CN103290265B

CN103290265B - 一种高流动性的压铸锌合金及制备方法

Info

Publication number: CN103290265B
Application number: CN201310190314.8A
Authority: CN
Inventors: 李红英; 蒋浩帆; 李振国; 何守强
Original assignee: Hu'nan Nonferrous Metals Holding Group Co Ltd; Central South University
Current assignee: Hu'nan Nonferrous Metals Holding Group Co Ltd; Central South University
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: CN103290265A

Abstract

一种高流动性压铸锌合金及其制备方法，合金各组分及所占重量百分比为：Al4.51-6.0%，Mg0.01-0.08%，Cu0.5-0.7%,Li0.01%-0.02%，Ti0%-0.1%，B0%-0.02%，Pb、Cd、Fe、Sn等不可避免杂质元素总和小于0.02%，余量为Zn。其制备方法为：先将Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-720℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至650℃-680℃，加入Zn锭、Al-Mg、Al-Cu和Zn-Li中间合金，然后精炼，扒渣,加入B、Ti元素，搅拌、扒渣，降温至420℃-560℃，静置、扒渣、浇铸。本发明提供的压铸锌合金流动性比普通的压铸锌合金最高可提高70%以上，并有效的细化了压铸锌合金的晶粒尺寸，提高了合金的综合力学性能。

Description

一种高流动性的压铸锌合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高流动性的压铸锌合金及制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

锌是重要的有色金属原材料，目前锌在有色金属的消费中仅次于铜和铝。其具有良好的压延性、耐磨性和抗蚀性，能与多种金属制成物理与化学性能更加优良的合金。压铸锌合金和其他有色金属合金相比有明显的优势：材料价廉、熔点低、耗能少、具有良好的力学性能和耐磨耐蚀性能、减振降噪性能，具有极限抗拉强度、承载性好和熔化与压铸时不吸铁的特点。因此压铸锌合金正越来越广泛的应用于各个领域，并带来显著的经济效益。

较好的流动性是获得一个完整、尺寸精确表面光滑的压铸锌合金必需的条件。在实际的生产过程中常会因合金流动性不足而出现铸件表面有浇不足部位或者铸件轮廓不清，在解决这类问题时常采用的方法是提高浇注温度或者模具温度，但提高浇注温度会导致缩孔、缩松和氧化夹杂等缺陷。因此在不提高浇注温度的情况下提高压铸锌合金的流动性，能够有效提高压铸锌合金产品的良品率及提高其综合性能。东北大学的孝云祯等人在《Al-Ti-B晶粒细化合金中的有效形核相》中指出Al-Ti-B合金的Al₃Ti、TiB₂和AlB₂对铝合金中α-Al相有明显的细化作用；韶关冶炼厂的苏德煌在《锂对ZA27合金高温力学性能的影响》一文中指出添加适量的锂后，合金的组织明显细化，能显著提高合金的抗拉强度。国内外公开出版物中，至今尚未发现在压铸锌合金中添加Al-5Ti-B来改善合金流动性的报道。

发明内容

本发明的目的是提供了高流动性的压铸锌合金及其制备方法，该制备方法可以有效将合金晶粒尺寸从150μm细化至50μm左右，并且提高合金的综合力学性能，如硬度可以提高近20%，抗拉强度能提高19%，延伸率可以提高100%以及冲击韧性可以提高183%。此外，本发明通过调整合金的成分，细化合金晶粒，在制备时能在将合金的浇铸温度降低80-100℃的同时得到流动性较好及综合力学性能较优的压铸锌合金。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的。

一种高流动性的压铸锌合金，其各组分及所占重量百分比为：

Al4.51～6.0%；

Mg0.01-0.08%；

Cu0.5-0.7%；

Ti0.005%-0.075%；

B0.001%-0.025%；

Li0.01%-0.02%

Pb、Cd、Fe、Sn杂质元素总含量小于0.02%；余量为Zn。

上述的一种高流动性的压铸锌合金，所述锌合金的晶粒大小为45μm-150μm，布氏硬度为89HB-106HB，抗拉强度为185MPa-225MPa，延伸率为2.2%-4.5%，冲击韧性为6.2J/cm²-17.5J/cm²，螺旋线长度为170mm-350mm。

