CN104498773B

CN104498773B - 一种变形锌基合金材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN104498773B
Application number: CN201410797083.1A
Authority: CN
Inventors: 孙文声; 陈永力; 许丁洋; 郭俊; 王东; 余惺; 冯振仙; 杨澍
Original assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104498773A; WO2016095288A1

Abstract

本发明公开的变形锌基合金材料的重量百分比组成包括：3%≤Al≤15%，0.1%≤Cu≤4.8%，余量为Zn和不可避免的杂质，该锌基合金材料的微观组织包含α相和η相，α相为以Al为基体的Zn置换Al固溶体，η相为以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体；通过本发明制备方法可获得最佳的固溶体的溶质含量。通过α相和η相的协同促进改善合金综合性能，本发明合金具有中等强度，其抗拉强度可以达到350MPa以上，延伸率可以达到10%以上，导电率可以达到25%IACS以上，切削率可达C3604铅黄铜的50‑85%，完全能够满足AC/DC电源插头、FC通讯连接器等性能需求，可作为传统黄铜合金的替代材料。

Description

一种变形锌基合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及锌基合金材料及其应用领域，具体涉及一种中等强度、易机加工的变形锌基合金材料及其制备方法和应用，该合金材料可应用于AC/DC电源插头、FC通讯连接器等电子、电气行业及其他相关行业。

背景技术

传统的电子、电气行业用插头、连接器材料的使用以铜合金居多，因铜合金具有优良的机加工性能和导电性能。铜合金易于机加工的重要原因在于铜合金中往往添加有Pb、Bi、Sb等改善加工性能的元素，这些元素在铜合金的晶界处形成游离的质点或金属间化合物，在切削过程中起到断屑的作用，从而使铜合金具有较好的切削性，在各行业得到广泛应用。但随着铜资源的不断开采和消耗，我国当前面临铜资源严重短缺的问题，国内资源供给率已不足25％，寻找新的合金材料替代铜合金，已是行业未来发展的趋势所在。

锌合金的原料成本比铜合金要低20-30％，并且铅、镉等有害重金属元素不是锌合金中的必加元素，因此锌合金是一种低原料成本、绿色环保的合金。传统的锌合金以铸造锌合金为主，其微观组织中含有较脆的金属间化合物相，其固溶度比较低，导致锌合金的强度较低，特别是存在难以进行后续机加工的弊端。为满足锌合金的机加工性能要求，目前已有少数变形锌合金得到开发，但一般的变形锌合金存在生产成本高、成品率低、尺寸稳定性差及力学性能较差等缺陷和不足，并且在铜合金中对提高切削性有利的Pb、Bi、Sb等元素，对锌合金反而有害，在锌合金中一般作为杂质元素进行控制。虽然现有的变形锌合金的机加工性能得到一定的改善，但是没有从根本上解决变形锌合金的后续加工问题，在实际应用中，仍不能满足现代机床对锌合金切削性能的要求。因此，如何使锌合金在强度满足要求的同时易加工，甚至达到铜合金所具有的切削性，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种易机加工的变形锌基合金材料及其制备方法和应用，该合金材料具有中等强度、高塑性、高导电率，可作为传统黄铜合金的替代品。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种变形锌基合金材料，该锌基合金材料的重量百分比组成包括：3％≤Al≤15％，0.1％≤Cu≤4.8％，余量为Zn和不可避免的杂质，该锌基合金材料的微观组织包含α相和η相，所述的α相为以Al为基体的Zn置换Al固溶体，所述的η相为以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体。

本发明变形锌基合金材料以Zn为基体，除了添加Al作为强化元素之外，还添加一定量的Cu。本发明合金的微观组织中包含两种固溶体相，即FCC结构的α相和HCP结构的η相。其中α相是以Al为基体的Zn置换Al固溶体，相比η相，α相的固溶度较高，因此α相具有更高的强度、硬度，但α相同时也是置换固溶体，因此具有良好的塑性、导电率。Cu与Al相比固溶度较低，Cu通过置换Zn固溶于Zn基体中，起到提高合金强度和改善合金塑性的作用。本发明合金的η相为以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体，与α相一样作为固溶体，η相具有良好的塑性、导电率，能够实现易机加工和较高的导电率。本发明合金通过合理控制其元素配比，并在其微观组织中获得上述α相和η相，最终实现了变形锌基合金材料的易机加工和中等强度，其导电率能够与铅黄铜相媲美。本发明合金中由于溶质原子在α相、η相中的溶解度不同，导致合金材料的微观组织中形成具有不同硬度的区域，使合金的内部组织产生更多的界面结构，有利于切削加工过程中的断屑，改善合金的机加工性能。此外，由于不同固溶体的层次交错，使得合金整体上的变形协调能力更强，这样也促使合金后续的塑性加工变得更容易实现。

