CN103993193B - 一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂及其变质方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及火炬3号锌合金，特指一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂及其变质方法。采用低熔点母合金稀释高熔点铝锶合金，即将高熔点的铝锶中间合金加入到3号压铸锌合金液中进行稀释处理，制备出适合于压铸锌合金变质处理的低熔点锌铝锶长效变质剂；采用高温变质+低温压铸的生产工艺，即在较高的熔炼温度下向锌合金液中加入一定量的锌铝锶中间合金进行变质处理、适当降温后进行锌合金的压铸的生产工艺，制备具有较高综合力学性能的压铸锌合金产品。
Description
技术领域
本发明涉及火炬3号锌合金，特指一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂及其变质方法。
背景技术
压铸锌合金和其它有色金属合金相比有明显的优势：材料价廉、熔点低、耗能少、流动性及成型性好、具有良好的力学性能和耐磨耐蚀性能、减振降噪性能，具有极限抗拉强度高、承载性好和熔化与压铸时不吸铁的特点，适宜制造优质压铸产品；因此，压铸锌合金，特别是3号锌合金正越来越广泛地应用于各个领域，并带来显著的经济效益。
但是，国内的压铸锌合金的质量与发达国家相比存在着很大的差距，比如锌合金中的杂质含量过高，而且成分和品质很不稳定，合金力学性能偏低；目前，我国高品位的锌合金还需大量进口，特别是对于3号锌合金的需求量非常大，目前在国际市场上，由澳大利亚太平洋金属矿业有限公司生产的“澳洲三号（EZDA3）锌合金居于领先地位，“澳洲三号”的抗拉强度和伸长率明显高于国内生产的3号锌合金；因此，很有必要通过一定的技术手段改良国产压铸锌合金，以获得更好和更稳定的机械性能，以便减少优质锌合金的进口。
国内对压铸锌合金的改良研究取得过一定的成果，但研究工作主要集中于高铝锌合金的微合金化和变质处理等；目前，采用含钛、锆和铈的变质剂对锌合金进行变质处理是主流，也取得了一定的效果；有一些对压铸锌合金进行微合金化和变质处理的研究报道；如：贵州科学院兴科合金研究开发中心的薛涛和古文全等人在压铸锌合金中加人适量的稀土，能有效地阻止η-Zn相树枝状晶的长大、优化组织结构、细化晶粒和清除晶粒边界杂质，使压铸锌合金的抗拉强度和硬度提高10%以上；王建华等人基于国产ZZnAl4Y锌铝合金进行了一系列的试验研究工作，采用Si、Mn、B、Ti和稀土等对ZZnAl4Y压铸锌合金进行微合金化处理，能不同程度地细化合金的显微组织、提高合金的力学性能；沈阳航空工业学院的李秀华等发现在压铸条件下，富铈稀土和锶联合作用能细化锌合金的晶粒组织，抑止杂质元素的有害影响，提高其力学性能；该文献报道Sr和稀土以中间合金形式加入到锌合金中，锌合金的熔炼工艺为：首先将坩埚加热到暗红色,放入铝锭和铝铜中间合金,待铝锭全部熔化后,升温至750℃左右,分批加入锌块，待锌块全部熔化后，进行扒渣，并加入镁和稀土中间合金或Al-Sr中间合金，最后搅拌均匀，降温至400~450℃压铸。该工艺方法的缺点是直接将55Ce-20La-15Pr混合稀土和Al-Sr中间合金加入到锌合金液中进行变质处理，采用了很高的合金熔炼温度（750℃左右），这样势必会造成浪费能源，且稀土和Sr的烧损较大，元素吸收率低，从而影响变质效果；因此，开发适合于压铸锌合金生产的低熔点变质剂势在必行。