上述的一种高流动性的压铸锌合金较优的合金组分及各元素所占重量百分比为：

Al4.8-5.2%；

Ti0.025%-0.035%；

B0.005%-0.07%；

Mg0.01-0.03%；

Cu0.5-0.7%；

Li0.01%-0.02%

Pb、Cd、Fe、Sn杂质元素总含量小于0.02%；余量为Zn。

上述的一种高流动性的压铸锌合金，其特征在于所述锌合金的晶粒大小为45μm-55μm，布氏硬度为104HB-106HB，抗拉强度为220MPa-225MPa，延伸率为4.0%-4.5%，冲击韧性为16J/cm²-17.5J/cm²，螺旋线长度为340mm-350mm。

上述的一种高流动性的压铸锌合金的制备方法，包括下述步骤：

（1）先将Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-720℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至650℃-680℃，依次加入Zn锭、Al-Mg、Al-Cu和Zn-Li中间合金，精炼，扒渣，得到预合金熔液；

（2）在680℃-700℃，按步骤（1）中得到的预合金熔液重量的0.1-1.5%加入Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min；降温至420℃-560℃保温、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中（图1）。

本发明一种高流动性的压铸锌合金的制备方法中，较优的制备方案是步骤（2）中在680℃-700℃下，按步骤（1）中得到的预合金熔液重量的0.5-0.7%加入Al-5Ti-B中间合金，保温20-30min；降温至450℃-480℃保温、扒渣、浇铸。

本发明一种高流动性的压铸锌合金的制备方法中，所述Zn锭的纯度大于99.97%，向熔体中加入Al、Mg、Cu、Li的中间合金，控制预合金熔液中各元素的质量百分比为：Al4.5-6.0%，Mg0.02-0.08%，Cu0.7-1.1%，Li0.005%-0.01%，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02%，余量为Zn。

本发明一种高流动性的压铸锌合金的制备方法中，所述的B、Ti元素以Al-5Ti-B中间合金的形式加入，控制预合金溶液中Al-5Ti-B中间合金的质量百分比为：0.1-1.5%。

本发明一种高流动性的压铸锌合金的制备方法中流动性测试方法是，将合金按所述组分配比进行配料，然后按所述步骤进行制备，选定在不同的浇注温度区间范围将所得到合金溶液浇入如图1所示的阿基米德螺旋线的模具中，其中模具的预热温度为200℃。通过合金液体流动的长度来判定合金流动性能的好坏。

本发明的基本原理是：铝含量对压铸锌合金有着重要的作用，它可以改变初生相的种类、数量和晶间共晶体的数量，从而影响到合金的流动性能、力学性能和铸造缺陷。当铝含量在3-4%时，具有较好的力学性能，但合金凝固温度区间较大，不利于合金流动性。但有研究表明二元合金在共晶点附近具有较好的流动性能，因为此时合金在凝固过程中能集中释放大量的结晶潜热，有利于合金液体进一步流动。但当锌合金中铝含量在共晶点附近时，合金的抗拉强度较低，力学性能不理想。本发明的一种高流动性的压铸锌合金，选择较优合金组分中铝重量百分比在5.0～5.2%，该成分点是Zn-Al合金的二元共晶成分点，在凝固过程中可以集中释放大量的结晶潜热，因此合金的流动性能得到很大的改善。同时通过在锌合金中添加的Al-5Ti-B中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金和Zn-Li中间合金改善合金组织，提高力学性能。这是因为Al-5Ti-B中间合金含有Al₃Ti、TiB₂和AlB₂等粒子，对α-Al相有明显的细化作用，而α-Al相得到细化，在压铸锌合金凝固过程中又可反过来抑制初生的大块η-Zn相，从而达到了细化锌合金晶粒的目的；加入的Li也能够细化压铸锌合金的晶粒，减少大块枝晶的数量，提高合金的抗拉强度及其他的力学性能；Cu能部分的溶于α-Al相和η-Zn相，可以提高强度、硬度、耐磨性和耐蚀性；Mg能够提高强度和硬度，减小晶间腐蚀，但Mg能降低塑韧性，因此严格必须控制Mg的质量分数0.01%-0.08%以内。添加的这几种元素都能使压铸锌合金的晶粒尺寸减小，提高合金的综合力学性能，而不降低合金的流动性能。

