CN103290266A - 高铝锌合金及其制造方法和热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金，其成分包括：AL：31-33%，Cu：2-3%，Mg：0.015-0.025%，余量为Zn。此外，本发明还进一步公开了该合金的制造方法和热处理方法。本发明的高铝锌合金，与现有技术中的常用合金相比，抗拉强度达到500MPa以上，.延伸率20%以上，硬度HB150kgf/mm以上，显著提高了合金的综合性能。该高强度、高韧性的高铝锌合金能够应用于蜗轮、螺母、导轨板、轴瓦、轴套等相应领域。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，具体来说，本发明涉及一种作为耐磨材料的含有铝的锌合金，同时也涉及了该合金的制造方法和热处理方法。
背景技术
作为减磨材料，高铝锌合金逐渐替代价格昂贵的Sn和Pb合金，以及随后随着铜资源的匮乏而逐步替代了锡青铜，高铝锌合金因具有良好的力学性能、优良的铸造工艺性能、较低的原材料成本和熔化能耗低、对环境无污染以及工艺简单而相比先前的减磨材料（ZQSn6-6-3，ZQSn10-1合金）引起人们更多关注。其中，加拿大的科学家先后研制出ZA12、ZA27和ZA8的锌铝合金，从而形成了现在的“ZA”系列高铝锌合金。
然而，经过多年的发展，“ZA”系列高铝锌合金的各项性能指标参见表1，其中，锌铝合金强度最高在400-450MPa，且延伸率低、韧性差，只能用于制造轴瓦轴套之类的减磨材料产品，而对于制造蜗轮、螺母，其强度、硬度、韧性均显不足。特别是杨璀珍等《材料热处理技术》第37卷第12期中提及的ZA30合金，它的性能指标也基本上与ZA27等同。
表1高铝锌合金和锡青铜的机械性能
| 性能 | 单位 | ZA27 | ZA12 | ZA8 | ZcuSn6 |
| 抗拉强度 | Mpa | 390～426 | 310～404 | 221～275 | 175～200 |
| 屈服强度 | MPa | 365～390 | 260～320 | 207 | 105～110 |
| 布氏硬度 | kgf/mm | 105～120 | 90～100 | 85～100 | 65～72 |
| 延伸率 | % | 8～11 | 1～5 | 1～3 | 8～10 |
| 切变强度 | MPa | 325 | 296 | 275 | 215 |
| 压缩屈服强度 | MPa | 385 | 269 | 252 | 137.9 |
| 冲击韧性 | J | 13 | 29 | 42 | 19 |
| 疲劳强度 | MPa | 145 | 105 | / | 110 |
| 比重 | g/cm | 25.0 | 6.01 | 6.03 | 8.82 |
综合以上可以看出，“ZA”系列高铝锌合金的抗拉强度最高不超过450MPa，尽管该抗拉强度的高铝锌合金能够满足一些抗拉强度要求不高的场合，例如轴瓦、轴套等，但是，对于一些对强度要求更高的场合来说，这些“ZA”系列高铝合金已经不能满足实际的需求，为此，提供一种能够满足蜗轮、螺母、导轨板等高强度场合需求的高铝锌合金就非常必要，因此，解决该合金强度、硬度、韧性的不足是非常迫切的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人经多年的研究、通过对高铝锌合金的配比，高铝锌合金的制造工艺和热处理工艺等条件的摸索，终于使得该高铝锌合金的抗拉强度最高可达591.7MPa，延伸率可达29.7%，硬度可达HB172，显著超出了现有技术中的几类合金。
本发明采用的技术方案如下：
一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金，其成分包括：AL：31-33（重量）%，Cu：2-3（重量）%，Mg：0.015-0.025（重量）%，余量为Zn。
进一步地，所述合金的抗拉强度为500MPa以上，延伸率20%以上，硬度HB150kgf/mm以上。
一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金的制造方法，包括以下步骤：
将石墨坩埚加热至400-500℃，将高纯锌锭加入石墨坩埚中，等高纯锌锭熔化后，按合金配比加入高纯铝锭，将炉温加热到600-700℃，待高纯铝锭熔化后，按合金配比加入AlCu50中间合金，待全部熔化后，按合金配比将高纯镁锭用铝箔包好后，用钟罩压入合金液中，熔化后取出钟罩，经搅拌后加入硼盐变质即可浇锭得到上述成分的高铝锌合金。
进一步地，在搅拌前进行静化，静化时间15-30分钟。
进一步地，高纯是指各原料锭的纯度为99.99%以上。
进一步地，所述硼盐为氟硼酸钾或者氟硼酸钾与氟钛酸钾按1：1配比加热400℃左右2小时得到。