苏旭平最近公开了“一种Al-RE合金变质锌合金的方法”专利（201410066133.9），该变质剂的制备及变质处理工艺为：先将火炬3号锌合金和Al-RE合金混合物备好，将温度升高到620℃，60分钟后，均匀搅拌；保温15-25分钟后，浇铸出炉，出炉温度600℃，制备得到中间变质合金（Al-RE合金）；采用该中间合金对锌合金进行变质处理时，将中间变质合金与计算好配比的火炬3号锌合金备好，将炉温调整440℃，加入火炬3号锌合金进行熔炼，30-50分钟；温度仍然保持在440℃，加入火炬3号锌合金-Al-RE中间合金，25-35分钟。温度调整430℃，保温15-25分钟，然后进行压铸；该工艺方法的缺点是：在制备中间合金时，其工艺是将火炬3号锌合金和Al-RE合金混合物在620℃下同时进行加热和保温熔炼，稀土元素的烧损较大；此外，对锌合金的变质处理是在较低的温度（440℃）下进行，变质剂难以快速溶解到锌合金液中，影响了锌合金的变质效果。
当前，国内3号锌合金的变质处理及3号锌合金产品质量存在以下问题：
1.国产3号压铸锌合金的力学性能不太稳定，不同用户对国产合金的评价有所不同。
2.国产3号锌合金的抗拉强度和延伸率明显低于“澳洲三号”锌合金。
3.压铸锌合金缺少专用的变质剂，工业上应用的变质剂都是借用铝合金的变质剂，变质剂的熔点较高，变质效果欠佳。
4.已有的变质剂缺少长效性，存在孕育衰退的问题。
为了克服已有锌合金变质剂的制备与变质处理过程中存在的技术和质量问题，开发出适合于压铸锌合金的变质剂，提高国产3号锌合金的力学性能，增加合金力学性能的稳定性，本发明给出了“一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂及其变质方法”，即：采用溶解稀释法制备低熔点含锶长效变质剂，并采用高温变质和低温压铸的工艺方法制备压铸锌合金。
发明内容
本发明的目的主要是通过溶解稀释法制备一种适合于压铸锌合金变质处理的低熔点含锶锌铝锶长效变质剂，采用高温变质加降温压铸的工艺方法制备综合力学性能较好的压铸锌合金产品。
一种用于压铸锌合金的低熔点含锶长效变质剂，包括下述步骤：
1、锌铝锶中间合金的制备工艺
首先将3号锌合金放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼，熔炼温度为600℃，然后将Al-10Sr中间合金逐步加入锌合金液中进行溶解和熔化，最终保证Al-10Sr中间合金重量与3号锌合金的重量比为1:4，待所需的Al-10Sr中间合金完全溶入锌合金液后对其进行机械搅拌以使合金液成分均匀，然后浇铸到铸锭模中，得到本发明的低熔点含锶长效锌合金变质剂。
所述机械搅拌的时间为2min。
所述铸锭模的内腔直径为40毫米。
图1为锌铝锶中间合金的显微组织，合金组织中有大量的Al7Sr8相和少量的SrZn相；Al7Sr8相和SrZn相在锌合金的变质处理过程中将起到异质核心的作用，从而细化锌合金的晶粒组织。
2、锌合金的变质处理及其压铸工艺
在40吨热压室压铸机上进行三号锌合金力学性能试样的压铸实验，在铸铁坩埚中装入200公斤的三号锌合金；为了使锌铝锶变质剂能够充分溶解到锌合金液体中、以增强变质效果，首先将锌合金在470-490℃进行熔化和保温，然后向熔池中加入锌铝锶变质剂进行高温变质处理，加入量为三号锌合金质量的1.5-4.5wt%，开动搅拌器，待变质剂完全熔化（溶解）后，开始试压铸50-80模，以便利用合金液凝固时散发的热量将压铸模具型腔预热到145-155℃，同时将压铸后的试样及连接试样的浇冒口投入到锌合金熔池中，将熔池温度调整到正常的压铸温度范围（420-430℃）进行低温压铸；在正常的压铸实验过程中，锌合金液的温度控制在420~430℃（将名义温度设定在425℃），压铸速度控制为每小时200模，每间隔20分钟取一批（三根）拉伸试样以进行力学性能测试；在后续的压铸过程中，每8-10分钟将多余的试棒和浇冒口返回到熔池中，不再添加新的合金料和变质剂，主要目的是：一是保证熔池中锌合金液有一定的高度，以便进行长时间的压铸实验，二是考察该锌铝锶变质剂的长效性，在万能拉伸试验机上测试压铸锌合金的力学性能，同时将变质处理锌合金的力学性能与未变质的锌合金进行对比。
