CN104630560A - 一种具有高塑性的变形锌合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高塑性的变形锌合金及其制备方法和应用，该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.1%≤Cu≤5%，0.01%≤Ti≤2%，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金的微观组织包含η相和ε相，η相为铜置换锌的固溶体，ε相由铜锌金属间化合物和锌铜钛金属间化合物组成。本发明变形锌合金为多相材料，通过基体相和第二相来确保材料的高塑性及适宜的强度和硬度，其延伸率为26-40%，导电率为24-29%IACS，抗拉强度为201-348MPa，断面收缩率为41-56%，能够满足电源插头、插片的冷锻或者铆接性能要求，可作为传统黄铜合金的替代材料。

Description

一种具有高塑性的变形锌合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及锌合金材料及其应用领域，具体涉及一种具有高塑性的变形锌合金及其制备方法和应用，该合金材料可应用于电源插头、插片等电气行业及其他相关行业。

背景技术

电源插头、插片是广泛应用于日常生活及工业生产的电气产品，目前绝大部分电源插头和插片由铜合金制造。对电源插头的主要要求为：(1)优良的导电性，在长期的大电流使用过程中不会出现过热、温升过高等危险现象；(2)良好的机械性能，由于同一产品上电源插头数量较多，高效率的加工制造和组装方式，对于提高生产效率非常重要，因此对材料的高速切削和压接加工要求较高，尤其需要材料具有较高的塑性；(3)良好的服役行为，因为电源插头的应用领域很广，材料要能够适应各种使用环境，须具备一定的耐蚀性、强度、抗跌落、抗弯曲等机械性能。这种看似简单的日常用品，对材料的综合物理、机械和加工性能具有严格的要求，通常使用含铜量62％以上的铜合金。虽然传统铜合金能够满足上述性能，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。

采用锌合金替代传统铜合金是业内近几年的研发热点。但因锌是密排六方结构晶体，铸造锌合金较脆，而经过塑性加工得到的变形锌合金(棒、线等)，由于晶粒尺寸的变小及加工过程中的动态再结晶，变形锌合金虽具有一定的塑性，但强度较低。铸造锌合金的加工性能较差，不能用于加工制造电源插头、插片等电气产品；现有的变形锌合金，其包括塑性在内的综合性能指标难以满足电源插头、插片的加工和使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高塑性的变形锌合金及其制备方法和应用，该变形锌合金具有较高的延伸率，可应用于电气行业及其他相关行业，满足电源插头、插片等的加工和使用要求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有高塑性的变形锌合金，该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.1％≤Cu≤5％，0.01％≤Ti≤2％，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金的微观组织包含η相和ε相，所述的η相为铜置换锌的固溶体，所述的ε相由铜锌金属间化合物和锌铜钛金属间化合物组成。

本发明是以Zn-Cu为基体并添加一定量的Ti元素的变形锌合金。通过XRD分析可知，该基体包含两个相即η相和ε相，其中η相是以少量Cu置换Zn的固溶体形式存在，ε相是以析出的Zn₅Cu铜锌金属间化合物和锌铜钛金属间化合物形式存在。

本发明添加0.1-5％Cu，Cu是以固溶于Zn基体的方式存在于锌合金中，起到固溶强化的作用。Cu在420℃左右时，固溶度不超过3％，随着温度的降低，在常温下Cu在Zn基体即η相中的固溶度降低到不足1％，η相具有一定的强度和较高的塑性，可保证锌合金的强度和塑性，再加上Ti的强化作用，使本发明变形锌合金特别适用于插头、插片等需要压接、冷镦等工艺的电气元件。本发明合金的Cu含量小于0.1％时，起不到固溶强化的作用，超过5％时，从η相中析出的富Cu相虽然提高了强度，但材料的塑性大大降低，不利于材料的后续使用，特别是不利于电气插头、插片的压接冷镦等工艺成型。

本发明在Zn-Cu基的基础上添加一定量的Ti，虽然Zn-Cu基具有一定的机械强度，但强度依然较低，不能满足电源插头、插片对强度的要求，因此本发明通过添加Ti，与锌、铜形成ε相，在基体中弥散分布，在不影响塑性的同时，辅助Zn-Cu基，与Zn-Cu基协同作用，起到改善基体强度的作用。Ti在Zn中的溶解度较低，多余的Ti析出与Cu、Zn形成锌铜钛金属间化合物即ε相，起到提高基体强度和硬度的作用，在本发明中Ti的添加量为0.01％-2％，当Ti含量低于0.01％时，起不到提高强度和硬度的作用，当Ti含量超过2％时，虽然强度大幅提高，但后续的机械加工性能较差。

