磨构件以及各类壳体构件等，如发动机活塞、缸套、缸体、水冷汽缸头类；油压、液压、水压泵体，仪表壳体、阀门壳体以及高压阀门等。

　　2、 铝铜类铸造合金（Cu≥2%）（牌号表示法 ZL2XX）

　　具有较高的室温与高温力学性能，主要用作耐热与高强度铝合金；但铸造性能与耐蚀性能较差，易产生热裂、膨胀系数也较大，有“永久生长”现象；表面化学、电化学氧化特性较差。

　　主要用于承受大载荷的结构件与耐热零件，如轮毂、叶轮、轴瓦、轴承盖、连杆、摇臂、泵体等民用与飞机、导弹上部件。我国共有14个品种，如ZL201、ZL205等；国际近百个品种。

　　3、铝镁类铸造合金（牌号表示法 ZL3XX）

　　具有非常优越的抗腐蚀性能、力学性能高、加工表面光亮美观、比重最小；表面化学、电化学氧化特性优异；但熔炼、铸造性能复杂或较差。

　　主要用于承受高负荷、抗海水和大气等腐蚀环境工作的结构件，如海轮零件、机器壳体、框架、支座、杆件和配件等。我国仅四个品种如ZL301、ZL303、ZL305以及YL302等；国际近百个品种。

　　4、铝锌类铸造合金（牌号表示法 ZL4XX）

　　力学性能较高、铸造性能一般、易产生热裂，抗腐蚀性能较差，密度较大等；表面化学、电化学氧化特性较差。最大的优点是不需热处理就能使合金强化。主要用于承受载荷不高的农业设备、机床工具、无线电装置、空气压缩机等上的零件，如活塞、型板、轴瓦以及支架等。我国仅两个品种，ZL401、ZL402，国际近十多个品种。

　　5、铝稀土类铸造合金（牌号表示法 ZL5XX）

　　铸造性能较优越，气密性较高，不易产生气孔、热裂和缩松缺陷；高温强度高，热稳定性好，可以用于350～400℃温度下工作的零件。

　　主要用于制造飞机发动机上耐热零件等，应用不十分广泛，我国仅有ZL501一个品种列标；国际情况尚不清楚。

　　6、 其它性能简要说明

　　由表（1）可见，铝硅类合金综合性能数据较高，仅仅在耐腐蚀性能方面略比铝、镁类合金低，综合体现了该类材料应用广泛性的特点。

　　表（1） 几类铸造铝合金材料综合性能比对与分析

注明：表中数字越大越好，采用5级平分制。

　　二、现有铸造铝合金在水表行业，特别是在水表、阀门中前期没有得以推广应用的主要原因与要解决的技术问题

　　1、水表壳用材的历史时序性，造成铝壳应用的滞后性

　　铸铁是工业化最早成熟的材料，成本低，选择其制造表壳及其管道附件具有

　　历史客观原因。随着人们健康水平的提高，认识到铁锈对饮用水的污染问题，

　　提出了废弃或禁用的要求。进而采用黄铜来代替铸铁，实现产品的换代升级。

　　但是，近年来，当医学科学界认识到黄铜中含铅、铜毒以及铜绿等问题，对饮用水的危害更大，又迫使人们提出废弃含铅黄铜水表壳及附件的要求。无铅铜合金制造水表壳及管道附件，制造成本极高，特别是近年来铜价的飞涨，不符合经济性要求。特别是对中国，还存在资源消耗与环境污染严重的大问题，是不符合国情的。

　　分析表明，在选用铸铁、含铅黄铜制造水表壳及管道附件的历史时段，铝材价格较高，加之铝合金材料技术的成熟性问题，约束了铝材的广泛开发与应用，这在客观上造成了铝材应用的滞后性。

　　2、铝对人体的“毒性”问题，客观上造成了开发的障碍性

　　为了保障健康要求，国际上对食品、饮料、水质等含铝量做了明确规定，其中，要求水质中含铝量不超过2mg/L。可以想象得到谁会在这样背景下开发铝制水表壳产品哪？

　　3、铝合金产品腐蚀产物问题，影响铝制水表壳开发的现实性

　　铝合金同铸铁、黄铜一样存在腐蚀问题，其腐蚀产物会随着水流的冲刷，进入饮用水中。但是因材质不同，三者在饮用水中的腐蚀程度、腐蚀产物的生物有害性是不同的。尽管铝制品具有优良好的耐蚀性，并通过表面保护还可进一步提高，并显著降低对水质的污染问题，其腐蚀产物是到处可见的砂子即Al2O3 应该是对人体无害的，是不同于炊具用品的，而炊具用品与厨具间的刮戗会产生离子铝与氧化铝产物，有害性大，但是谁来证明这些呢？

　　4、现有铸造铝合金存在性能分散、单一的技术问题，无材可选

　　现有五类铸造铝合金，如铝硅类合金铸造成型性优良，耐腐蚀性较好，但化学或电化学氧化膜的保护效果较差；而铝镁类合金耐腐蚀性好，化学或电化学氧化保护膜效果好，但熔炼与铸造成型性较差；铝铜类合金具有高的力学性能，但铸造性能与耐腐蚀性能较差。这些铸造合金不是专门针对铝合金水表壳使用特点与要求设计的，各类合金性能特点不能综合体现，故此造成应用上无材可选的难题。