本发明技术方案与目前现有技术中的技术方案相比，本专利的变质剂的制备和压铸锌合金的变质处理有如下特点：
1）锌铝锶合金的熔点较低，变质具有长效性。
采用低熔点母合金稀释高熔点铝锶合金，制备出适合于压铸锌合金变质处理的低熔点锌铝锶长效变质剂；由于含有具有长效变质元素锶，对锌合金的变质效果具有长效性。
2）特殊的“高温变质+低温压铸”生产工艺。
在较高的熔炼温度下向锌合金液中加入一定量的锌铝锶中间合金进行变质处理、适当降温后进行锌合金的压铸的生产工艺，制备具有较高综合力学性能的压铸锌合金产品。
附图说明
图1为锌铝锶中间合金的显微组织。
图2为压铸锌合金拉伸试样尺寸。
具体实施方式
实施案例一
1、锌铝锶中间合金的制备
首先将5公斤3号锌合金放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼，熔炼温度为600℃，然后将1.25公斤Al-10Sr中间合金加入锌合金液中进行熔化，保证Al-10Sr中间合金重量与3号锌合金的重量比为1:4，待中间合金完全熔清以后对合金液进行均匀搅拌2分钟，然后浇铸到内腔直径为40毫米铸锭模中，得到本发明的低熔点含锶长效锌合金变质剂；图1为锌铝锶中间合金的显微组织。
2、锌合金的变质处理与压铸
在40吨热压室压铸机上进行3号锌合金力学性能试样的压铸实验，熔池装料为200公斤；为了使锌铝锶变质剂能够充分溶解到锌合金液体中、以增强变质效果，首先将锌合金在470℃进行熔化和保温，然后加入1.5wt.%锌铝锶变质剂，开动搅拌器，待变质剂完全熔化（溶解）后，开始试压铸50模，以便利用合金液凝固时散发的热量将压铸模具型腔预热到145℃；同时将压铸后的试样及连接试样的浇冒口投入到锌合金熔池中，将熔池温度调整到正常的压铸温度420进行低温压铸；压铸实验过程中，锌合金液的温度控制在420℃，压铸速度为每小时200模，每间隔20分钟取三根拉伸试样以进行力学性能测试；在后续的压铸过程中，将压铸后的试棒和浇冒口每8-10分钟返回到熔池中，不再加新料，整个实验持续6个小时。
3、变质压铸锌合金的力学性能
拉伸试样采用标准试样(GB-228)，图2为压铸锌合金拉伸试样尺寸；3号锌合金经过1.5wt.%的锌铝锶合金变质处理120分钟后压铸取样进行力学性能测试，室温抗拉强度和伸长率分别为310MPa和3.0%，比未变质的3号锌合金的抗拉强度（278MPa）和伸长率（2.6%）分别提高11.5%和15.4%。
实施案例二
1、锌铝锶中间合金的制备
锌铝锶中间合金的制备方法同实施案例一。
2、锌合金的变质处理与压铸
在40吨热压室压铸机上进行3号锌合金力学性能试样的压铸实验，熔池装料为200公斤；为了使锌铝锶变质剂能够充分溶解到锌合金液体中、以增强变质效果，首先将锌合金在490℃进行熔化和保温，然后加入3.0wt.%锌铝锶变质剂，开动搅拌器，待变质剂完全熔化（溶解）后，开始试压铸80模，以便利用合金液凝固时散发的热量将压铸模具型腔预热到155℃；同时将压铸后的试样及连接试样的浇冒口投入到锌合金熔池中，将熔池温度调整到正常的压铸温度430℃进行低温压铸；压铸实验过程中，锌合金液的温度控制在430℃，压铸速度为每小时200模，每间隔20分钟取三根拉伸试样以进行力学性能测试；在后续的压铸过程中，将压铸后的试棒和浇冒口每8-10分钟返回到熔池中，不再加新料，整个实验持续6个小时。
3、变质压铸锌合金的力学性能
3号锌合金经过3.0wt.%的锌铝锶合金变质处理180分钟后压铸取样进行力学性能测试，室温抗拉强度和伸长率分别为308MPa和3.1%，比未变质的3号锌合金的抗拉强度（278MPa）和伸长率（2.6%）分别提高10.8%和19.2%。
实施案例三
1、锌铝锶中间合金的制备
锌铝锶中间合金的制备方法同实施案例一。
2、锌合金的变质处理与压铸