其中，在浇锭得到高铝锌合金后，对高铝锌合金进行热处理，热处理温度355-375℃之间，保温时间3-5小时，水淬并于80-100℃时效0.5-2小时。
一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金的热处理方法，包括将浇铸后得到的高铝锌合金在355-375℃之间进行热处理，保温时间3-5小时，水淬并于80-100℃时效0.5-2小时。
一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金的用途，其用于制造蜗轮、螺母、导轨板、轴瓦、轴套等。
其中抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金的成分包括：AL：31-33（重量）%，Cu：2-3（重量）%，Mg：0.015-0.025（重量）%，余量为Zn。该合金通过上述制造方法制造而成，且该合金的抗拉强度为500MPa以上，.延伸率20%以上，硬度HB150kgf/mm以上。优选地，抗拉强度为591.7MPa，延伸率29.7%，硬度HB172kgf/mm以上。
与现有技术中的最接近的ZA30合金相比，本发明通过特定的制造工艺和热处理工艺，使得获得的高铝锌合金的抗拉强度达到500MPa以上，.延伸率20%以上，硬度HB150kgf/mm以上。该高强度、高韧性的高铝锌合金能够应用于蜗轮、螺母、导轨板、轴瓦、轴套等相应领域。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的高铝锌合金浇铸后得到的合金铸态的组织形貌图；
图2是本发明一实施方式的高铝锌合金热处理后的组织形貌图。
其中该组织由浇铸的高铝锌合金在360℃时进行热处理，保温时间5小时，水淬并于90℃时效1.5小时后得到。
具体实施方式
以下对本发明的抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金及其制备方法进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
制备实施例
首先，本发明制备的高铝锌合金的合金成分如表2所示
表2
| 编号 | Al(wt%) | Cu(wt%) | Mg(wt%) | Zn(wt%) |
| ZA-TI600a | 32% | 2% | 0.018% | 余量 |
| ZA-TI600b | 33% | 3% | 0.025% | 余量 |
制备方法实施例
实施例1
按照表2中ZA-TI600a合金的合金成分，准备高纯（99.99%）的铝锭，高纯（99.99%）锌锭，高纯（99.99%）镁锭，并预先制备AlCu50中间合金，中间合金AlCu50通过50（重量）%高纯铝和50（重量）%电解铜在石墨坩埚中进行熔炼合成。然后将石墨坩埚加热至500℃，将高纯锌锭加入石墨坩埚中，等高纯锌锭熔化后，按合金配比加入高纯铝锭，将炉温加热到650℃，待高纯铝锭熔化后，按ZA-TI600a的合金配比加入AlCu50中间合金，待全部熔化后，按合金配比将高纯镁锭用铝箔包好后，用钟罩压入合金液中，熔化后取出钟罩，经搅拌后加入硼盐，硼盐为氟硼酸钾与氟钛酸钾按1：1配比400℃左右加热2小时得到，变质后即可浇锭得到上述高铝锌合金。其金相组织见图1。从图中可以看出，该合金铸态组织主要由初生α（Al）枝晶，枝晶边缘α（Al）+η（Zn）共析体，晶界处由β(ZnAl)+η(Zn)+ε(CuZn4)三元共晶体构成。由图1中可见，枝晶中心为白色的α相，枝晶边缘为灰色的（α+η）共析体，晶界处为黑色的（β+η+ε）三元共晶体，黑色共晶体点缀有白色ε相。
在ZA-TI600a的合金制备完成后，可后续或者直接对该合金进行热处理，热处理工艺包括：将浇铸后得到的高铝锌合金或者将得到的高铝锌合金在360℃时进行热处理，保温时间5小时，水淬并于90℃时效1.5小时，完成成品合金。其金相组织见图2。从图2可以看出，该合金组织的基体主要由（α+η）共析体组成，初生相α被共析体（α+η）包围，组织趋于均匀细化，并且有黑色和白色粒状物析出。
实施例2
按照表2中ZA-TI600b合金的合金成分，准备高纯（99.99%）的铝锭，高纯（99.99%）锌锭，高纯（99.99%）镁锭，并预先制备AlCu50中间合金，中间合金AlCu50通过50（重量）%高纯铝和50（重量）%电解铜在石墨坩埚中进行熔炼合成。然后将石墨坩埚加热至450℃，将高纯锌锭加入石墨坩埚中，等高纯锌锭熔化后，按合金配比加入高纯铝锭，将炉温加热到700℃，待高纯铝锭熔化后，按ZA-TI600b的合金配比加入AlCu50中间合金，待全部熔化后，按合金配比将高纯镁锭用铝箔包好后，用钟罩压入合金液中，熔化后取出钟罩，经搅拌后加入硼盐氟硼酸钾变质后即可浇锭得到上述高铝锌合金。