由于α相、η相两种合金相都保持了原有的端际固溶体结构，使得本发明合金的导电率可以达到传统黄铜的标准。作为插头等使用的电气产品，除了应该具备较好的导电性以外，还应具备良好的机械性能、机加工性能及耐环境腐蚀性能。

本发明的Al含量大于15％时，将导致合金的机加工性能恶化，使材料变脆；当Al含量小于3％时，α相、η相的相比例将降低，导致合金强度和塑性不够，因此Al的添加量范围应控制在3％≤Al≤15％。本发明合金中，Cu是以置换Zn原子的方式存在于锌基体中，起到提高强度、改善塑性，同时不影响导电率的作用，但Cu含量大于4.8％时，多余的Cu元素将从锌基体中析出，不利于机加工，对导电率也有一定的不利影响，当Cu含量小于0.1％时，不能起到强化作用，因此在本发明中，将Cu含量控制在0.1％≤Cu≤4.8％。

作为优选，该锌基合金材料的微观组织中，所述的α相的体积分数为25-45％，所述的η相的体积分数为50-75％；该锌基合金材料的平均晶粒度小于15um。

本发明合金包含以Al为基体的Zn置换Al固溶体，即α相，以及以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体，即η相。且本发明合金的α相有二种结构，本发明称为α1相和α2相。α1相属于高固溶度的Al基体固溶体，即Zn原子置换Al原子的数量较多，Zn元素的原子总数可以占到整个固溶体原子总量的60％左右，低铝含量的α1固溶体往往是通过共晶反应形成，因此具有更高的强度、硬度。高铝含量的α2是通过共析转变形成的，其Zn原子置换Al原子的置换率在35％左右，因此相比于α1相，强度和硬度稍低，从SEM的照片可以看出，α2相的晶粒尺寸要小于α1相。在本发明合金中将α相的体积分数控制在25-45％，对合金强度、硬度、塑性和导电率起到重要的改善作用。除微观组织中的相组成外，本发明锌基合金材料的平均晶粒度也同样关键，通过获得均匀细化的微观组织，将平均晶粒度控制在15um以下，可确保材料的塑性和强度的改善。

η相是本发明合金的主要相组成，为以Zn为基体，Cu、Al原子置换Zn得到的HCP结构的固溶体。其中Al原子的置换率在10％左右，Cu元素的置换率在10％左右，其余为锌原子，本发明合金以η相为基体，α1相和α2相分散在η相上，本发明将η相在整个合金相组成中的体积分数控制在50-75％，在α相对合金性能的改善基础上，起到协同促进作用，进一步提高合金的塑性和导电率。

作为优选，该锌基合金材料的重量百分比组成包括：3％≤Al≤5％，0.1％≤Cu≤1.0％，一般地，其导电率大于25.5％IACS，抗拉强度大于360MPa，延伸率大于13％，切削率大于62％；或者，该锌基合金材料的重量百分比组成包括：8％≤Al≤12％，1.0％≤Cu≤4.0％，一般地，其导电率大于25.5％IACS，抗拉强度大于380MPa，延伸率大于15％，切削率大于64％；或者，该锌基合金材料的重量百分比组成包括：5％≤Al≤8％，1.5％≤Cu≤4.8％，一般地，其导电率大于26％IACS，抗拉强度大于360MPa，延伸率大于14％，切削率大于58％。对于上述具有不同的Al、Cu含量范围的合金，其性能侧重点有所差异，具体应用中可根据实际需要进行优化选择。

作为优选，该锌基合金材料的重量百分比组成还包括0.001-1％的Mg。微量的Mg存在于α相和η相的相界中，起到阻止晶间腐蚀的发生并增强抗环境腐蚀的能力的作用。但是当Mg含量小于0.001％时，作用不明显，当Mg含量大于1％时，会造成材料脆性，不利于后续机加工成型。

