CN102121079A

CN102121079A - 一种锌基合金的制备方法

Info

Publication number: CN102121079A
Application number: CN 201110072102
Authority: CN
Inventors: 李正明; 张伟; 张德晶; 陈顺
Original assignee: Zhuzhou Smelter Group Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou smelting group science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: CN102121079B

Abstract

本发明涉及一种锌基合金的制备方法，包括以下步骤：先分别制备Al-Cu合金、Al-Mn合金和Al-Ti-B合金，然后将Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金、稀土金属和金属Mg加入熔融的金属Zn中，全部熔化后造渣、扒渣，浇铸成锭，冷却即可得到锌基合金，所述锌基合金Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re为稀土金属。本发明提供的制备方法，能有效降低温度从而降低对能量和设备的要求；另外，采用本发明的制备方法得到的锌基合金具有优异的机械性能。

Description

一种锌基合金的制备方法

技术领域

本发明涉及锌基合金领域，尤其涉及一种锌基合金的制备方法。

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、小批量或频繁更改形状的产品模具，如注塑模、吹塑模、压塑模等，要求具有制造周期短、制作难度小且成本低的特点。钢模模具制造成本高、周期长，锌基合金以其成本相对较低而广泛应用于制造此类模具。

直接采用金属锌不能满足模具在塑性、硬度、强度等性能方面的要求，通常需要在锌中加入其他金属以改善其物理机械性能。例如Zn-Al-Cu-Mg系合金中，通过添加Al、Cu、Mg元素可以进一步提高合金的各种物理机械性能，例如硬度和耐磨性。

例如CN101928860中公开了一种制造模具用锌合金，该锌基合金中含有Al，Mg，Cu，Re，Mn，Ti和B。若采用常规的物理共混后直接熔化制备该锌基合金，一方面Cu、Mn、Ti、B的熔点非常高，直接加入金属锌中难以熔化，因此难以分散均匀，导致得到的锌基合金的一致性较差，所得到的锌基合金的机械性能也较差。另一方面，高温熔融对能量和设备要求均较高，导致生产成本大大提高。因此，锌基合金中，添加的其他金属元素如何在锌基合金中分布均匀，添加方法如何实现简单易行、节能环保、对设备要求低等方面仍存在一系列的技术问题。例如，如铜的熔点达1083℃，钛的熔点高达1668℃，直接加入很难熔化，因此难以在锌中分布均匀。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的锌基合金机械性能较差、制备成本较高的技术问题。

本发明提供了一种锌基合金的制备方法，包括以下步骤：

1）Al-Cu合金制备：惰性气氛保护或真空状态下，升温至金属Al完全熔融，搅拌状态下加入金属Cu，升温至金属Cu完全熔化，降温后保温，得到Al-Cu合金；

2）Al-Mn合金制备：惰性气氛保护或真空状态下，升温至金属Al完全熔融，搅拌状态下加入金属Mn，升温至金属Mn完全熔化，降温后保温，得到Al-Mn合金；

3）Al-Ti-B合金制备：惰性气氛保护或真空状态下，升温至金属Al完全熔融，搅拌状态下加入金属Ti和金属B，升温至金属Ti和金属B完全熔化，降温后保温，得到Al-Ti-B合金；

4）锌基合金制备：将Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金、稀土金属和金属Mg加入熔融的金属Zn中，待全部熔化后充分搅拌，加入造渣剂后保温；降温后扒渣，浇铸成锭，冷却后得到锌基合金，所述锌基合金为Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re为稀土金属。

本发明提供的锌基合金的制备方法，通过先制备中间合金Al-Cu合金、Al-Mn合金以及Al-Ti-B合金，然后再与金属锌及其它金属共熔，从而制备本发明的锌基合金。采用本发明中的制备方法，能有效降低温度从而降低对能量和设备的要求；另外，本发明中虽然温度较低，但是仍能将各种金属完全熔融，使得锌基合金中各种金属分散均匀，从而保证锌基合金的各种机械性能。从表1的测试结果可以看出，采用本发明的制备方法得到的锌基合金，在保证抗拉强度大于280Mpa，布氏硬度大于130 N/mm²和耐磨性基本不变的前提下，收缩率小于0.8%，说明合金的尺寸稳定性和制模精度较高，腐蚀失重率<1.5 gcm^-2，耐腐蚀性得到明显提高。

具体实施方式

本发明提供了一种锌基合金的制备方法，包括以下步骤：

本发明的发明人通过大量实验发现，本发明中通过先制备中间合金Al-Cu合金、Al-Mn合金以及Al-Ti-B合金，由于中间合金的熔点大大低于单质金属的熔点，所以能降低后续制备锌基合金过程中的熔化温度，使得本发明中在较低温度下仍然制得均匀分散、各种机械性能优异的锌基合金。

