CN103627930A - 一种高塑性易切削锌合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高塑性易切削锌合金，其特征在于该锌合金的重量百分比组成如下：铜1.0-10.0%、铋0.1-3.0%、锰0.01-1.5%，钛0.001-1%和/或锆0.01-0.3%，以及可选择性添加元素X和可选择性添加元素Y，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免杂质≤0.01%；其中X是选自铬、钒、铌、镍、钴中的至少一种，添加总量为0-1.0%；Y是选自硼、砷、磷、稀土金属中的至少一种，添加总量为0-1.0%。该合金相对于现有锌合金切削性能优异、具有较高塑性且加工性得到很大改善，可广泛应用于F头、制笔、接插件、锁具等领域。

Description

一种高塑性易切削锌合金

技术领域

本发明涉及锌合金领域，具体指一种高塑性易切削的锌合金，该合金主要应用于F头、制笔、接插件、锁具等领域。

背景技术

金属的切削加工性能是金属材料的重要性能。如应用于F头、制笔、接插件、锁具等领域的有色金属都要求其具有一定的切削加工性能，通过仪表车床、自动车床、数控车床等手段对有色金属棒材或者板材进行切削加工，可以得到人们需要的各种尺寸和形状的零部件，而合金切削性能的好坏对切削加工速度、表面光洁度、尺寸公差等具有非常重要的影响。

现代制造工业中，在金属材料中加入一定数量的易切削元素，这类材料可以用较高的切削速度和较大的切削深度进行切削加工，可明显提高机加工产品的劳动生产率，减少劳动强度和人工成本。同时由于金属材料中加入的易切削元素，使金属材料的切削抗力减小，易切削材料本身的特性起润滑切削刀具的作用，易断屑，减轻了磨损，从而降低了工件表面的粗糙度，提高刀具寿命和生产效率。但是随着机械切削加工不断向自动化，高速化和精密化方向发展，不但对金属材料的切削性提出了更高要求，同时还要求材料具有一定的强度、硬度、塑性等性能，以满足目前F头、制笔、接插件、锁具等零部件对材料的综合性能。

目前锌合金已经作为替代铜合金、铝合金等的新一代的绿色环保、易加工新型合金的一个重要方向而进行研究，但对于锌合金研究最多的为Zn-Al系合金，该系列合金具有高的强度和硬度、良好的减摩擦性能，但Zn-Al系合金存在切削性能较差、晶间腐蚀倾向、尺寸稳定性低、抗蠕变能力差、耐蚀性差等缺点，不能满足日前上述行业对材料的易加工、高塑性等性能要求。

专利号为ZL201010147727.4，一种含铋无铅易切削变形锌合金及其制备工艺，该合金重量百分计组成为铝(Al)8～12％，铜(Cu)0.6～1.5％，镁(Mg)0.03～0.1％，铋(Bi)0.1～0.8％，其余为锌(Zn)和不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。该说明书只报道了该合金具有 良好的切削性能，并没有具体的数据证明。而且作为一种锌铝基变形锌合金，在实际应用过程中发现，其切削性依然无法满足现代加工业的需求。

专利号为ZL201010205423.9，一种易切削高强度锌合金，其特征在于各组分组成按重量百分比计分别为：铝1％～25％，铜0.5％～3.5％，镁0.005％～0.3％，锰0.01％～0.1％，以及铋0.005％～0.15％或/和锑0.01％～0.1％，以及总量不大于0.05％的杂质，余量为锌，各组份的重量百分比总和为100％，还可选择添加0.005%～0.2%的硼。该合金也是一种锌铝基变形锌合金，因含有较高的铝，因此具有较高的强度，说明书中记载抗拉强度可达400MPa以上，切削性与普通铅黄铜相比达到80%左右，没有超过90%，但对于延伸率的记载没有任何提及。

正是考虑到目前锌铝基锌合金材料的切削性能较差，不能满足对切削加工性能要求较高的行业，如制笔行业用的笔壳、用于电子行业的连接器外壳、F头、锁具等行业，因此急需开发一种切削加工性能好、并具有一定塑性、强度等综合性能优异的锌合金。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有易切削产品的现状提供一种切削性能优异、高塑性并加工性得到很大改善的易切削锌合金。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明的高塑性易切削锌合金，其特征在于该锌合金的重量百分比组成如下：铜1.0-10.0%、