　　5、现有铸造铝合金未能在水表行业，特别是水表、阀门中未能应用，存在的主要问题

　（1）表壳材料与产品力学性能提高的问题，应达到铸铁、黄铜表壳的性能水平；

　（2）表壳产品成形性问题，解决表壳精密铸造成形与获得高品质致密铸件技术问题，提高产品抗渗漏与成品率；

　（3）表壳、管配件及与异种金属接触的化学、电化学腐蚀问题，特别是电化学腐蚀问题，是存在的最大难题之一；存在着表壳及管配件表面抗冲刷、抗磨蚀提高问题，表面保护措施有无污染、危害性问题；

　（4）铝的“毒性”问题，不同程度地，其腐蚀产物随水流冲刷进入饮用水中，有无毒性？进入量有多少？是否构成危害？需要检测或验证说明，是应用与推广中最关键的问题。

　　6、要解决的技术问题

　（1）新型专用铝合金成分设计问题，要综合各类铸造铝合金性能特点，解决水表壳成形性与力学性能提高问题；

　（2）铝制水表壳腐蚀产物或“毒性”问题，需测试分析与验证说明，提供卫生检测报告，说明腐蚀产物进入水源的程度或有无危害性；

　（3）铝制水表壳表面保护技术问题，提高水表壳使用寿命与抗冲刷性能，降低腐蚀产物进入水源的程度或计量；

　（4）管接头、配件及异种金属接触化学以及电化学腐蚀问题、缝隙腐蚀问题等等。

　　三、 新型铝合金的特点，解决了哪些技术问题

　　1、新型专用铝合金的特点

　　针对水表壳的使用要求与特点，设计了一种专用合金，综合上述五种铸造合金特点，突出解决成型性、力学性能与耐腐蚀性能提高以及应有良好的化学、电化学氧化特性，以便通过化学、电化学氧化处理提高耐腐蚀性能。

　　我司综合以上材料特性,选择Al-Mg-Si系高强合金，并添加Cu、Zn辅助元素，以及添加多元少量微合金化元素Sr、RE、Ti进一步提高合金的力学性能、抗腐蚀性能以及具有良好的化学、电化学氧化特性。

　　2、添加微量钛、锶以及稀土多元变质剂，解决微观组织细化问题

　　解决基体α细化问题，除气净化、除杂与除渣问题以及细化变质初晶硅与共晶硅问题，使表壳合金铸件具有高的力学性能与致密性。

　　3、采用金属型精密铸造技术与热处理强化技术，解决致密化与高力学性能问题

　　金属型铸造具有较快的冷却速度，可获得细小、均匀、高致密化的微观组织，加之热处理技术的作用，使表壳铸件力学性能得到大幅度提高，同时对抗腐蚀性能提高大有益处。

　　4、铝铸造表壳件浸渗与表面电化学处理技术，解决抗渗漏与耐腐蚀性能提高技术问题

　　采用化学浸渗技术、硬质阳极氧化处理技术以及喷塑处理技术，强化提高铝铸造表壳件抗渗漏与耐腐蚀性能提高技术难题。

　　5、管配件与接头防腐设计，解决异种金属接触的电化学腐蚀与缝隙腐蚀问题

　　进行管配件与接头结构的防腐设计，采用电化学氧化特性良好的变形铝合金挤压管材、深冲件，加工后进行硬质阳极氧化处理、封孔处理与喷漆处理，解决电化学腐蚀问题与缝隙腐蚀问题。

　　6、购置盐雾腐蚀试验箱，解决水表壳、管配件、接头以及装配组件的腐蚀性能评价问题

　　通过系统试验与测试分析，解决材料、工艺与性能体系之间的科学评价问题。

　　7、铝制水表壳生化指标检测，解决铝的“毒性”或腐蚀产物计量评价与解释

　　通过测试了解了水质中含铝量以及具体成分，证明水中铝含量没有超标，不够成危害性。

　　四、铝制表壳与铜、铁材料对比，技术优势与特点

　　1、 中性盐雾试验与耐腐蚀性能对比

　　铸铁的耐腐蚀性能与力学性能都比新型铝合金材料的低。这里不做比较对象。

　　按照中性盐雾国家标准进行中性盐雾试验。结果表明HPb58-2黄铜表壳经过24小时盐雾试验，已发生腐蚀，产生铜绿；经电化学保护的铝表壳经历240小时盐雾试验，未发生腐蚀迹象。可以推断采用铝表壳并经电化学保护能够很好的满足水表的耐腐蚀性能要求，将比黄铜表壳更具有优越性。

