CN101928860A

CN101928860A - 一种制造模具用锌合金

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Publication number: CN101928860A
Application number: CN 201010296808
Authority: CN
Inventors: 李正明; 张伟; 陈顺; 赵为上; 张德晶
Original assignee: Zhuzhou Smelter Group Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou Smelter Group Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2010-12-29

Abstract

本发明实施方式提供一种制造模具用锌合金，所述的锌合金的组份组成包括锌(Zn)、铝(Al)、镁(Mg)、铜(Cu)，稀土(RE)、硼(B)、钛(Ti)、锰(Mn)，各组份的重量百分比为铝(Al)5%～22%、镁(Mg)0.005%～0.03%、铜(Cu)1%～10%、稀土(RE)0.05%～0.5%、硼(B)0.01%～0.05%、钛(Ti)0.05%～0.2%、锰(Mn)0.05%～0.2%，其余为锌(Zn)，所述各组成重量百分比之和为100%。Al是锌合金的重要组成元素，具有良好的耐热性和铸造性能。Cu是锌合金中主要的强化元素，与Zn可形成CuZn3金属化合物，可以提高锌合金的强度和塑性。Mg、RE、B、Ti、Mn等为微量添加元素，可以起到细化晶粒、减少成分偏析和“底缩”现象。本发明不但使硬度和耐磨性得到进一步提高，而且在保证抗拉强度基本不变的前提下，其合金的尺寸稳定性、制模精度和耐腐蚀等性能也均有明显的提高。

Description

一种制造模具用锌合金

技术领域

本发明涉及一种制造模具用的锌合金，具体地说，是一种用于制造注塑模、吹塑模、压塑模等模具的锌合金材料。

背景技术

随着科学技术的发展，模具应用的范围越来越广泛，对于制造多品种、小批量或频繁更新改型的产品模具如注塑模、吹塑模、压塑模等模具而言，要求具有制造周期短、制作难度小且成本低的特点，而现有技术中通常采用的钢模模具制造成本高、周期长，制造模具用锌合金材料以其成本相对较低而应用于制造此类模具。但单纯的金属锌不能满足如塑性、硬度、强度等方面的服役条件，通常加入合金元素以改善其物理机械性能。传统模具用制造模具用锌合金材料主要成分是锌、铝、铜、镁，Zn-Al-Cu-Mg系合金是现有技术中性能最好和实际使用最多的制造模具用锌合金，在Zn-Al-Cu-Mg合金中通过添加某些微量元素可以提高其性能。Al是锌合金的重要组成元素，具有良好的耐热性和铸造性能，添加Al可以增加合金的流动性，细化晶粒，并引起合金固溶强化，提高其机械性能，Cu是锌合金中主要的强化元素，与Zn可形成CuZn₃金属化合物，可以提高锌合金的强度和塑性。镁元素的添加可以起到细化晶粒的作用，减少锌铝晶间腐蚀，来提高合金的硬度和耐磨性，并改善合金的尺寸稳定性。另外，熔炼时加入少量镁，其熔化沸腾过程，不仅可吸收液体中的气体(氢、氧、氮)上浮起净化作用，而且更重要的是在液体中形成搅拌作用，减缓铝、锌的成份偏析现象。本领域技术人员曾进行了大量的其他元素添加研究，如邹勇志、曾建民等在《高铝制造模具用锌合金模具材料性能研究》中指出Zn-Al-Cu-Mg(Al 30.0-50.0%, Cu 1.0-2.5%, Mg 0.05%, 余量，Zn)高铝30.0%锌合金中添加微量Mn(0.15%～0.3%)，塑性和强度得到提高，并具有较好的高温性能。张翔、李子全在《RE、Mg及Ti对Zn-4.5%Al合金耐蚀性的影响》中研究了稀土和钛的含量变化对低铝(4.5%)合金耐腐蚀性能的影响。但上述研究主要针对添加合金元素以改善某一方面的性能，且只是研究了在高铝或低铝范围内添加微量元素对合金性能的影响，所有研究还没有从根本上解决模具锌合金材料的本质缺陷问题，尽管Zn-Al-Cu-Mg合金中的ZA8、ZA12、ZA27等牌号锌铝合金已具有良好的力学性能和耐磨性能等优良的综合性能，为锌合金在模具上的应用开辟了新的方向，如ZnAl27Cu1Mg (Al 25.0-28.0%, Cu 1.0-2.0%, Mg 0.01-0.02%, 余量，Zn)，其抗拉强度达350MPa，延伸率为10%，布氏硬度为90，但上述指标仍只能满足一般的铸造性能，作为制造模具用锌合金仍存在如下问题：