本发明通过调整合金成分，细化合金晶粒大小等方法提高合金的流动性的同时提高合金的综合力学性能；本发明所述在压铸锌合金中直接添加工业中常用的Al-5Ti-B中间合金，该中间合金易于获得，无需特殊工艺制备合成，节省了成本，工艺简单，使用方法容易，不需要增加专用的辅助设备，使用过程便于工业操作；本发明提供的压铸锌合金流动性比普通的压铸锌合金最高可提高70%以上。

本发明的优点是：添加工业中常用的Al-5Ti-B中间合金和Zn-Li合金后，压铸锌合金的枝晶数量显著减少，晶粒明显的细化，晶粒尺寸从150μm细化至50μm左右；从而有效提高合金的综合力学性能，如硬度可以提高近20%，抗拉强度能提高19%，延伸率可以提高100%以及冲击韧性可以提高183%。此外，本发明通过调整合金的成分，细化合金晶粒，制备时能在将合金的浇铸温度降低80-100℃的同时得到流动性较好及综合力学性能较优的压铸锌合金，这样降低了压铸生产中的能耗，减少了产品的氧化夹渣物并且提高了产品质量。

附图说明

附图1：阿基米德螺旋线模具结构示意图

附图2是实施例1制备的压铸锌合金金像组织照片；

附图3是实施例2制备的压铸锌合金金像组织照片；

附图4是实施例3制备的压铸锌合金金像组织照片；

附图5是实施例4制备的压铸锌合金金像组织照片；

附图6是实施例5制备的压铸锌合金金像组织照片；

附图7是对比例1制备的压铸锌合金金像组织照片；

附图1中，1-挡渣口，2-浇冒口，3-直浇道，4-上模，5-下模，6-流道。

从附图2-6与附图7的对比可以看出，本发明制备的锌合金中大块枝晶得到了细化；如附图5和附图6所示，当Al-5Ti-B添加量小于0.6wt.%时，合金组织中存在少量的枝晶；如附图2所示，当Al-5Ti-B添加量为0.6wt.%时，合金为完全的共晶组织，且晶粒尺寸为45-55μm。如附图3和附图4所示，随着Al-5Ti-B添加量继续增大，出现了初生的α-Al相，并且晶粒尺寸开始变大。

具体实施方式

下面将参照附图，通过实施例对本发明进一步说明，而不会限制本发明，

本发明的实施例的成分如表1所示。

本发明实施例制备的合金的流动性是采用下述方法检测：

将相应实施例制备的合金溶液浇入附图1所示的阿基米德螺旋线的模具中，其中模具的预热温度为200℃。通过合金液体流动的长度来判定合金流动性能的好坏。

实施例1：

以纯度大于99.97%的纯Zn锭、纯度大于99.7%的纯铝锭、Al-11.07wt.%Mg中间合金、Al-37.4wt.%Cu中间合金、Zn-1wt.%Li中间合金及Al-5Ti-B中间合金为原料，先将Al锭放入熔炼炉中，升温至700℃-720℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至650℃-660℃，加入Zn锭、Al-Mg和Al-Cu中间合金，熔化后，得到预合金液，预合金液中各元素的质量百分比为：Al4.53%，Mg0.02%，Cu0.5%，Li0.02%，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02%，余量为Zn；用预合金液总重量0.3%的NH₄Cl精炼剂对预合金液进行精炼，扒渣；在680℃-700℃，加入配料总重量0.6%的Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min，在450℃-460℃、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中。图2所示为实施例1得到合金的金像组织，表2中分别列举其力学性能和流动性能。