作为优选，在包括0.001-1％的Mg的基础上，该锌基合金材料的重量百分比组成还可括0.001-2％的Cr和/或0.001-2％的Mn，或者，还可包括总量为0.001-1％的Ti、Zr、RE、Ca、Si、Co、Y和Sc中的至少一种。

作为优选，在包括0.001-1％的Mg以及0.001-2％的Cr和/或0.001-2％的Mn的基础上，也可包括总量为0.001-1％的Ti、Zr、RE、Ca、Si、Co、Y和Sc中的至少一种。

少量Cr固溶于η相中，起到抗腐蚀与改善高温脆性的作用，有利于材料的后续机加工，适宜的Cr含量为0.001-2％。少量Mn也可固溶于η相中，明显提高合金的强度和硬度，当Mn含量小于0.001％时，作用不明显，当Mn含量大于2％时，材料的强度、硬度提高，但塑性和导电率急剧下降，整体性能恶化。同时，添加适宜含量的铬、锰或镁元素，在提高合金强度和硬度的同时，不降低合金的导电率。Ti、Zr、RE、Ca、Si、Co、Y和Sc可分别以少量的金属间化合物相形式存在于锌的基体中，起到强化的作用。此外，锆具有细化晶粒、防止偏析的作用，稀土金属具有细化晶粒、除氧的作用。Ti、Zr、RE、Ca、Si、Co、Y和Sc中的至少一种元素的总量若不足0.001％，则得不到上述效果，反之若超过1.0％，则会引起合金的塑性加工性能下降，导致加工出现困难，因此本发明合金中，其总量控制在0.001-1％。

上述变形锌基合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过热顶铸造、半连续铸造或水平连续铸造生产成直径Φ40-350mm的铸锭；2)铸锭经过挤压后锯切成200-1500mm的长度，加热至180-370℃，通过正向挤压机或反向挤压机挤压成直径为Φ4-45mm的线坯；3)经过至少两次拉伸和至少两次热处理后加工为成品，其中热处理温度为：150-350℃，热处理时间为1-10h。通过上述挤压、拉伸等塑性加工方法，并合理控制热处理等加工工艺过程及参数，可以破碎粗大的铸造组织，形成均匀细化的微观组织，获得最佳的固溶体的溶质含量，以改善塑性，并起到提高强度的作用。

上述变形锌基合金材料在电源插头、通讯连接器和电子电气产品中的应用。作为电源插头、连接器等电子电气行业用材料，除了具备机加工性能外，还需满足一定的强度、塑性、延伸率、导电率等性能要求。本发明通过控制合金成分进一步控制微观组织，获得了完全能满足上述要求的变形锌基合金材料，可应用于AC/DC电源插头、FC通讯连接器等电子、电气行业，也可应用于其他相关行业。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明合金中由于溶质原子在α相、η相中的溶解度不同，导致合金材料的微观组织中形成具有不同硬度的区域，使合金的内部组织产生更多的界面结构，有利于切削加工过程中的断屑，改善合金的机加工性能，使合金具有较高的切削率；此外，由于不同固溶体的层次交错，使得合金整体上的变形协调能力更强，这样也促使合金后续的塑性加工变得更容易实现，可以实现线材、棒材形式的各种形状、不同规格产品的成型加工。

(2)由于α相、η相两种合金相都保持了原有的端际固溶体结构，使得本发明合金的导电率可以达到传统黄铜的标准，从而满足AC/DC等电气插头对合金性能的要求。

(3)本发明合金具有中等强度，其抗拉强度可以达到350MPa以上，延伸率可以达到10％以上，导电率可以达到25％IACS以上，切削率可达C3604铅黄铜的50-85％，完全能够满足AC/DC电源插头、FC通讯连接器等性能需求，可作为传统黄铜合金的替代材料。

(4)本发明合金的制备方法，通过挤压、拉伸等塑性加工方法，并合理控制热处理等加工工艺过程及参数，可以破碎粗大的铸造组织，形成均匀细化的微观组织，获得最佳的固溶体的溶质含量，以改善塑性，并起到提高强度的作用，从而使合金具有较好的综合性能。

