CN103320651B - 一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺。其特征在于:所述模具用细晶粒锌基合金由基体合金、中间合金、变质剂和精练剂组成,其配比为:Al:12.5~16.5%,Cu:8~12.5%,Mg:0.01~0.05%,Ti:0.10~0.25%,B:0.01~0.03%,Zr:0.3~0.7%,Si:1~3%,Mn:0.4~0.8%,Re:0.2~0.8%,ZnCl2:0.4~0.5%,其余为Zn;Re成分质量配比为:Ce:45~55%,La:10~20%,Y:7~15%,Gd:4~10%。其制造工艺流程为:在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内将合金熔化,通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金,待温度冷到550℃浇铸,水冷或空冷。与现有技术相比,本发明一种模具用细晶粒锌基合金机械性能常温下σb达492.6MPa,δs达1.42%,HBR为168;即使在200℃高温下,σb也达216MPa,δs达26%,完全符合一般注塑模具在200℃的条件下120~150MPa的力学性能要求。

Description

一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料技术领域,涉及一种模具用细晶粒锌基合金,特别是一种模具用细晶粒锌基合金制备工艺。
背景技术
[0002]以锌为基体的锌、铝、铜三元合金,加微量镁称锌基合金,用这种材料制造的模具称锌基合金模具。由于锌基合金流动性好,制模迅速;模型上的精细纹路可直接复映成形,节省了大量的机加工工作量;锌基合金模具的机械加工效率高,表面精整性能好,加工工时仅为钢铁的1/2 ;同模具钢材料相比,锌基合金的制模周期可以缩短30% -40% ;锌基合金模具的成本一般要比同类钢模具降低30% -40% ;锌基合金熔化温度在500°C以下,熔化和浇注容易控制,可采用多种方法制模,精密铸造、挤压铸造和切削加工均可成形;锌基合金具有一定的强度、硬度和耐磨性,耐腐蚀性,工作稳定可靠,缩短开模周期。由于锌基合金材料制造过程消耗能量少,节省能源,因此在仪器、电子通讯、五金、塑料等许多行业中,应用锌基合金制作冲压模具、塑料模具、熔模精密铸造压型等多类模具,在生产中发挥了重要作用。
[0003] 传统锌基合金的成分在共晶点附近,有利于合金的流动性和复映性,但是该成分决定了力学性能不可能很高,强度比钢模低得多,在较大的冲裁力或型腔注射压力和锁模力作用下容易损坏;合金的硬度和耐磨性较差,模具的使用寿命短,只能达到上千件的生产数量。
[0004] 模具精度是锌合金模具面临的主要问题之一。锌合金模具材料的凝固收缩率高达1.0% -1.2%,而且收缩率变化不稳定。由精密铸造得到的锌合金模具,尺寸精度受到凝固时收缩和局部收缩受阻变形的影响,其变化与铸件的形状和铸造条件密切相关,很难掌握其规律并加以控制。锌合金的强度和耐热性随含铝量的增加而提高,且收缩增大,含铝量大于10%时,易产生缩孔。
[0005] 锌合金熔点低,在200°C以上工作时,强度、硬度降低,在大的冲裁力或高的注射压力作用下,模具型腔容易产生热变形,影响制件的精度,而且磨损量加大,模具的使用寿命降低,因此,锌合金模具一般工作温度都控制在150°C以下,比较适合用来制作低温冲压模具或注射温度低的热塑性塑料模具,在注射温度高的热固性塑料或橡胶时就受到限制。直接铸造得到的模具在使用过程中,产生体积收缩,造成尺寸不稳定,影响模具和产品的尺寸精度。
[0006]为提高锌基合金的使用性能,改善工艺性能,国内外的同行曾做了许多有价值的工作。在锌基合金中添加晶粒细化剂,可提高其塑性和韧性;少量的锑可改变锌基合金的铸造性能,还可细化合金的晶粒,增加其耐磨性,但锑有加速该合金晶间腐蚀的倾向。
[0007] 锌基合金的力学性能与其化学成分、内部组织结构和表面组织结构等因素有关,但主要受化学成分和内部组织结构控制。组织结构是其力学性能的内部根据,力学性能是内部组织结构的外部表现。锌基合金的组织通常是由几个组成相所组成的复合体,其中一个是基体相,其体积分数占多数,在合金的性能上起支配作用。合金的化学成分是其组织结构的主要决定因数。晶粒的大小对合金的性能也有很大的影响,通常情况下,晶粒越细小,合金的强度和硬度就越高,塑性和韧性也越好。因此,优化模具用锌基合金的化学成分、内部组织结构以便提高模具用锌基合金性能,成为发展模具用锌基合金的关键。
