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

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

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%。