铋0.1-3.0%、锰0.01-1.5%，钛0.001-1%和/或锆0.01-0.3%，以及可选择性添加元素X和可选择性添加元素Y，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免杂质≤0.01%；其中X是选自铬、钒、铌、镍、钴中的至少一种，添加总量为0-1.0%；Y是选自硼、砷、磷、稀土金属中的至少一种，添加总量为0-1.0%。

优选方案之一为：所述锌合金的重量百分比组成为：铜2-7%、铋0.1-1.2%、锰0.1-0.4%、钛0.01-0.3%，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免的杂质≤0.01%。

优选方案之二为：所述锌合金的重量百分比组成为：铜2-7%、铋0.1-1.2%、锰0.1-0.4%、锆0.01-0.3%，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免的杂质≤0.01%。

优选方案之三为：所述锌合金的重量百分比组成为：铜2-7%、铋0.1-1.2%、锰0.1-0.4%、钛0.01-0.3%、锆0.01-0.3%，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免的杂质≤0.01%。

作为上述技术方案的优选，所述锌合金中还含有稀土金属0.001-0.5%。

作为上述技术方案的优选，所述锌合金中还含有铬0.01-0.3%。

作为上述技术方案的优选，所述锌合金中还含有镍0.01-0.3%。

本发明若无特殊说明，所述元素含量均为重量百分比。

制备上述易切削锌合金的方法为：熔铸配料时钛、锆、铬、钒、铌、镍、钴元素分别以锌钛、锌锆、锌铬、锌钒、锌铌、锌镍、锌钴中间合金的形式加入，其含量占中间合金的10%。锰以锌锰中间合金的形式加入，其中锰含量为30%。铜以铜锌中间合金的形式加入，铜含量为60-70%。合金中余下的铜根据含量用纯铜补齐。铋和锌根据合金元素的含量，采用纯金属的形式加入。该合金的熔铸工艺采用工频炉、中频炉或反射炉熔炼，采用连续铸造或硬模铸造的方法制成铸坯。然后采用热挤压的方法制成所需的棒材、管材或型材坯料，热挤压的温度为180℃-380℃，最后经过冷拉加工制成各种规格的棒、线、型材产品，应用于自动车床、钻床和仪表车床等机加工产品领域。

本发明新合金中，铜的添加增加了第二相的含量，起到硬化和强化的作用。铜的添加量小于1.0%不能起到硬化和强化效果，添加量超高10%，塑性变差，不易冷热加工。铜主要以高硬度的金属间化合物的形式存在锌的基体中。

铋在锌合金中以游离态的形式分布于晶界，在高速切削时起到断屑的作用。铋含量过低不能很好起到断削作用，铋含量过高，易引起材料变脆，降低了合金的塑性，因此铋含量控制在0.1-3.0%。

合金中的钛、锆起到细化晶粒、增强强度，防止偏析的作用。

铬、镍、钒、铌、钴分别以少量的金属间化合物第二相存在于锌的基体中，起到强化的作用。硼、砷、磷、稀土金属起到净化晶界，排除气体的作用。

所述锌合金的铸态组织的相组成为：由基体相Zn，分布于基体相中近球形的锌铜化合物、鱼骨形金属间化合物以及游离态呈球形的Bi颗粒组成；所述鱼骨形金属间化合物主要是锌锰铜钛化合物和/或锌锰铜锆化合物，其余为锌铜钛和/或锌铜锆化合物。具体是锌锰铜钛Zn-Cu-Ti-Mn还是锌锰铜锆Zn-Cu-Zr-Mn化合物抑或两种都有，取决于合金中钛、锆二者只添加了其中之一或二者都有添加；锌铜钛Zn-Cu-Ti、锌铜锆Zn-Cu-Zr的情形类似。