虽然现有技术中有公开通过制备中间合金从而制备各种模具中合金的方法,但是，在实际生产过程中，不同合金由于其原料种类以及含量的不同，很难确定选择制备何种中间合金。如果中间合金选择不合理，会引入大量杂质，导致合金元素出现偏析现象，合金的综合性能大大降低。

本发明中，发明人发现，通过制备Al-Cu合金、Al-Mn合金以及Al-Ti-B合金此三种中间合金，一方面能降低熔点，从而降低熔融温度，实现低温下共熔制备均一的锌基合金；另一方面，如果直接对各金属单质进行熔融，由于熔融温度过高，另外，熔融还需在惰性气氛中进行，因此，熔融设备同时承受高温和高压，对设备的要求很高，而本发明中，熔融温度降低，能大大降低对设备的要求，降低生产成本。

本发明制备的锌基合金为Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re为稀土金属。以锌基合金的总质量为基准，Al的含量为5～22wt%，Mg的含量为0.01～0.05wt%，Cu的含量为1～10wt%，稀土金属Re的含量为0.05～0.5wt%，B的含量为0.01～0.05wt %，Ti的含量为0.05～0.2wt%，Mn的含量为0.05～0.2wt%，余量为Zn。

其中稀土元素Re为本领域技术人员公知，包括镧系元素、钪(Sc)和钇(Y)共17种。优选情况下，所述稀土金属Re选自镧(La)、铈(Ce)、钕(Nd)、钐(Sm)、钇(Y)中的一种或多种。

根据本发明的制备方法，先制备Al-Cu合金。本发明的发明人发现，制备Al-Cu合金时，金属Al、金属Cu的质量比为1∶1时得到的Al-Cu合金的熔点最低，因此后续制备锌基合金时对Al、Cu所需的熔融温度也较低。

类似的，发明人发现制备Al-Mn合金时，金属Al、金属Mn的质量比为1∶2时得到的Al-Mn合金的熔点最低；制备Al-Ti-B合金时，金属Al、金属Ti、金属B的质量比为5∶1∶1时得到的Al-Ti-B合金的熔点最低。

根据本发明的制备方法，步骤1～3中制备中间合金时，均需先将金属Al完全熔融，在加入其它对应金属，从而制备对应的中间合金。所述将金属Al完全熔融的温度优选为700～750℃，从而一方面保证Al完全熔融，另一方面防止其它金属加入时体系温度骤降导致添加元素不能充分熔化，降低添加元素利用率。

步骤1中，升温至金属Cu完全熔化的温度为800～900℃。在该温度下，金属Cu完全熔化，然后降温、保温即可得到Al-Cu合金。优选情况下，所述降温后保温为先将熔炼炉内的温度降温至700℃后保温20min。

步骤2中升温至金属Mn完全熔化的温度为1050～1150℃。在该温度下，金属Mn完全熔化，然后降温、保温即可得到Al-Mn合金。优选情况下，所述降温后保温为先将熔炼炉内的温度降温至800℃后保温40min。

步骤3中升温至金属Ti和金属B完全熔化的温度为1100～1200℃。在该温度下，金属Ti和金属B完全熔化，然后降温、保温即可得到Al-Ti-B合金。优选情况下，所述降温后保温为先将熔炼炉内的温度降温至800℃后保温40min。

步骤4中，将前面制得的Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金，以及稀土金属和金属Mg加入熔融的金属Zn中。其中，金属Zn的熔融温度为420～450℃。然后升温，至混合体系全部熔化，所述全部熔化的温度为700～800℃。然后往熔融的混合体系中加入造渣剂，并覆盖混合体系，保温1h。降温至600℃后进行扒渣，浇铸成锭。

其中，浇铸成锭的温度为530～560℃。浇铸的方式可采用重力浇铸，但不限定于此。浇铸完成后，冷却，得到所述锌基合金。所述冷却的方式可采用水冷。

本发明中，优选情况下，在制备Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金的步骤1～3中，也可包括加入造渣剂的步骤。所述造渣剂，一方面能起到保温的作用，另一方面利于造渣，从而降低合金中渣的含量，提高锌基合金的综合性能。所述造渣剂可采用现有技术中的各种造渣剂，例如可以选自炭粉、NH₄Cl中的一种。本发明中，所述造渣剂还可以直接采用本领域技术人员常用的锌(Ⅱ)型造渣剂、锌(Ⅲ)型造渣剂。

本发明中，中间合金以及锌基合金的制备均在惰性气氛或真空状态中进行。由于中间合金和锌基合金的制备温度较高，若直接在大气中进行，高温的各种金属会与空气中的各种气体发生反应，并转化为各种金属化合物，导致合金的性能大大降低。因此，本发明中，为防止金属副反应发生，所述制备均在惰性气氛或真空状态中进行。所述惰性气氛所采用的气体选自氮气或元素周期表上第零族的各种惰性气体。优选情况下，所述惰性气氛所采用的气体选自氮气、氦气、氩气。