该变形锌合金的微观组织中，所述的η相的体积分数为60-95％，所述的ε相的体积分数为5-40％，所述的ε相的平均晶粒度小于8微米。

本发明合金中的η相为基体相，是以少量Cu置换Zn的固溶体。该基体相为基体提供一定的强度和高塑性，同时使基体具有较高的导电性能，其体积占到微观组织总体积的60-95％，并呈均匀分布的细小等轴晶形式存在。ε相是析出的Cu与Zn以及Cu、Ti与Zn形成的金属间化合物，与η相相比具有更高的强度和硬度，满足电源插头、插片对机械性能要求，ε相的体积分数应控制在5-40％。

本发明包含η相和ε相，η相为基体提供高的塑性和导电率，对于采用压接、冷镦等工艺成型的电源插头、插片来说，只有满足高的塑性(延伸率≥25％)才能够采用压接、特别是冷镦成型，如果材料太脆，在压接特别是冷镦过程中会产生裂纹，同时η相属于置换固溶体，对导电率没有很大的影响，能够满足插头、插片对导电率的要求。ε相为基体提供一定的强度，使得材料的强度可以达到200MPa以上。若材料强度太低，则成型效果差；若ε相比例太高，会影响材料的塑性，降低材料成型性能。本发明合金的两相在热变形过程中，硬度、强度不同的两相可以形成较大的变形，挤压变形可将粗大的ε相打碎，并改变其分布，使ε相呈带状、线状分布，SEM照片显示，该ε相的晶粒度小于8微米，细小的晶粒有利于提高合金强度、塑性和加工性，使本发明变形锌合金满足电源插头、插片的性能要求。

该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.1％≤Cu≤2.3％，0.05％≤Ti≤0.5％。

该变形锌合金的重量百分比组成包括：2.35％≤Cu≤4.5％，0.05％≤Ti≤0.5％。

该变形锌合金的重量百分比组成还包括总量为0.001-1％的Zr和Cr中的至少一种，本发明中少量的Zr固溶于ε相中，起到提高强度和细化晶粒的作用，Cr与锌形成CrZn₁₇相，具有较好的与基体的变形协调性，可以提高合金强度和硬度而不降低其塑性。或者，作为进一步优选，该变形锌合金的重量百分比组成还包括总量为0.001-2％的Y、Sc、RE、Be、Co、B和Mn中的至少一种。

Y和Sc在元素周期表中同属于IIIA族元素，在本发明中与锌分别形成YZn₁₁和ScZn₁₁化合物，弥散分布于合金基体中，作为第二相提高基体的强度；少量Mn与Zn形成细小的弥散强化相，能够起到强化作用；稀土元素RE在锌合金中可以起到净化晶界、细化晶粒的作用，提高塑性与强度；由于Be和B的原子半径均较小，在本发明合金中少量的B和Be固溶于Zn的基体中，形成间隙式固溶体，起到固溶强化的作用；Co为六方结构，少量的Co与Zn基体形成代位式固溶体，能够提高强度。添加总量为0.001-2％的Y、Sc、RE、Be、Co、B和Mn中的至少一种元素，得到的高塑性的变形锌合金可以在高应变速率下承受大变形量的塑性加工而不发生断裂，可广泛应用于冷镦、铆接等大加工量变形加工。

该变形锌合金的延伸率为25％以上，断面收缩率为40％以上。

上述具有高塑性的变形锌合金的制备方法，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圆形或者矩形铸锭；2)铸锭挤压或者轧制，其挤压或轧制温度为170-360℃；3)经过至少两次拉伸或者轧制和至少两次热处理后加工为成品，其中热处理温度为：120-380℃，热处理时间为1-10h。与其他变形锌合金不同，本发明Zn-Cu-Ti变形锌合金经过冷轧后明显变软，同时硬度、强度降低，塑性提高，且冷加工率越大，软化程度越大，因此如何控制挤压或轧制加工温度及后续的热处理温度和热处理时间等对于材料的性能控制起着关键的作用。

通过上述挤压或轧制以及拉伸或轧制等塑性加工方法，使得η相呈均匀分布的细小等轴晶状。同时，较大的变形量可将粗大的第二相打碎，并改变其分布，使第二相呈带状、线状分布，变形加工后的ε相的晶粒度小于8微米。本发明η相和ε相两相的存在，保证了合金材料的高塑性和导电性能，细小的ε相可保证合金较高的强度和硬度，最终使本发明合金能够满足电源插头、插片的冷锻或者铆接性能要求。