实施例2：

以纯度大于99.97%的纯Zn锭、纯度大于99.7%的纯铝锭、Al-11.07wt.%Mg中间合金、Al-37.4wt.%Cu中间合金、Zn-1wt.%Li中间合金及Al-5Ti-B中间合金为原料，先将Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-700℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至670℃-680℃，加入Zn锭、Al-Mg和Al-Cu中间合金，熔化后，得到预合金液，预合金液中各元素的质量百分比为：Al4.51%，Mg0.04%，Cu0.6%，Li0.02%，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02%，余量为Zn；用预合金液总重量0.3%的NH₄Cl精炼剂对预合金液进行精炼，扒渣；在680℃-700℃，加入配料总重量1.5%的Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min，在470℃-480℃、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中。图3所示为实施例2得到合金的金像组织，表2中分别列举其力学性能和流动性能。

实施例3：

以纯度大于99.97%的纯Zn锭、纯度大于99.7%的纯铝锭、Al-11.07wt.%Mg中间合金、Al-37.4wt.%Cu中间合金、Zn-1wt.%Li中间合金及Al-5Ti-B中间合金为原料，先将Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-700℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至660℃-670℃，加入Zn锭、Al-Mg和Al-Cu中间合金，熔化后，得到预合金液，预合金液中各元素的质量百分比为：Al4.52%，Mg0.06%，Cu0.5%，Li0.01%，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02%，余量为Zn；用预合金液总重量0.3%的NH4Cl精炼剂对预合金液进行精炼，扒渣；在690℃-700℃，加入配料总重量0.9%的Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min，在420℃-430℃、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中。图4所示为实施例3得到合金的金像组织，表2中分别列举其力学性能和流动性能。

实施例4：

以纯度大于99.97%的纯Zn锭、纯度大于99.7%的纯铝锭、Al-11.07wt.%Mg中间合金、Al-37.4wt.%Cu中间合金、Zn-1wt.%Li中间合金及Al-5Ti-B中间合金为原料，先将Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-690℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至670℃-680℃，加入Zn锭、Al-Mg和Al-Cu中间合金，熔化后，得到预合金液，预合金液中各元素的质量百分比为：Al4.55%，Mg0.05%，Cu0.6%，Li0.01%，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02%，余量为Zn；用预合金液总重量0.3%的NH₄Cl精炼剂对预合金液进行精炼，扒渣；在680℃-690℃，加入配料总重量0.3%的Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min，在480℃-500℃、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中。图5所示为实施例4得到合金的金像组织，表2中分别列举其力学性能和流动性能。

实施例5：

以纯度大于99.97%的纯Zn锭、纯度大于99.7%的纯铝锭、Al-11.07wt.%Mg中间合金、Al-37.4wt.%Cu中间合金、Zn-1wt.%Li中间合金及Al-5Ti-B中间合金为原料，先将Al锭放入熔炼炉中，升温至690℃-710℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至650℃-680℃，加入Zn锭、Al-Mg和Al-Cu中间合金，熔化后，得到预合金液，预合金液中各元素的质量百分比为：Al4.56%，Mg0.07%，Cu0.6%，Li0.02%，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02%，余量为Zn；用预合金液总重量0.3%的NH₄Cl精炼剂对预合金液进行精炼，扒渣；在690℃-700℃，加入配料总重量0.1%的Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min，在540℃-560℃、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中。图6所示为实施例5得到合金的金像组织，表2中分别列举其力学性能和流动性能。