发明内容
[0008] 本发明的目的是避免上述现有技术中的不足,开发一种具有较好的耐磨、耐蚀性能和良好的尺寸稳定性,同时又有良好的铸造和切削加工性能的模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺。
[0009] 为实现上述目的,本发明可以通过中间合金化学成分的设计和成形技术的方案设计来实现:
[0010] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金由基体合金、中间合金、变质剂和精炼剂组成。其成分质量配比为:A1:12.5〜16.5%,Cu:8〜12.5%,Mg:0.01〜0.05%,T1:0.10 〜0.25%,B:0.01 〜0.03%,Zr:0.3 〜0.7%,Si:1 〜3%,Mn:0.4 〜0.8%,Re变质剂:0.2〜0.8%,ZnCl2精炼剂:0.4〜0.5%,其余为Zn ;Re变质剂成分质量配比为:Ce:45 〜55%, La:10 〜20%, Y:7 〜15%, Gd:4 〜10%。
[0011] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺,其制造工艺步骤是:
[0012] I)材料采用工业锌锭、工业铝锭、工业镁锭、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,ZnCl2工业精炼剂,Re变质剂;
[0013] 2)铜铝中间合金的制备:在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内先将铝熔化后,再将铜浸入铝液,在780〜80(TC条件下,将铝、铜完全熔化后,加入0.4%〜0.5% ZnCl2精炼,静置、扒渣,制备成含Cu50%铜铝中间合金;
[0014] 3)将熔炼坩埚预热到450〜500°C,加入所需质量的Zn熔化后,按照所需质量依次加入铜铝中间合金、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,升温到700°C待中间合金全部熔化后,再加入所需质量的Al ;
[0015] 4)用铝箔包裹所需质量的Mg,将其压入合金溶液底部,待Al、Mg完全熔化后加入所需质量的B、Ti ;待匕11完全熔化后,加入用铝箔包裹的所需质量Re变质剂,压入合金溶液底部熔化;
[0016] 5)待加入的Re变质剂完全溶化后,温度降到550〜600°C时,加入0.4% ZnCl2精炼剂,静置、扒渣;
[0017] 6)将熔炼好的锌合金倒入浇铸包内,通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金,电磁搅拌功率为15〜25KW,冷却速率为7〜13°C /min,搅拌时间为15〜25min,使其成分均匀化;
[0018] 7)待温度冷到500°C左右进行浇铸,将所制备半固态锌基合金直接浇铸到金属型或砂型中铸造成锌合金锭或锌合金零部件,冷却方式为水冷或空冷。
[0019] 本发明所提供的模具用细晶粒锌基合金化学成分配制依据为:
[0020] 铝是锌基合金中的主要添加元素,锌在铝中的固溶体a相是强度、硬度较高的相,随着含铝量的增加,固溶体数量增加,固溶强化效果增强,同时由于固溶体数量增多,锌基合金的耐热性能提高。同时锌在a固溶体中的溶解度随着温度的降低而减少,这样就使锌在铸件凝固过程中过饱和地溶解于a固溶体中,起到了固溶强化的作用。随着温度的下降,锌在铝中的溶解度下降,到达一定温度时就会产生共析反应,这将对模具锌基合金的性能产生很大的影响。
[0021] 铜是锌铝合金中的主要强化元素之一,可防止晶间腐蚀。当铝含量适当时,随铜含量增加,模具锌基合金的收缩率有规律地下降,硬度和强度都提高,表现出很好的综合性能。当铜含量较高时,会在合金中形成富铜的化合物相。但由于铜能阻碍锌铝合金的共析转变,使铸件冷却过程中共析转变难以充分进行,从而过量的铜可引起随后过程中铸件尺寸的不稳定。因此,控制和选择合适的含铜量是非常重要的。