在40吨热压室压铸机上进行3号锌合金力学性能试样的压铸实验，熔池装料为200公斤；为了使锌铝锶变质剂能够充分溶解到锌合金液体中、以增强变质效果，首先将锌合金在480℃进行熔化和保温，然后加入4.5wt.%锌铝锶变质剂，开动搅拌器，待变质剂完全熔化（溶解）后，开始试压铸70模，以便利用合金液凝固时散发的热量将压铸模具型腔预热到150℃；同时将压铸后的试样及连接试样的浇冒口投入到锌合金熔池中，将熔池温度调整到正常的压铸温度425℃进行低温压铸；压铸实验过程中，锌合金液的温度控制在425℃，压铸速度为每小时200模，每间隔20分钟取三根拉伸试样以进行力学性能测试；在后续的压铸过程中，将压铸后的试棒和浇冒口每8-10分钟返回到熔池中，不再加新料，整个实验持续6个小时。
3、变质压铸锌合金的力学性能
3号锌合金经过4.5wt.%的锌铝锶合金变质处理210分钟后压铸取样进行力学性能测试，室温抗拉强度和伸长率分别为307MPa和3.0%，比未变质的3号锌合金的抗拉强度（278MPa）和伸长率（2.6%）分别提高10.4%和15.4%。
Claims (6)
1.一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂，其特征在于按照如下步骤进行：首先将3号锌合金放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼，熔炼温度为600℃，然后将Al-10Sr中间合金逐步加入锌合金液中进行溶解和熔化，最终保证Al-10Sr中间合金重量与3号锌合金的重量比为1:4，待所需的Al-10Sr中间合金完全溶入锌合金液后对其进行机械搅拌以使合金液成分均匀，然后浇铸到铸锭模中，得到所述压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂。
2.如权利要求1所述的一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂，其特征在于：所述机械搅拌的时间为2min。
3.如权利要求1所述的一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂，其特征在于：所述铸锭模的内腔直径为40毫米。
4.使用如权利要求1所述的一种压铸锌合金低熔点含锶长效变质剂对3号锌合金进行变质和压铸的方法，其特征在于按照如下步骤进行：在热压室压铸机上进行3号锌合金力学性能试样的压铸实验，在铸铁坩埚中装入3号锌合金；为了使锌铝锶变质剂能够充分溶解到锌合金液体中、以增强变质效果，首先将锌合金在470-490℃进行熔化和保温，然后向熔池中加入锌铝锶变质剂进行高温变质处理，加入量为3号锌合金质量的1.5-4.5wt％，开动搅拌器，待变质剂完全熔化后，开始试压铸50-80模，以便利用合金液凝固时散发的热量将压铸模具型腔预热到145-155℃，同时将压铸后的试样及连接试样的浇冒口投入到锌合金熔池中，将熔池温度调整到正常的压铸温度范围420-430℃进行低温压铸；在正常的压铸实验过程中，锌合金液的温度控制在420～430℃，压铸速度控制为每小时200模，每间隔20分钟取一批拉伸试样以进行力学性能测试；在后续的压铸过程中，每8-10分钟将多余的试棒和浇冒口返回到熔池中，不再添加新的合金料和变质剂，一是保证熔池中锌合金液有一定的高度，以便进行长时间的压铸实验，二是考察该锌铝锶变质剂的长效性，在万能拉伸试验机上测试压铸锌合金的力学性能，同时将变质处理锌合金的力学性能与未变质的锌合金进行对比。
5.如权利要求4所述的对3号锌合金进行变质和压铸的方法，其特征在于：所述压铸温度为425℃。
6.如权利要求4所述的对3号锌合金进行变质和压铸的方法，其特征在于：所述一批拉伸试样指三根拉伸试样。
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