CN103233142A - 耐蚀易切削变形锌铝合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐蚀易切削变形锌铝合金,其中,其主要成分包含有(按重量百分比):铝(Al):6.5~11.5%,铜(Cu):0.4~4%,镁(Mg):0.01~0.6%,铋(Bi):0.1~3.5%,硼(B):0.0005~0.1%,钛(Ti):0.01~0.5%,其余为锌(Zn)和不可避免的杂质,杂质总含量不超过0.05%;镁和铋的重量百分比满足下列关系:镁重量(m(Mg)%)和铋重量m(Bi)%)满足关系式:[Mg]=0.175[Bi]+ex%,其中[Me]表示元素的重量百分比,其中余量ex的范围为0.02~0.06。(1)力学性能、导电、导热等性能与黄铜性能接近;(2)原料综合成本低;(3)切屑短小,切削性能良好,与C36000(铅黄铜)接近;(4)耐腐蚀性能良好,晶间腐蚀倾向小;(5)冷热加工性能好,可实现工艺化生产;(6)绿色环保不含铅。

Description

耐蚀易切削变形锌铝合金
技术领域
本发明涉及一种耐蚀易切削变形锌铝合金,属于金属材料制造技术领域。
背景技术
我国是一个贫铜富锌的国家,近年来,随着我国铜加工的快速发展,国内的铜资源已经不能满足生产的需要,大部分铜矿都需依赖进口,严重影响到我国有色金属工业和国民经济的持续健康发展。锌合金是以锌为基体加入其它元素的合金材料,由于其物理性能和力学性能等与黄铜接近,并且具有原材料价格低,生产工艺简单,节省能源,绿色环保等特点,在较低的工作温度下,是铜合金的理想替代品。
变形锌合金材料已普遍在电子通讯、家电、建筑、文具、水暖、汽车等领域应用。目前,应用最为广泛的变形锌合金,是德国研制出的两种合金GiescheZl3(Zn-4Al-0.5Cu-0.03Mg)和Gieshzl10(Zn-10Al-2Cu-0.03Mg),作为切削加工黄铜的代用品,后一种合金容易挤压成型,具有良好的热加工性能及适当的强度,在国外被广泛采用,国内也有企业在生产该合金,产销量不断上升。由锌铝相图可以看出,后一种合金属于过共晶型合金,铝含量靠近共晶点,因此切削性能较差,这就限制了锌铝系列合金在高速切削加工领域的应用。
为了提高锌合金的切削加工性能,国内外不少专家和学者做出了很多努力和尝试,并开发出一些易切削变形锌合金,但大多集中在锌铜(包括锌铜钛)系列合金,如:德国开发的一种锌合金Zn-(3.7~4)%Cu-(0.2~0.3)%Mg-(0.05~0.2)%Al-(0.25~0.4)Bi,难以实现挤压;中南大学林高用等人开发的专利号为200710035063.0稀土锌铜合金,孙文声等开发的专利号为201110076236.X易切削锌等。以上发明专利都是在锌铜系列合金(包含少量的铝)中加入游离的铅或铋,通过铅或铋在锌合金基体内的弥散分布,改善切削加工性能。
也有锌铝易切削锌合金的报道,如:戴国水等开发的公开号为CN101851713B和谭棣朋等开发的公开号为CN102011027A,在锌铝系列合金中加入铋,利用游离的铋在锌铝合金中弥散分布,提高合金的切削性能。在锌铝系列合金中的基体中,加入游离态的铅、镉、铋、锡或铊等,会对锌铝合金产生强烈地晶间腐蚀作用,大大加快合金的老化,因此以上合金的抗晶间腐蚀能力,容易老化。
因此开发一种切削性能优良,同时具有良好的挤压性能和抗晶间腐蚀性能的易切削锌合金,显得尤为重要。
发明内容
一、要解决的技术问题
本发明的目的是针对现有技术所存在的上述问题,特提供一种易切削锌合金,该合金具有优良的力学性能、切削加工性能、耐蚀性能和良好的成形性能的耐蚀易切削变形锌铝合金。
二、技术方案
为解决上述技术问题,本发明耐蚀易切削变形锌铝合金,其中,其主要成分包含有(按重量百分比):
铝(Al):6.5~11.5%
铜(Cu):0.4~4%
镁(Mg):0.01~0.6%
铋(Bi):0.1~3.5%
硼(B):0.0005~0.1%
钛(Ti):0.01~0.5%