对比例1：

以纯度大于99.97%的纯Zn锭、纯度大于99.7%的纯铝锭、Al-11.07wt.%Mg中间合金、Al-37.4wt.%Cu中间合金及Zn-1wt.%Li中间合金为原料，先将Al锭放入熔炼炉中，升温至690℃-710℃,待出现部分铝液后,加入覆盖剂，待Al锭全部熔化后降温至650℃-680℃，加入Zn锭、Al-Mg和Al-Cu中间合金，用配料总重量0.3%的NH₄Cl精炼剂对合金液进行精炼，扒渣，保温20-30min，在450℃-480℃、扒渣、浇入温度为200℃的金属型螺旋线模具中。图7所示为对比例1得到合金的金像组织，表2中分别列举其力学性能和流动性能。

从表2的数据可以看出：实施例1中Al-5Ti-B中间合金的加入量为1.0wt.%，合金的流动性能最好，且具有较优的综合力学性能。相比于对比例，合金的流动性提高了73%，硬度可以提高近20%，抗拉强度能提高19%，延伸率可以提高100%以及冲击韧性可以提高183%。相比于同样具有较好流动性的实施例2，降低了浇注的温度，同时提高了抗拉强度、延伸率和冲击韧性。实施例5中的浇注温度过高，在浇注过程中容易形成氧化夹杂物等，使液体的流动性能降低。综合表2的数据可以看出，通过调整合金的成分，浇注温度以及通过细化晶粒，改善了压铸锌合金的流动性能和综合力学性能。

表1本发明高流动性能压铸合金的主要化学成分（wt.%）

合金元素	Al	Mg	Cu	Li	Ti	B	Zn
								实施例1	5.08	0.02	0.5	0.02	0.03	0.006	余量
实施例2	5.96	0.04	0.6	0.02	0.075	0.015	余量
								实施例3	5.38	0.06	0.5	0.01	0.045	0.009	余量
实施例4	4.83	0.05	0.6	0.01	0.015	0.003	余量
								实施例5	4.62	0.07	0.6	0.02	0.005	0.001	余量
对比例1	4.51	0.08	0.7	0.02	0	0	余量

表2实施例及比较例的性能评价表

Claims

1.一种高流动性的压铸锌合金，其特征在于，其各组分及所占重量百分比为：

Al 4.8-5.2％；

Mg 0.01-0.03％；

Cu 0.5-0.7％；

Ti 0.025％-0.035％；

B 0.005％-0.07％；

Li 0.01％-0.02％；

Pb、Cd、Fe、Sn杂质元素总含量小于0.02％；余量为Zn；

所述锌合金的晶粒大小为45μm-55μm，布氏硬度为104HB-106HB，抗拉强度为220MPa-225MPa，延伸率为4.0％-4.5％，冲击韧性为16J/cm²-17.5J/cm²。

2.一种制备如权利要求1所述的高流动性的压铸锌合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：先将Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-720℃，待Al锭全部熔化后降温至650℃-680℃，依次加入Zn锭、Al-Mg、Al-Cu和Zn-Li中间合金，精炼，扒渣，得到预合金熔液；控制预合金熔液中各元素的质量百分比为：Al 2.5-6.0％，Mg 0.02-0.08％，Cu 0.7-1.1％，Li 0.005％-0.01％，Pb、Cd、Fe、Sn不可避免杂质元素总含量小于0.02％，余量为Zn；

第二步：在680℃-700℃，按第一步得到的预合金熔液重量的0.1-1.5％加入Al-5Ti-B中间合金，搅拌均匀、保温20-30min后降温至420℃-560℃保温、扒渣、浇入温度为200℃的金属模具中。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第一步中，Al锭放入熔炼炉中，升温至680℃-720℃，待出现部分铝液后，加入覆盖剂。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属模具为螺旋线型模具。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第二步中在680℃-700℃下，按第一步得到的预合金熔液重量的0.5-0.7％加入Al-5Ti-B保温20-30min后，降温至450℃-480℃保温、扒渣、浇铸。

6.根据权利要求5所述的制备方法中，其特征在于压铸锌合金中的Al含量由Al锭和Al-5Ti-B、Al-Mg和Al-Cu中间合金共同组成。