附图说明

图1为实施例1的XRD衍射照片，通过与标准比对，在本发明的以Al、Cu为主要合金化元素的合金中存在两种相，即Zn基固溶体(η相)、Al基固溶体(α相)；

图2为实施例2的变形锌基合金扫描电镜照片(×4000)；

图3为实施例3的变形锌基合金扫描电镜照片(×8000)，其中白色为η相，浅黑色为α1相，深黑色为α2相；

图4为实施例3的EDS在spectrum1处(η相)探测分析，在此点检测出Zn、Cu、Al三种元素；

图5为实施例3的EDS在spectrum1处的原子含量检测结果，按所含原子百分比计算，Al为30.27at％，Cu为1.67at％，Zn为68.06at％；

图6为实施例3的EDS在spectrum2处(α2相)探测分析，在此点检测出Zn、Al两种元素；

图7为实施例3的EDS在spectrum2处的原子含量检测结果，按原子百分比计算，Al为43.80at％，Zn为56.20at％；

图8为实施例3的EDS在spectrum3处(α1相)探测分析，在此点检测出Zn、Al两种元素；

图9为实施例3的EDS在spectrum3处的原子含量检测结果，按原子百分比计算，Al为34.57at％，Zn为65.43at％。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

选取了25个实施例合金和1个对比例合金(C3604铅黄铜)，所添加元素根据各自含量添加到熔炼炉，通过热顶铸造、半连铸或水平连铸生产成直径Φ40-350mm铸锭，铸锭经过挤压后锯切至200-1500mm的长度，加热至180-370℃，通过正向挤压机或反向挤压机挤压出线坯Φ4-45mm，经过至少两次拉伸和至少两次退火后加工成为线材成品，其热处理温度为：150℃-350℃，热处理的时间为1-10h，然后对其进行矫直。

室温拉伸试验按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，试样采用比例系数为12mm的圆截面比例试样，拉伸速度为5mm/min。

导电率测试按照《GB/T3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品直径为13mm，长度为500mm。

切削性测试：按照上述工艺取直径为13mm的线材，然后采用车床在相同的试验条件下测得各实施例合金的切削力，并由此计算出各实施例合金相对于C3604的切削率([切削率]＝[C3604的切削阻力]/各合金的切削阻力×100％)。实验条件为：切削工具：WC基超硬质合金，切削速度：122m/min，切削深度：0.5mm，进给量：0.087mm/圈，切削状态：干切削。具体试验结果见表1。

实施例、对比例的成分及性能测试结果见表1。

Claims

1.一种变形锌基合金材料，其特征在于，该锌基合金材料的重量百分比组成包括：6.23％≤Al≤15％，0.1％≤Cu≤4.8％，余量为Zn和不可避免的杂质，该锌基合金材料的微观组织包含α相和η相，所述的α相为以Al为基体的Zn置换Al固溶体，所述的η相为以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体；该锌基合金材料的微观组织中，所述的α相的体积分数为25-45％，所述的η相的体积分数为50-75％；该锌基合金材料的平均晶粒度小于15um。

2.根据权利要求1所述的一种变形锌基合金材料，其特征在于该锌基合金材料的重量百分比组成包括：8％≤Al≤12％，1.0％≤Cu≤4.0％。

3.根据权利要求1所述的一种变形锌基合金材料，其特征在于该锌基合金材料的重量百分比组成包括：6.23％≤Al≤8％，1.5％≤Cu≤4.8％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种变形锌基合金材料，其特征在于该锌基合金材料的重量百分比组成还包括0.001-1％的Mg。

5.根据权利要求4所述的一种变形锌基合金材料，其特征在于该锌基合金材料的重量百分比组成还包括0.001-2％的Cr和/或0.001-2％的Mn。

6.根据权利要求4所述的一种变形锌基合金材料，其特征在于该锌基合金材料的重量百分比组成还包括总量为0.001-1％的Ti、Zr、RE、Ca、Si和Co中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的一种变形锌基合金材料，其特征在于该锌基合金材料的重量百分比组成还包括总量为0.001-1％的Ti、Zr、RE、Ca、Si和Co中的至少一种。

8.一种权利要求1所述的变形锌基合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过热顶铸造、半连续铸造或水平连续铸造生产成直径Φ40-350mm的铸锭；2)铸锭经过挤压后锯切成200-1500mm的长度，加热至180-370℃，通过正向挤压机或反向挤压机挤压成直径为Φ4-45mm的线坯；3)经过至少两次拉伸和至少两次热处理后加工为成品，其中热处理温度为：150-350℃，热处理时间为1-10h。

9.权利要求1-3中任一项所述的一种变形锌基合金材料在电子电气产品中的应用。