　　2、 生化指标检测

　　3、力学性能检测与对比

　　材料力学性能及产品拉力检测，见表（2）。可见铝表壳优越于黄铜表壳的力学性能与承力能力。此外，铝合金没有低温脆性问题，特别是在寒区，能更好的满足环境条件的要求。

表（2） 高强度新型铝合金表壳拉伸试验结果

　　4、金相组织观察与分析

采用金相法进行分析，如图1所示，新型铝表壳铸件的微观组织细小，α枝晶组织细小明显、数量多，组织中的第二相更细小，从组织特点分析该表壳材料力学性能高，塑性好，氧化特性好。而ZL102铝硅合金铸件组织粗大，比新型铝表壳铸件的微观组织粗大至少1倍；并存在粗大的初晶硅以及共晶硅组织，合金的力学性能显然要差，特别脆，没有塑性；过多的初晶硅以及共晶硅组织，造成ZL102铝硅合金铸件氧化特性极差，不能更好的进行表面强化处理。

a 新型铝表壳合金100× 　　b　ZL102铝硅合金50×

图1 两种铝合金金相组织对比

　　5、铝表壳表面特性分析

　　采用硬度测试分析，结果表明经表面氧化处理的铝表壳表面硬度达到400HV以上，而黄铜表壳及未处理的铝表壳表面硬度在90HV左右。可见经过处理，铝表壳抗水流冲击的能力显著提高，对表壳的寿命以及对水质纯净化改善效果将更为可观。(现市场上电饭堡内胆就有采用此工艺.)

　　五、新型铝合金的市场前景、对节能环保的贡献

　　1、对节能环保的贡献

　　铸铁、黄铜以及新型铝合金对熔炼与铸造能源消耗以及对环境污染压力是不同的，见表（3），三者对熔炼温度要求等特性的比对。可见，铸铁的熔炼要求温度最高，铜次之， 铝最低。依据理论计算，熔炼1吨铸铁、1吨黄铜的能源消耗显著比铝合金的大；无论采用何种能源，铸铁及黄铜都消耗大量能源，并造成极大的环境污染压力，消耗所接触的设备、工具以及造成工作环境更加恶劣，同时也造成环境改善投资的强大压力。发达国家已明显将这样的产业转移到落后国家，造成那里环境与生态污染问题。

　　仅从能耗比与重量比而言，用新型铝合金制造出同一个表壳产品耗能相当于铜、铁能耗的五分之一；而精炼净化采用无公害溶剂可达到“绿色环保”要求。这无疑说明熔炼污染问题得到了有效控制，可获得无排污、清洁环境生产条件，这是利国利民功在千秋的事业。

表（3） 铸铁、黄铜以及新型铝合金熔炼温度要求及其它对比

注明：以铸铁重量为1，进行产品能耗、数量与重量比对。

　　　2、 新型铝合金的市场前景预测

　　（1） 从资源优势与产品自身优势看，产品具有强大的竞争力

　　由表（4）可见，铝的资源优势极大，是继钢铁业之后，最大的结构材料。目前铝产品随处可见，原材料标准化并货源充足；材料成型、加工与之配套技术十分成熟，是铝制品广泛开发与应用的时代。用铝代替铸铁、黄铜制造水表壳，将具有单件表壳重量是铸铁、黄铜的1/3或产品数量是铸铁、黄铜的3倍，耗能是铸铁、黄铜的1/5，价格相当于铸铁、比黄铜低近九倍等诸多优势，可达到对水质无污染与对环境无公害的良好效果，其市场前景巨大。

　　表（4）几种资源对比情况

　　（2） 从材料与产品技术创新看，具有强大的生命力

　　新型铝合金表壳材料设计、结构与工艺设计创新，实现了用铝合金代替铸铁、黄铜，制造表壳，实现质变大跨度技术进步，并在合金熔炼与铸造、净化处理、化学致密化以及表面处理技术方面，解决了腐蚀防护、性能提高以及二次污染问题，其技术成果不仅仅用在水表壳，还可以推广到其它产品中。

　　除含卤素与碱土金属元素的介质对铝合金氧化膜有强烈的破坏作用外，其余氧化性介质的破坏能力是有限的或无破坏能力，这样所开发的新型铝合金及其铸造产品，通过化学或电化学氧化，并再进行漆膜保护，可以更加广泛的用于各个领域或条件，其产品应用空间是极大的，例如，可以制造泵体、阀体、附件或罐体用于运输或储存浓硝酸；用于制造输油、输气阀体、罐体等等。

　　结论

　　（1）通过试制与关键技术环节的攻关，所开发的新型铝合金表壳材料克服原有各铝合金体系性能单一、分散问题，具有综合性能优异，特别是可以通过表面氧化处理，使表壳抗腐蚀、抗水流冲蚀能力显著提高，解决了耐腐蚀问题、力学性能提高问题、对水质评价等相关技术问题，解决了应用中的关键问题；

　　（2）已有实验数据表明，新开发的铝表壳合金力学性能高、组织细小、表面硬度高、耐腐蚀性能优异，优越于黄铜表壳合金以及原有各体系铝合金。

　　（3）通过表壳工程试制，解决了生产质量与成品率提高等技术关，为大规模应用推广创造了条件。新型表壳的应用必将为我国水表行业的振兴，开辟新篇章；同时为解决能耗与低排放问题提供新思路新方法。……

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