1、力学性能仍未达到模具制造要求，强度比钢模低得多，且合金的硬度和耐磨性较差，布氏硬度一般小于110，在较大的冲裁力或型腔注射压力和锁模力作用下容易损坏；合金的硬度和耐磨性较差，模具的使用寿命短，只能达到上千件的生产数量；

2、凝固收缩率大，锌合金模具材料的凝固收缩率高达0.8% -1.4%，而且收缩率变化不稳定，模具精度难以保证；

3、锌合金软化温度低，尺寸不稳定。锌合金熔点低，在200℃以上工作时，强度、硬度降低，在大的冲裁力或高的注射压力作用下，模具型腔容易产生热变形，影响制件的精度，而且磨损量加大。

由于模具用的锌合金仍然存在许多的局限性，限制了它的推广应用，需进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种制造模具用锌合金材料，使其硬度和耐磨性得到进一步提高，布氏硬度大于120，而且在保证抗拉强度基本不变的前提下，其合金的尺寸稳定性、制模精度和耐腐蚀等性能也均有明显的提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种制造模具用锌合金，其特征在于:它的组分及其质量百分比为：铝5%～22%、镁0.005%～0.03%、铜1%～10%、稀土0.05%～0.5%、硼0.01%～0.05%、钛0.05%～0.2%、锰0.05%～0.2%，余量为锌(Zn)。

作为对本发明的进一步改进，所述稀土的质量百分比为：0.1%～0.3%。

作为对本发明的进一步改进，所述的硼质量百分比为：0.02%～0.03%。

作为对本发明的进一步改进，所述的钛质量百分比为：0.1%～0.2%。

作为对本发明的进一步改进，所述的锰质量百分比为：0.1%～0.2%。

本发明的有益效果在于：

稀土、锰、硼和钛等微量元素的添加可以显著提高合金的塑性以及综合机械性能，减少成分偏析和“底缩”现象。合金中加入适量的Re变质剂可以细化晶粒，提高机械性能。由于稀土元素主要以化合物形式存在，它们分别与Al, Cu, Mg形成稳定性极高的化合物。如AlRe₄, Al₄CuRe, Mg₉Re等。这些化合物熔点较高，在液态合金中首先析出，做为活性质点，成为合金的非自发晶核，增加了晶粒数，抑制晶粒的长大、细化晶粒，这就使合金在结晶过程中，过饱和程度显著降低。在时效过程中，它们同样阻碍原子扩散，阻止新相析出，防止老化。外来晶核的增多同时也抑制着结晶过程中低密度富铝相的上浮所造成的成分偏析和“底缩”的发生。因此，少量的稀土(0.05%～0.5%)可以提高合金的强度和硬度，降低合金的伸缩率，有效地解决成分偏析和“底缩”现象。Ti和B作为合金的晶粒细化剂加入，Ti、B加入合金中可形成高熔点TiAl₃、TiB₂、AlB₂、TiZn₃和Al₅Ti₂Zn等金属化合物，成为有效的形核基底，促进晶粒细化，同时提高了再结晶温度，使合金具有更高的轻度、硬度和抗蠕变能力。Mn元素的添加可以使晶间存在富Mn相分布，而富Mn相硬度高、热硬性好，分散于晶界和枝晶间，可以提高合金的再结晶温度，强化组织，有效地阻碍高温时基体的变形和晶界移动。

本发明不但使硬度和耐磨性得到进一步提高，而且在保证抗拉强度基本不变的前提下，其合金的尺寸稳定性、制模精度和耐腐蚀等性能也均有明显的提高。

具体实施方式

为进一步描述本发明实施方式，现结合具体实施例对其技术方案作进一步说明。

实施例1

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)5%，镁(Mg)0.005%、铜(Cu)1%、稀土(RE)0.05%、硼(B)0.01%、钛(Ti)0.05%、锰(Mn)0.05%，余量为锌(Zn)。

实施例2

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)5%，镁(Mg)0.005%、铜(Cu)1%、稀土(RE)0.05%、硼(B)0.015%、钛(Ti)0.05%、锰(Mn)0.05%，余量为锌(Zn)。

实施例3

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)6%，镁(Mg)0.008%、铜(Cu)2%、稀土(RE)0.075%、硼(B)0.018%、钛(Ti)0.06%、锰(Mn)0.06%，余量为锌(Zn)。