在ZA-TI600b的合金制备完成后，可后续或者直接对该合金进行热处理，热处理工艺包括：将浇铸后得到的高铝锌合金或者将得到的高铝锌合金在375℃时进行热处理，保温时间3小时，水淬并于100℃时效1小时，完成成品合金。
性能分析
对上述制备得到的ZA-TI600a、ZA-TI600b（两合金送检标号高铝锌基ZA6005合金）合金进行力学性能检测，检测由机械工业产品质量监督检测中心（沈阳）完成，检测得到的力学性能如表3
表3高铝锌合金及对照合金的力学性能
根据表3可以看出，经过上述制备方法获得ZA-TI600a、ZA-TI600b的抗拉强度达到480MPa以上，远远超过了现有技术中的几种减磨合金的相应值；其延伸率达到29.7%，显著地优于现有技术中的合金，且硬度也在HB150以上。结合图1和图2的合金组织来看，图1是ZAT600合金在热处理后合金组织主要由初生α（Al）枝晶，枝晶边缘α（Al）+η（Zn）共析体，晶界处由β(ZnAl)+η(Zn)+ε(CuZn4)三元共晶体。由图1（a）中可见，枝晶中心为白色的α相，枝晶边缘为灰色的（α+η）共析体，晶界处为黑色的（β+η+ε）三元共晶体，基本主要由（α+η）共析体组成，初生相α被共析体（α+η）包围。随着时效时间的延长，组织趋于均匀细化，并且有黑色和白色粒状物析出。从图2中研究发现在室温下α相和β相中均可溶解少量的Cu，适量的（2.0%-2.5%）富铜相弥散地分布于合金的组织中,可以有效地阻碍位错的移动,因而提高强度。时效过程中从η相（Zn）中析出的白色物质主要为ε（CuZn4）相。ε相是合金组织中的硬脆相，随着时效时间的延长，越来越多的ε相（CuZn4）从η相（Zn）中析出。进一步细化合金组织，使合金的抗拉强度和延伸率同时提高。
本发明的高铝锌合金，通过对配比，制备工艺和热处理工艺的摸索，使得经过该制备工艺和/或热处理工艺得到的合金的综合性能大大超过现有技术中合金所能达到的综合性能指标，具有十分广泛的应用前景，例如可用于蜗轮、螺母、导轨板、轴瓦、轴套等相应领域。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金，其成分包括：AL：31-33（重量）%，Cu：2-3（重量）%，Mg：0.015-0.025（重量）%，余量为Zn。
2.如权利要求1所述的高铝锌合金，其中，所述合金的抗拉强度为500MPa以上，延伸率20%以上，硬度HB150kgf/mm以上。
3.一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金的制造方法，包括以下步骤：
将石墨坩埚加热至400-500℃，将高纯锌锭加入石墨坩埚中，等高纯锌锭熔化后，按合金配比加入高纯铝锭，将炉温加热到600-700℃，待高纯铝锭熔化后，按合金配比加入AlCu50中间合金，待全部熔化后，按合金配比将高纯镁锭用铝箔包好后，用钟罩压入合金液中，熔化后取出钟罩，经搅拌后加入硼盐变质即可浇锭得到高铝锌合金，其成分包括：AL：31-33（重量）%，Cu：2-3（重量）%，Mg：0.015-0.025（重量）%，余量为Zn。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在搅拌前进行静化，静化时间15-30分钟。
5.如权利要求4所述的方法，其中，高纯是指各原料锭的纯度为99.99%以上。
6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其中，所述硼盐为氟硼酸钾或者氟硼酸钾与氟钛酸钾按1：1配比在400℃左右加热2小时得到。
7.如权利要求3-5任一项所述的方法，其中，在浇锭得到高铝锌合金后，对高铝锌合金进行热处理，热处理温度355-375℃之间，保温时间3-5小时，水淬并于80-100℃时效0.5-2小时。
8.一种抗拉强度480Mpa以上的高铝锌合金的热处理方法，包括将浇铸后得到的高铝锌合金在355-375℃之间进行热处理，保温时间3-5小时，水淬并于80-100℃时效0.5-2小时，所述合金成分包括：AL：31-33（重量）%，
Cu：2-3（重量）%，Mg：0.015-0.025（重量）%，余量为Zn。
9.一种权利要求1所述的高铝锌合金的用途，其用于制造蜗轮、螺母、导轨板、轴瓦、轴套等。
10.如权利要求9所述的高铝锌合金的用途，其中，所述合金通过权利要求3-7任意的制造方法制造而成，且该合金的抗拉强度为500MPa以上，延伸率20%以上，硬度HB150kgf/mm以上。
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