本发明中，为保证合金中各金属分散均匀，所述制备过程需在搅拌状态下进行。但是由于制备过程中温度较高，因此现有技术中常用的搅拌棒不能满足生产要求。例如，如果采用铸铁或钢作为搅拌棒，会造成搅拌棒熔融，从而给合金中引入铁、铅等杂质元素。作为本发明的一种优选实施方式，本发明中，所述搅拌采用长直木棍进行。采用该长直木棍进行搅拌，高温下木棍燃烧主要转化成炭，一方面炭具有还原性，能有效防止锌基合金中的金属被氧化；另一方面，炭可起到造渣的作用，进一步降低锌基合金中的杂质和渣量。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

（1）将Al与Cu按质量比1∶1混合置入带有惰性气体保护状态下的高频感应电炉中进行熔炼；

（2）将Al与Mn按质量比1∶2混合置入带有惰性气体保护状态下的高频感应电炉中进行熔炼；

（3）将Al与Ti、B按质量比5∶1∶1混合置入带有惰性气体保护状态下的高频感应电炉中进行熔炼；

（4）将Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti-B中间合金以及稀土La、镁原料放入熔融的Zn溶液中熔炼，重力浇铸并水冷，得到本实施例的锌基合金S1。

实施例2：

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的锌基合金S2，不同之处在于：步骤（1）中，Al与Cu质量比为1∶1.2。

实施例3：

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的锌基合金S3，不同之处在于：步骤（2）中，Al与Mn质量比为1∶2.5。

对比例1

按照铝5%~22%，镁0.01%~0.05%、铜1%~10%、稀土La 0.05%~0.5%、硼0.01%~0.05%、钛0.05%~0.2%、锰0.05%~0.2%，其余为锌的合金的组成要求，分别秤取块状、粒状或粉末状的金属原料。

然后将金属原料直接混合并置入带有惰性气体保护状态下的高频感应电炉中，然后升温至金属原料全部熔化，得到本对比例的锌基合金DS1。

性能测试

1、记录实施例1～3以及对比例1中制备锌基合金过程中高频感应电炉内的最高温度。

2、测试合金样品S1～S3和DS1的布氏硬度、抗拉强度、耐磨性、收缩率、制模精度和耐腐蚀性。

测试结果如表1所示。

表1

	S1	S2	S3	DS1
					最高温度(℃)	748	780	800	1130
布氏硬度(MPa)	144	142	147	108
					抗拉强度(MPa)	345	335	358	258
耐磨性(1/gcm^-2)	20	20	15	13
					收缩率(%)	0.67	0.58	0.66	1.2
制模精度	0.6	0.5	0.7	1.5

腐蚀失重率 (gcm^-2)

1.2

1.0

0.75

3.2

从上表1的测试结果可以看出，采用本发明的制备方法得到的锌基合金，在保证抗拉强度大于280Mpa，布氏硬度大于130 N/mm²和耐磨性基本不变的前提下，收缩率小于0.8%，说明合金的尺寸稳定性和制模精度较高，腐蚀失重率<1.5 gcm^-2，耐腐蚀性得到明显提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锌基合金的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锌基合金中，Al的含量为5～22wt%，Mg的含量为0.01～0.05wt%，Cu的含量为1～10wt%，稀土金属Re的含量为0.05～0.5wt%，B的含量为0.01～0.05wt %，Ti的含量为0.05～0.2wt%，Mn的含量为0.05～0.2wt%，余量为Zn。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，稀土金属Re选自镧、铈、钕、钐、钇中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中金属Al、金属Cu的质量比为1∶1；步骤2中金属Al、金属Mn的质量比为1∶2；步骤3中金属Al、金属Ti、金属B的质量比为5∶1∶1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1～3中升温至金属Al完全熔融的温度为700～750℃。

6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤1中升温至金属Cu完全熔化的温度为800～900℃；步骤2中升温至金属Mn完全熔化的温度为1050～1150℃；步骤3中升温至金属Ti和金属B完全熔化的温度为1100～1200℃；步骤4中全部熔化的温度为700～800℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中降温后保温为降温至700℃后保温20min；步骤2中降温后保温为降温至800℃后保温40min；步骤3中降温后保温为降温至800℃后保温40min；步骤4中降温后扒渣为降温至600℃后进行扒渣。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，浇铸成锭的温度为530～560℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中升温至金属Cu完全熔化后还包括加入造渣剂的步骤；步骤2中升温至金属Mn完全熔化后还包括加入造渣剂的步骤；步骤3中升温至金属Ti和金属B完全熔化后还包括加入造渣剂的步骤。

10.根据权利要求1或9所述的制备方法，其特征在于，造渣剂为炭粉、NH₄Cl中的一种。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛所采用的气体选自氮气或元素周期表第零族的惰性气体。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，搅拌采用长直木棍进行。