CN104694782B

CN104694782B - 一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法

Info

Publication number: CN104694782B
Application number: CN201510112800.7A
Authority: CN
Inventors: 田长文; 王龙; 刘运腾; 张新恩; 荣晓宇
Original assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: CN104694782A

Abstract

本发明涉及一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，(1)按照下列成分质量百分比选取纯金属或中间合金，熔炉内加热熔融并浇注成铸锭：25.0～40.0％Al、2.0～5.0％Cu、0.005～0.10％Mg、0.02～0.15％Ti、0.004～0.03％B，余量为锌以及不可避免的杂质元素，杂质元素含量控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％；(2)均匀化处理；(3)将均匀化处理后的铸锭放入挤压机的挤压筒内挤压成型，冷却。本发明通过组分和工艺处理的结合制得了高强高韧耐磨挤压锌合金，拉伸强度500～552MPa，伸长率11～25％，布氏硬度HB 120～153。

Description

一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种挤压锌合金(变形锌合金)的制备方法，特别是指一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，属有色金属新材料制造领域。

背景技术

高铝锌合金(20～45％Al)具有优良的耐磨性能，原材料成本低、资源丰富，熔化能耗少，密度小(4.0～5.2g/cm³)。用于代替锡青铜、铝青铜等铜合金，制造耐磨减摩零件，如轴套、蜗轮、齿轮、螺母、螺帽、滑板等，在机械制造领域应用，表现出良好的耐磨减摩性能，对于节约贵重的铜资源、节能降耗等，具有显著的经济和社会效益。

但是，目前应用的高铝锌合金主要以铸造方法生产，由于铝含量较高(20～45％Al)，凝固温度范围较宽，铸件呈糊状凝固方式，因此铸件易出现缩松、偏析等铸造缺陷，致使合金的塑韧性较差(伸长率1～3％)，在冲击载荷等情况下，易发生断裂等，限制了高铝锌合金应用范围。

通过采用晶粒细化、微合金化以及热处理等技术，都难以大幅度提高铸造锌合金的性能，特别是合金的塑韧性。

因此，研制一种强度、硬度、韧性各方面性能兼得的锌合金势在必行。

现有技术中有研究变形锌基合金的，如专利CN102534303A发明了一种高强度锌铝合金棒材及其制备方法，发明合金成分质量百分比为3.9～4.3％Al、0.5～1.25％Cu、0.03～0.06％Mg、余为Zn。通过挤压方法制备的棒材，拉伸强度≥370MPa，伸长率≥12％、布氏硬度HB≥90。但是，这种合金由于铝含量低，耐磨性差。专利CN101698912A发明了一种适用于连续挤压的变形锌基合金，发明合金成分质量百分比为8～30％Al、2～6％Cu、65～75％Zn，辅助成分0.05～0.3％B、0.05～0.2％Ti、0.01～0.45％Mn、0.01～0.05％Mg。或者发明合金成分质量百分比为5～25％Al、1～3％Cu、0.5～1.5％Mn、70～85％Zn，辅助成分0.5～1.5％B、0.5～1％Ti、0.01～0.48％Si、0.01～0.02％Mg。通过挤压方法制备的棒材，抗拉强度430MPa，伸长率≥20％。这种合金的B含量高，会影响合金的成形加工性能。专利(CN101914704 A)发明了一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金及其制备方法，合金成分按质量百分比为，0.05～3.0％Cr、0.5～2.5％Cu、0.1～0.3％Ti、余量为Zn，及总量不大于0.05％的杂质，还可以含有1.0～1.0％Al。该发明合金的拉伸强度≤300MPa，伸长率28.8～37.6％。该合金为Zn-Cu-Ti系合金，添加合金元素Cr，主要是提高抗蠕变性能。

直到目前，国内外对高铝变形锌合金及固态塑性成形加工等方面研究仍较少，也没有这方面的变形锌合金标准和优良的产品。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，包括步骤如下：