上述具有高塑性的变形锌合金在电源插头、插片、通讯连接器及电子电气产品中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)传统的作为冷镦或铆接材料的黄铜，均为高铜含量的单相合金，通过加工硬化提高其强度和硬度，而本发明变形锌合金为多相材料，通过基体相和第二相来确保材料的高塑性及适宜的强度和硬度，其延伸率为26-40％，导电率为24-29％IACS，抗拉强度为201-348MPa，断面收缩率为41-56％。并且，通过控制基体相和第二相的体积比可对材料的塑性、强度和硬度进行相应调整。

(2)传统的高铜含量单相黄铜合金的价格和比重均远高于本发明变形锌合金，在电源插头、插片等电气行业及其他相关行业选择本发明变形锌合金替代铜合金后，可大幅降低产品制造成本。

(3)本发明的高塑性变形锌合金为细小的等轴晶组成的多相合金，可通过调整合金成分和制造工艺来调整各个相在合金微观组织中的体积百分含量，起到改善合金性能的目的，其性能改善方式灵活多变，因此适用范围更广，而高铜含量单相黄铜，只有依靠加工量来改进性能。

附图说明

图1为实施例1合金的XRD衍射照片；

图2为实施例2合金的扫描电镜照片(标尺10μm)；

图3为实施例2合金的扫描电镜照片(标尺6μm)，其中深灰色为η相，浅灰色为ε相；

图4为实施例2合金的EDS在Spectrum2处(η相)探测分析结果，在此点检测出Zn、Cu两种元素；

图5为实施例2合金的EDS在Spectrum2处的原子含量检测结果，按所含原子百分比计算，Cu为4.70at％，Zn为95.30at％；

图6为实施例2合金的EDS在Spectrum4处(ε相)探测分析结果，在此点检测出Zn、Cu、Ti三种元素；

图7为实施例2合金的EDS在Spectrum4处的原子含量检测结果，按所含原子百分比计算，Cu为6.48at％，Ti为3.25at％，Zn为90.26at％。

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(Zamark3压铸锌合金)，通过热顶铸造、半连续铸造或水平连续铸造生产成圆形或者矩形铸锭，铸锭经过挤压或者轧制，其挤压或者轧制加工温度为170-360℃，经过至少两次拉伸或者轧制和至少两次热处理后加工为成品，其中热处理温度为：120-380℃，热处理时间为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。

实施例、对比例的成分及性能测试结果见表1。

图1为实施例1变形锌合金的XRD衍射照片。通过与标准比对，发现合金包含两种相，即η相和ε相，η相为铜置换锌的固溶体，ε相是铜锌金属间化合物和锌铜钛金属间化合物。

对于实施例2变形锌合金，进行了扫描电镜和EDS检测，检测结果见图2-图7。

Claims (10)

1.一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于，该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.1%≤Cu≤5%，0.01%≤Ti≤2%，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金的微观组织包含η相和ε相，所述的η相为铜置换锌的固溶体，所述的ε相由铜锌金属间化合物和锌铜钛金属间化合物组成。

2.根据权利要求1所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的微观组织中，所述的η相的体积分数为60-95%，所述的ε相的体积分数为5-40%，所述的ε相的平均晶粒度小于8微米。

3.根据权利要求1所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.1%≤Cu≤2.3%，0.05%≤Ti≤0.5%。

4.根据权利要求1所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成包括：2.35%≤Cu≤4.5%，0.05%≤Ti≤0.5%。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成还包括总量为0.001-1%的Zr和Cr中的至少一种。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成还包括总量为0.001-2%的Y、Sc、RE、Be、Co、B和Mn中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成还包括总量为0.001-2%的Y、Sc、RE、Be、Co、B和Mn中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种具有高塑性的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的延伸率为25%以上，断面收缩率为40%以上。

9.一种权利要求1所述的具有高塑性的变形锌合金的制备方法，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圆形或者矩形铸锭；2）铸锭挤压或者轧制，其挤压或轧制温度为170-360℃；3）经过至少两次拉伸或者轧制和至少两次热处理后加工为成品，其中热处理温度为：120-380℃，热处理时间为1-10h。

10.权利要求1-4中任一项所述的一种具有高塑性的变形锌合金在电源插头、插片、通讯连接器及电子电气产品中的应用。