其余为锌(Zn)和不可避免的杂质,杂质总含量不超过0.05%;
所述镁和铋的重量百分比满足下列关系:[Mg]=0.175[Bi]+ex%,其中[Me]表示元素的重量百分比,其中余量ex的范围为0.02~0.06。
作为优化,铝(Al):8.5~11.5%
铜(Cu):0.7~3.5%
镁(Mg):0.03~0.15%
铋(Bi):0.3~1.5%
硼(B):0.001~0.01%
钛(Ti):0.01~0.1%
作为优化,所述杂质包含铅(Pb)≤0.01%,镉(Cd)≤0.002%,锡(Sn)≤0.005%,铁(Fe)≤0.02%,锰(Mn)≤0.02%,硅(Si)≤0.02%,杂质总含量不超过0.05%。
三、本发明的有益效果
(1)力学性能、导电、导热等性能与黄铜性能接近;
(2)原料综合成本低;
(3)切屑短小,切削性能良好,与C36000(铅黄铜)接近;
(4)耐腐蚀性能良好,晶间腐蚀倾向小;
(5)冷热加工性能好,可实现工艺化生产;
(6)绿色环保不含铅。因此本发明可替代普通铅黄铜广泛应用于电子电器接插件、仪表零件、水暖卫浴件等。
本发明为一种含铋的易切削变形锌铝合金,是在锌铝合金里按比例加入的Bi和Mg,在熔铸过程中,铋与镁化合形成中间化合物相Mg3Bi2,化合物相粒子在基体的晶界中弥散分布,经过后续的挤压和拉拔等加工变形,化合物粒子进一步破碎成细小颗粒,在切削加工时,细小颗粒既在刀具和材料间起到润滑作用,又能作为应力集中源形成“空隙效应”,使切屑易碎,从而提高切削性;由于铋在锌铝合金基体中,全部以化合物的形式出现,几乎不影响合金的耐腐蚀性能;生成的中间化合物相Mg3Bi2对合金的强度影响小,合金容易实现挤压成型。
具体实施方式
实施方式一至七:铝:加入6.5~11.5%,锌中加入铝,能提高锌液的流动性,从而改善合金的铸造性能,此外,还能提高合金的强度、塑性和成型性能,并且由于铝的密度低,加入铝后,能降低锌合金产品的重量。低于6.5%时,强化效果不明显,韧性和成型性能差,高于11.5%,冲击性能迅速降低,同时铝含量增加,凝固区间增大,容易造成表面缩孔、缩松等缺陷,给熔铸带来极大困难。
铜:加入0.4~4%,锌中加入铜,与锌化合形成中间化合物相,强化基体。与铝一起加入,能提高锌铝合金的抗腐蚀能力。加入量少于0.4%,强化效果不明显,超过4%,锌铜中间化合物相粗化,降低韧性,恶化铸造性能,同时增加了合金的成本。
铋:加入0.1~3.5%,锌合金中加入铋,当其弥散分布与锌基体时,可以起到切削断屑和刀具润滑的作用,从而改善锌合金的切削性能。当铋含量小于0.1%时,切削性能改善不明显,高于3.5%,合金的塑性和脆性变差,并使材料成本增加。
镁:加入0.01~0.6%,在锌合金中,加入少量镁,能提高合金的抗氧化和晶间腐蚀能力,消除铅、锡、铋、锑等元素的影响。镁加入量少于0.01%,抗氧化和晶间腐蚀效果不明显;当镁与铋的原子比为3:2,即质量比为0.175:1时,镁和铋刚好化合形成中间化合物相Mg3Bi2,为使全部的铋都形成中间化合物相,加入镁的质量分数比铋的质量分数的0.175倍多约0.02~0.06%,可以用关系式[Mg]=0.175[Bi]+ex%,其中[Me]表示元素的重量百分比,其中余量ex的范围为0.02~0.06,在本关系式中,[Me]表示镁和铋元素的重量百分比。生成的中间化合物相Mg3Bi2在基体中弥散分布,提高了锌合金的切削性能;同时过量的Mg固溶于锌合金基体,能强化锌合金,并能提高合金抗氧化和晶间腐蚀的能力。
硼:在Zn-Al-Cu-Mg系列合金中,加入0.0005~0.1%,优选0.001~0.01%,能抑制枝晶长大,同时能起到净化基体和除气的作用。少于0.0005,作用不明显,超过0.1,会起到相反的作用,使晶粒粗化。
钛:加入0.01~0.1%,起到脱氧和细化晶粒的作用,同硼一起加入,晶粒细化作用更明显。晶粒的细化,使镁铋中间化合物更加弥散分布,进一步提高合金的切削加工性能。加入少于0.01%时,晶粒细化作用有限,超过0.1%时,容易产生成分偏析。