所述近球形的铜锌化合物尺寸在10微米以上。

所述铋以单质的球形状态分布于基体相的晶界上，尺寸在10微米以下。

当合金中添加有铬、钒、铌、镍、钴中至少一种时，这些元素也与锰、锌和铜形成化合物，并以鱼骨形的形貌存在于HCP的锌晶界上。

本发明中鱼骨形，指的是其形状与鱼骨类似，呈非直线、横向尺寸不均匀且有横向突出物的条形形状。具体参见附图所示。

元素铋以单质的球形状态分布于基体相的晶界上，尺寸在10微米以下（参见图1），能起到迅速断屑的作用。

本发明合金经过挤压等塑性加工后，粗大的金属间化合物晶体发生破裂，合金组织发生细化，表现出更高的塑性（见图2）。

如上所述，本发明的易切削锌合金除了含有游离态分布的铋元素外，还存在高硬度细小的Zn-Cu-Ti-(Mn)等金属间化合物铸态组织，能谱分析确定见图3、图4、图5。发明人研究发现，这些金属间化合物的存在，不但能提高合金的强度和塑性，而且能提高合金的切削性能，并且是使合金表现出比单纯添加铋更好的切削性能，特别是存在有适量的由钛和/或锆跟锌铜锰形成的金属间化合物的情况下，对切削性能的改善尤为明显，钛和锆二者之间又以钛的效果较佳，对合金切削性的测试结果显示这些金属间化合物与铋在对改善合金的切削性能方面产生了某种协同作用。总之，这些金属间化合物的存在，能使合金具有非常好的综合性能，不但综合机械性能好，而且切削效率高。试验表明，该合金的切削性与C3604相比可以达到80%以上，延伸率可以达到15%以上，抗拉强度330-485MPa，硬度HV85-120。

本发明的合金的优点：

（1）切削效率可达铅黄铜的80%以上，可以实现无冷却或润滑条件下的干式切削加工、车削等机械加工，适合采用仪表车床、自动车床和数控车床加工。

（2）该合金除了具有优异的切削加工性能外，还具有较高的延伸率，延伸率可达到15%以上。

（3）该合金可作为一些铅黄铜合金棒材的替代品，主要应用于F头、制笔、接插件、锁具等机加工件。

说明书附图

图1为本发明的典型铸造态组织，由基体相（Zn）、近圆形的锌铜化合物，鱼骨形金属间化合物及游离态的小尺寸铋颗粒组成。

图2为经过塑性加工后破碎的组织。

图3为Zn-Cu-Mn-Ti四元金属间化合物的形貌及能谱分析。

图4为二元Zn-Cu合金的形貌及能谱分析。

图5为三元Zn-Cu-Ti化合物形貌及其能谱表征。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明作进一步详细描述。

该合金的熔铸工艺采用工频炉、中频炉或反射炉熔炼，采用连续铸造或硬模铸造的方法制成铸坯。然后采用热挤压的方法制成所需的棒材、管材或型材坯料，热挤压的温度为180℃-380℃，最后经过冷拉加工制成各种规格的棒、线、型材产品。各实施例性能测试数据见表1。对比例ZL201010147727.4、ZL201010205423.9采用相应专利中的方法进行熔铸，该两对比例以及对比例C3604采用本实施例中相同的方法进行加工并测试有关性能数据。

实施例1、2、3和4

生产工艺流程：采用半连铸的方法制成直径170毫米的母合金胚料，在380℃的温度下热挤压成棒材胚料，用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。

采用凸轮式自动车床钻孔将棒材成品加工成零件，切屑易碎，加工效率能达到C3604铅黄铜棒的90%。（加工效率指形状、尺寸完全相同的零件，采用相同的切削工具，切削参数相同，二者进行对比。如1min内C3604铜合金加工100个，锌合金可以达到90个，则加工效率为90%。下同。）。零件表面可进行镀镍、镀铬、镀锡等表面处理。

实施例5、6、7、8和9

工艺生产流程：采用感应加热的方法熔炼合金，用硬模铸造的方法制成合金铸锭。在240℃的温度下挤压成棒材坯料，用履带式拉床制成锌合金棒材，经过抛光矫直后，在数控机床上加工电子产品。同样规格的零件，数控机床加工效率能达到C3604铅黄铜棒材的85%。零件表面可以进行镀镍、镀铬、镀锡等表面处理。