[0022] 镁主要是细化晶粒,镁在锌铝合金中的固溶度不大,室温下镁的固溶度仅为0.005%,但即使这么微量的镁也能起到固溶强化、提高强度和硬度的作用。同时镁还能防止晶间腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变。锌铝合金的镁含量很低,过高的镁含量不但会降低合金的塑性和蠕变强度,还会增加合金的热裂和冷脆敏感性。
[0023] 锌基合金中加入适量的稀土可以细化晶粒,净化晶界,削弱杂质的危害,提高机械性能。同时,可降低收缩率,尤其是可以抑制着结晶过程中低密度富铝相的上浮所造成的成分偏析和“底缩”的发生。在时效过程中,阻碍原子扩散,阻止新相析出,防止老化。
[0024] 锌基合金中加入适量的锆可以细化晶粒,降低收缩率,提高收缩率的稳定性。同时可大幅度提高其塑性和韧性。
[0025] 硼是ZA合金很有效的孕育剂,能够显著提高合金的综合机械性能,然而过多的B将会在铸造锌铝合金的铸态组织中产生偏析,从而失去细化组织的作用。Ti对ZA合金的强度及塑性综合性能的提高效果明显。B-Ti复合处理比单独使用B或Ti效果重好。通过加入合金元素S1、Mn可以提高ZA合金耐磨性。因此,控制和选择合适的含B、T1、S1、Mn量是十分重要的。
[0026] 半固态成形方法打破了传统的枝晶凝固模式,开辟了强制均匀凝固的先河,与以往的金属成型方法相比,半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。
[0027] 半固态金属加工利用金属从固态向液态、或从液态向固态转变过程中的半固态温度区问实现金属的成形加工。半固态金属加工与常规的金属成形工艺相比,具有许多优点,而且应用范围广泛。凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。并且半固态金属加工可结合多种现有的加工工艺,如铸造、挤压、锻压以及铸轧。
[0028] 与液态金属成形工艺,如与铸造相比,半固态金属加工具有:冲型平稳,无瑞流和喷溅,因而铸件内部组织致密,内部气孔、偏析等缺陷少;制品组织具有非枝晶结构,同时组织致密,制品的力学性能高,能接近或达到锻压件的性能;油于金属坯料已部分凝固,因而凝固收缩小,成形零件尺寸精度高,表面平整光洁,能实现近终成形,因此半固态成形的零件机械加工量小,可做到少或无切削加工;成形温度低,半固态合金成时,已经释放了部分结晶潜热,因而减轻了对模具的热冲击,使模具寿命大幅度提高;遥疑固时问缩短,能缩短广品的生广周期,有利于提闻生广效率。
[0029] 与固态金属成形工艺,如与锻压相比,半固态金属加工具有:半固态金属具有很好的触变性,在一定的压力下具有很好的流动性,因而可成形更为复杂的零件,并且成形速度也能提高;成形力显著降低,因此对成形机械及模具的要求有所降低。
[0030]目前,电磁搅拌法是制备半固态锌基合金坯料最成功的方法。电磁搅拌技术应用于半固态金属浆料或坯料的制备,利用电磁感应力使金属熔体激烈流动,获得球状初生固相的半固态金属浆料,可以改善氧化物、硫化物的分布,削弱柱状晶并细化晶粒,提高铸锭的内外质量。
[0031] 有益效果
[0032] 与现有技术相比,本发明具有如下优点:本发明一种模具用细晶粒锌基合金机械性能常温下σ b达到492.6MPa,δ s达1.42%,HBR为168 ;即使在200°C高温下,其σ b也可达到216MPa,δ s达26 %,完全符合一般注塑模具在200°C的条件下120〜150MPa的力学性能要求,同时还满足了对材料强度和硬度要求较高的冲压模、拉延模等模具材料的要求。本发明锌合金模具材料可以用于热固性和热塑性塑料制品的生产,比普通的锌合金也有更高的使用寿命。
具体实施方式
[0033] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。
[0034] 实施例一
[0035] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金由基体合金、中间合金、变质剂和精炼剂组成。其成分质量配比为:A1:12%, Cu:8%, Mg:0.01%, Zr:0.4%, T1:0.10%, B:0.01%, Si:1%, Mn:0.4%, Re 变质剂:0.2%, ZnCl2 精炼剂:0.4%,其余为 Zn ;Re 变质剂成分质量配比为:Ce:45%, La:10%, Y:7%, Gd:4%0