杂质:总含量小于0.05%,铁、锰、硅等的含量均小于0.02,Pb≤0.01,Cd≤0.002,Sn≤0.005。其中:铅和镉含量是为了符合欧盟“ROHS”要求;锡容易引起锌合金的晶间腐蚀;铁锰硅等是熔炼过程中经常出现的杂质元素,硅容易和锰、镁等形成坚硬粒子,铁容易与锌等形成坚硬的中间化合物相,影响后续的拉伸、抛光等工艺和产品的表面质量等,因此必须加以控制。
实施例一至七的成分设计可参看表一:
表一实施例成分设计
Al Cu Mg Bi B Ti
1# 9.5 2.0 0.05 0.4 0.003 0.03
2# 9.5 2.0 0.07 0.4 0.003 0.03
3# 9.5 2.0 0.11 0.4 0.003 0.03
4# 9.5 2.0 0.20 0.4 0.003 0.03
5# 9.5 2.0 0.15 0.6 0.003 0.03
6# 9.5 2.0 0.17 0.8 0.003 0.03
7# 10.5 2.0 0.12 0.4 0.003 0.03
其余为Zn和不可避免的杂质的配比,所述杂质包含铅(Pb)≤0.01%,镉(Cd)≤0.002%,锡(Sn)≤0.005%,铁(Fe)≤0.02%,锰(Mn)≤0.02%,硅(Si)≤0.02%,杂质总含量不超过0.05%。
表二给出了合金成分对合金的抗拉强度,耐腐蚀性能和切削性能的影响。
加速腐蚀实验:选取φ10*33mm锌杆,在95℃的饱和水蒸气下,悬挂10天,然后检测出锌杆腐蚀量。腐蚀程度是被腐蚀部分的深度与原始尺寸的比值。从表二可以看出1#样品的镁含量小于铋含量0.175倍的值为0.02%时(简称为:ex=-0.02%),腐蚀量最大,达到直径的22%;2#样的镁含量上升,当ex=0时,腐蚀量减小到10%;3#样的镁含量继续上升,ex=0.04时,腐蚀量减小到4.2%;4#样的镁含量继续上升,腐蚀量变化不大,但其挤压性能会受到较大的影响。由样品3#、5#、6#和7#可以看出,当铋含量增加,“过量镁”保持不变时,腐蚀量少许增加。
表二给出了镁铋的比值对抗拉强度的影响,当镁铋的比值小于0.175时,抗拉强度比较低(如1#),表明绝大部分镁已经与铋发生化合反应,对基体的性能没有影响;当镁铋的比值增大时(如2#、3#和4#等),抗拉强度随过量镁的增加而升高,表明过量的镁强化了基体。
表二给出了几个样品的切削性能,可以看出,几个样品的切削性能不错,达到了C36000(铅黄铜)的80%。
表二实施各例挤压后的抗拉强度及腐蚀性能
Figure BDA00003097064600071
Figure BDA00003097064600081
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种耐蚀易切削变形锌铝合金,其特征在于:其主要成分包含有(按重量百分比):
铝(Al):6.5~11.5%
铜(Cu):0.4~4%
镁(Mg):0.01~0.6%
铋(Bi):0.1~3.5%
硼(B):0.0005~0.1%
钛(Ti):0.01~0.5%
其余为锌(Zn)和不可避免的杂质,杂质总含量不超过0.05%;
所述镁和铋的重量百分比满足下列关系:[Mg]=0.175[Bi]+ex%,其中[Me]表示元素的重量百分比,其中余量ex的范围为0.02~0.06。
2.根据权利要求1所述的耐蚀易切削变形锌铝合金,其特征在于:
铝(Al):8.5~11.5%
铜(Cu):0.7~3.5%
镁(Mg):0.03~0.15%
铋(Bi):0.3~1.5%
硼(B):0.001~0.01%
钛(Ti):0.01~0.1%。
3.根据权利要求2所述的耐蚀易切削变形锌铝合金,其特征在于:所述杂质包含铅(Pb)≤0.01%,镉(Cd)≤0.002%,锡(Sn)≤0.005%,铁(Fe)≤0.02%,锰(Mn)≤0.02%,硅(Si)≤0.02%,杂质总含量不超过0.05%。
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