实施例10、11、12

生产工艺流程：使用感应加热的方法熔炼，用硬模铸造的方法得到母合金铸锭，在180℃的条件下挤压成合金棒材的胚料，经过多模拉丝机至成品前尺寸，再经过联合拉拔的减径、较直、抛光到成品。在凸轮机型自动车床干式加工，加工效率可达同样规格C3604铅黄铜的80%。

实施例13、14、15、16

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料，经过240℃的挤压制成42mm×15mm异型材。

下料后使用专用钻床加工，Ф3mm的孔深度达20mm，可以连续钻孔20个以上而不需要冷却，制成挂锁锁体零件成品，加工效率可达到C3604铅黄铜棒材的90%。

锁体零件表面可以进行镀镍、镀铬、镀锡等表面处理。

实施例17、18、19

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料，经过300℃的挤压。

用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。下料后使用专用钻床加工，Ф9.8mm的孔深度达20mm，可以连续钻孔20个以上，制成金属笔零件成品，加工效率可达到C3604铅黄铜棒材的85%。

实施例20、21、22

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料，经过320℃的挤压出，合适规格的棒材坯料。

用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。

下料后使用专用钻床加工，Ф3mm的孔深度达35mm，可以连续钻孔20个以上而，制成金属笔零件成品，加工效率可达到C3604铅黄铜棒材的85%。

实施例23、24、25、26

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料，经过320℃的挤压制成Ф25mm棒材用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。

下料后使用台式钻床加工，Ф2.8mm的孔深度达25mm，可以连续钻孔20个以上，加工效率可达到C3604铅黄铜棒材的85%。

实施例27、28、29

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料，经过340℃的挤压制成Ф12mm棒材，用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。

下料后使用凸轮机床加工，可以连续生产200个以上零件而不需要冷却，制成金属笔零件成品，加工效率可达到C3604铅黄铜棒材的90%。

实施例30、31

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成合金母线坯料，经过剥皮、减径拉伸制成直径10毫米线材。

下料后使用专用钻床加工，Ф5mm的孔深度达30mm，可以连续钻孔20个以上而零件成品，加工效率可达到C3604铅黄铜棒材的80%。

表1本发明合金实施例与对比合金成分及性能对比

（续）表1本发明合金实施例与对比合金成分及性能对比

Claims (10)

1.一种高塑性易切削锌合金，其特征在于该锌合金的重量百分比组成如下：铜1.0-10.0%、铋0.1-3.0%、锰0.01-1.5%，钛0.001-1%和/或锆0.01-0.3%，以及可选择性添加元素X和可选择性添加元素Y，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免杂质≤0.01%；其中X是选自铬、钒、铌、镍、钴中的至少一种，添加总量为0-1.0%；Y是选自硼、砷、磷、稀土金属中的至少一种，添加总量为0-1.0%。

2.根据权利要求1所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金的重量百分比组成为：铜2-7%、铋0.1-1.2%、锰0.1-0.4%、钛0.01-0.3%，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免的杂质≤0.01%。

3.根据权利要求1所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金的重量百分比组成为：铜2-7%、铋0.1-1.2%、锰0.1-0.4%、锆0.01-0.3%，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免的杂质≤0.01%。

4.根据权利要求1所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金的重量百分比组成为：铜2-7%、铋0.1-1.2%、锰0.1-0.4%、钛0.01-0.3%、锆0.01-0.3%，其余为锌和不可避免的杂质，不可避免的杂质≤0.01%。

5.根据权利要求2或3或4所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金中还含有稀土金属0.001-0.5%。

6.根据权利要求2或3或4所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金中还含有铬0.01-0.3%。

7.根据权利要求2或3或4所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金中还含有镍0.01-0.3%。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述锌合金的铸态组织的相组成为：由基体相Zn，分布于基体相中近球形的锌铜化合物、鱼骨形金属间化合物以及游离态呈球形的Bi颗粒组成；所述鱼骨形金属间化合物主要是锌锰铜钛化合物和/或锌锰铜锆化合物，其余为锌铜钛和/或锌铜锆化合物。

9.根据权利要求8所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述近球形的铜锌化合物尺寸在10微米以上。

10.根据权利要求8所述的高塑性易切削锌合金，其特征在于所述铋以单质的球形状态分布于基体相的晶界上，尺寸在10微米以下。

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