实施例4

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)8%，镁(Mg)0.01%、铜(Cu)3%、稀土(RE)0.1%、硼(B)0.02%、钛(Ti)0.075%、锰(Mn)0.075%，余量为锌(Zn)。

实施例5

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)9%，镁(Mg)0.015%、铜(Cu)4%、稀土(RE)0.1%、硼(B)0.02%、钛(Ti)0.1%、锰(Mn)0.1%，余量为锌(Zn)。

实施例6

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)10%，镁(Mg)0.02%、铜(Cu)4%、稀土(RE)0.2%、硼(B)0.025%、钛(Ti)0.1%、锰(Mn)0.1%，余量为锌(Zn)。

实施例7

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)14%，镁(Mg)0.02%、铜(Cu)6%、稀土(RE)0.25%、硼(B)0.025%、钛(Ti)0.12%、锰(Mn)0.12%，余量为锌(Zn)。

实施例8

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)16%，镁(Mg)0.025%、铜(Cu)8%、稀土(RE)0.3%、硼(B)0.03%、钛(Ti)0.15%、锰(Mn)0.15%，余量为锌(Zn)。

实施例9

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)18%，镁(Mg)0.025%、铜(Cu)8%、稀土(RE)0.3%、硼(B)0.03%、钛(Ti)0.15%、锰(Mn)0.15%，余量为锌(Zn)。

实施例10

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)20%，镁(Mg)0.03%、铜(Cu)9%、稀土(RE)0.4%、硼(B)0.04%、钛(Ti)0.2%、锰(Mn)0.2%，余量为锌(Zn)。

实施例11

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)21.5%，镁(Mg)0.03%、铜(Cu)10%、稀土(RE)0.4%、硼(B)0.04%、钛(Ti)0.2%、锰(Mn)0.15%，余量为锌(Zn)。

实施例12

一种制造模具用锌合金，所述锌合金组份及其质量百分比为：铝(Al)22%，镁(Mg)0.03%、铜(Cu)10%、稀土(RE)0.5%、硼(B)0.05%、钛(Ti)0.2%、锰(Mn)0.2%，余量为锌(Zn)。

以上所述，实施例1～12为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可以轻易想到变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

本实施例实验效果比较如表1所示，本发明具有较高的硬度和强度，较低的凝固收缩率，并明显地降低了成分偏析和“底缩”现象。

表1模具锌合金性能比较

实施例	硬度(HB)	收缩率(%)	伸长率(%)	抗拉强度(MPa)	抗压强度(MPa)
						1	122	0.80	1.2	265	745
2	125	0.79	1.2	270	742
						3	130	0.70	1.1	298	756
4	135	0.59	0.7	300	780
						5	144	0.67	0.8	345	760
6	155	0.70	0.7	328	775
						7	142	0.58	0.7	335	790
8	146	0.60	0.7	323	785
						9	147	0.66	0.8	358	786
10	134	0.75	0.8	312	766
						11	136	0.74	0.7	324	765
12	133	0.75	0.8	310	755
						13	80～120	0.8～1.4	1～3	200～260	450～750

其中1～12为对应的实施例1～12模具锌合金性能，13为现有技术中模具锌合金性能。

Claims

1.一种制造模具用锌合金，其特征在于:它的组分及其质量百分比为：铝5%～22%、镁0.005%～0.03%、铜1%～10%、稀土0.05%～0.5%、硼0.01%～0.05%、钛0.05%～0.2%、锰0.05%～0.2%，余量为锌(Zn)。

2.根据权利要求1所述的制造模具用锌合金，其特征在于：所述稀土的质量百分比为：0.1%～0.3%。

3.根据权利要求1所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的硼质量百分比为：0.02%～0.03%。

4.根据权利要求1所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的钛质量百分比为：0.1%～0.2%。

5.根据权利要求1所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的锰质量百分比为：0.1%～0.2%。

6.根据权利要求2所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的硼质量百分比为：0.02%～0.03%。

7.根据权利要求2所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的钛质量百分比为：0.1%～0.2%。

8.根据权利要求2所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的锰质量百分比为：0.1%～0.2%。

9.根据权利要求6所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的钛质量百分比为：0.1%～0.2%。

10.根据权利要求6所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的锰质量百分比为：0.1%～0.2%。

11.根据权利要求9所述的制造模具用锌合金，其特征是，所述的锰质量百分比为：0.1%～0.2%。