[0036] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺,其制造工艺步骤是:
[0037] I)材料采用工业锌锭、工业铝锭、工业镁锭、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,ZnCl2工业精炼剂,变质剂;
[0038] 2)铜铝中间合金的制备:在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内先将铝熔化后,再将铜浸入铝液,在780〜80(TC条件下,将铝、铜完全熔化后,加入0.4% ZnCl2精炼,静置、扒渣,制备成含Cu50%铜铝中间合金;
[0039] 3)将熔炼坩埚预热到450〜500°C,加入所需质量的Zn熔化后,按照所需质量依次加入铜铝中间合金、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,升温到700°C待中间合金全部熔化后,再加入所需质量的Al ;
[0040] 4)用铝箔包裹住所需质量Mg压入合金溶液底部,待Al、Mg完全熔化后加入所需质量的B、Ti ^#B、Ti完全熔化后,加入用铝箔包裹住所需质量Re变质剂,压入合金溶液底部熔化;
[0041] 5)待加入的Re变质剂完全溶化后,温度降到550〜600°C时,加入0.4% ZnCl2精炼剂,静置、扒渣;
[0042] 6)将熔炼好的锌合金倒入浇铸包内,通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金,电磁搅拌功率为15KW,冷却速率为9°C /min,搅拌时间为18min,使其成分均匀化;
[0043] 7)造成锌合金锭或锌合金零部件,冷却方式为水冷。
[0044] 实施例二
[0045] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金由基体合金、中间合金、变质剂和精练剂组成。其成分质量配比为:A1:15%, Cu:9.5%, Mg:0.02%, Zr:0.45%, T1:0.12%,B:0.01%, Si:1%, Mn:0.5%, Re 变质剂:0.3%, ZnCl2 精炼剂:0.4%,其余为 Zn ;Re 变质剂成分质量配比为:Ce:48%, La:13%, Y:9%, Gd:5%0
[0046] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺,其制造工艺步骤是:
[0047] I)材料采用工业锌锭、工业铝锭、工业镁锭、铝锆中间合金、铝硅中间合金,ZnCl2工业精炼剂,变质剂;
[0048] 2)铜铝中间合金的制备:在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内先将铝熔化后,再将铜浸入铝液,在780〜80(TC条件下,将铝、铜完全熔化后,加入0.4% ZnCl2精炼,静置、扒渣,制备成含Cu50%铜铝中间合金;
[0049] 3)将熔炼坩埚预热到450〜500°C,加入所需质量的Zn熔化后,按照所需质量依次加入铜铝中间合金、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,升温到700°C待中间合金全部熔化后,再加入所需质量的Al ;
[0050] 4)用铝箔包裹所需质量的Mg,将其压入合金溶液底部,待Al、Mg完全熔化后加入所需质量的B、Ti ;待匕11完全熔化后,加入用铝箔包裹的所需质量Re变质剂,压入合金溶液底部熔化;
[0051] 5)待加入的Re变质剂完全溶化后,温度降到550〜600°C时,加入0.4% ZnCl2精炼剂。静置、扒渣;
[0052] 6)将熔炼好的锌合金倒入浇铸包内,通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金,电磁搅拌功率为21KW,冷却速率为12°C /min,搅拌时间为21min,使其成分均匀化;
[0053] 7)待温度冷到500°C左右进行浇铸,将所制备半固态锌合金直接浇铸到金属型或砂型中铸造成锌合金锭或锌合金零部件,冷却方式为空冷。
[0054] 实施例三
[0055] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金由基体合金、中间合金、变质剂和精炼剂组成。其成分质量配比为:A1:16%, Cu:12%,Mg:0.04%, Ti:0.2%,B:0.025%,Si:3%,Mn:0.8%,Re变质剂:0.8%, ZnCl2精炼剂:0.5%,其余为Zn ;Re变质剂成分质量配比为:Ce:55%, La:20%, Y:15%, Gd: 10% ο
[0056] 本发明所提供的一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺,其制造工艺步骤是:
[0057] I)材料采用工业锌锭、工业铝锭、工业镁锭、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,ZnCl2工业精炼剂,变质剂;
[0058] 2)铜铝中间合金的制备:在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内先将铝熔化后,再将铜浸入铝液,在780〜80(TC条件下,将铝、铜完全熔化后,加入0.5% ZnCl2精炼,静置、扒渣,制备成含Cu50%铜铝中间合金;
[0059] 3)将熔炼坩埚预热到450〜500°C,加入所需质量的Zn熔化后,按照所需质量依次加入全部中间合金,熔化后,再加入所需质量的Al ;
[0060] 4)待到700°C全部熔化后,用铝箔包住Mg压入合金溶液底部,待Al、Mg完全熔化后加入所需质量的B、Ti ;待匕11完全熔化后,加入用铝箔包的住所需质量Re变质剂,压入合金溶液底部熔化;
[0061] 5)待加入的Re变质剂完全溶化后,温度降到550〜600°C时,加入0.5% ZnCl2精炼剂。静置、扒渣;
[0062] 6)将熔炼好的锌合金倒入浇铸包内,通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金,电磁搅拌功率为23KW,冷却速率为13°C /min,搅拌时间为23min,使其成分均匀化;
[0063] 7)待温度冷到500°C左右进行浇铸,将所制备半固态锌合金直接浇铸到金属型或砂型中铸造成锌合金锭或锌合金零部件,冷却方式为空冷。

Claims (1)

1.一种模具用细晶粒锌基合金的制备工艺,其特征在于:其制造工艺步骤是: 1)材料采用工业锌锭、工业铝锭、工业镁锭、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,ZnCl2工业精炼剂,变质剂; 2)铜铝中间合金的制备:在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内先将铝熔化后,再将铜浸入铝液,在780〜800°C条件下,将铝、铜完全熔化后,加入0.4%〜0.5% ZnCl2精炼,静置、扒渣,制备成含Cu50%铜铝中间合金; 3)将熔炼坩埚预热到450〜500°C,加入所需质量的Zn熔化后,按照所需质量依次加入铜铝中间合金、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金,升温到700 V待中间合金全部熔化后,再加入所需质量的Al ; 4)用铝箔包裹所需质量的Mg,将其压入合金溶液底部,待Al、Mg完全熔化后加入所需质量的B、Ti ;待匕11完全熔化后,加入用铝箔包裹的所需质量Re变质剂,压入合金溶液底部熔化; 5)待加入的Re变质剂完全溶化后,温度降到550〜600°C时,加入0.4% ZnCl2精炼剂;静置、扒渣; 6)将熔炼好的锌合金倒入浇铸包内,通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金,电磁搅拌功率为15〜25KW,冷却速率为7〜13°C /min,搅拌时间为15〜25min,使其成分均匀化; 7)待温度冷到500°C进行浇铸,将所制备半固态锌合金直接浇铸到金属型或砂型中铸造成锌合金锭或锌合金零部件,冷却方式为水冷或空冷。
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