(1)按照下列成分质量百分比选取纯金属或中间合金，熔炉内加热熔化并浇注成铸锭：25.0～40.0％Al、2.0～5.0％Cu、0.005～0.10％Mg、0.02～0.15％Ti、0.004～0.03％B，余量为锌以及不可避免的杂质元素，杂质元素含量控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％；

(2)铸锭于280℃～360℃均匀化处理，均匀化处理时间2～12小时；

(3)将均匀化处理后的铸锭放入挤压机的挤压筒内，在280℃～340℃下挤压成型，冷却。

上述制备方法中，步骤(1)所述的成分质量百分比优选范围为：25.0～40.0％Al、2.5～4.5％Cu、0.015～0.05％Mg、0.04～0.08％Ti、0.008～0.016％B，余量为锌以及不可避免的杂质元素。

步骤(1)的具体操作优选：首先在电阻坩埚炉中加入电解铝、电解铜、锌锭，升温熔化，熔化控制温度700℃～750℃，当铝、铜含量高时，熔化控制温度相应提高，待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，静置后扒渣；然后，先加入预热温度200～300℃的Mg-Al中间合金，再加入预热温度200℃～300℃的Al-Ti-B中间合金，或同时加入预热200℃～300℃的Mg-Al中间合金和Al-Ti-B中间合金，待中间合金全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10至15分钟，在620℃～670℃浇注成圆形铸锭。

步骤(2)中铸锭均匀化处理的主要目的是减少成分偏析，获得组织较均匀的铸锭。均匀化处理温度和时间对挤压型材的性能和成形工艺有重要影响。当均匀化温度低或均匀化时间短时，铸锭组织均匀性差，挤压变形抗力大，挤压组织中保留了部分铸态组织的特征。随均匀化温度的增加和时间的延长，铸锭组织较为均匀，铸态组织中的富铜相CuZn₄相部分分解，固溶于基体中。均匀化温度超过360℃，会产生挤压坯料过烧现象。

步骤(3)为了提高合金的强度、塑韧性和耐磨性，挤压时采用风冷或水冷；挤压成型包括棒材、管材、U型材、板材等。挤压模具预热温度优选280℃～320℃，挤压筒预热温度优选280～320℃。

上述方法制得的锌合金拉伸强度500～552MPa，伸长率11～25％，布氏硬度HB 120-153。

本发明合金中的各组元在合金中的作用如下：铝在合金中的主要作用是提高合金的强度、硬度、塑性和耐磨性。随铝含量增加，挤压锌合金的强度、韧性和耐磨性提高。在合金中，加入铜提高合金的强度、硬度，耐磨性。铜部分固溶于富铝α相和富锌η相中，剩余的铜与锌形成CuZn₄金属间化合物相；铸造状态下，CuZn₄相呈点、块状分布在晶界上；随着铜含量的增加，CuZn₄金属间化合物相数量增加。过多的CuZn₄金属间化合物相会影响合金的塑韧性。铸坯经均匀化处理后挤压，CuZn₄金属间化合物相分布均匀、细小。镁是重要的微合金化元素，加入微量的镁，就可以获得非常显著的强化效果。微量的镁主要固溶于富铝α相、富锌的η相中，起固溶强化作用。Ti、B主要是用于细化合金的初生富铝α相，以获得组织细小、均匀的铸锭组织。合金中加入Ti、B后，在合金液中形成细小的TiAl₃相、TiB相等粒子，这些细小粒子作为初生富铝α相的晶核，促使基体组织初生富铝α相细化，形成等轴晶组织，有利于提高挤压合金的性能。

本发明通过组分和工艺处理的结合制得了高强高韧耐磨挤压锌合金。

附图说明

图1为本发明挤压出的一种型材；

图2为本发明制得的材料的金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明进一步具体说明。

实施例1

按照成分配比(质量百分比)：26.5％Al、2.51％Cu、0.015％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为200℃～300℃的Mg-10％Al中间合金、Al-Ti-B中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟。铸锭采用金属型铸造，浇注温度630℃。铸锭经车削加工去表层氧化皮后，备挤压用。

在箱式电阻炉中对挤压坯料进行均匀化处理，均匀化温度300℃，时间3小时，然后挤压成直径Φ16的棒材，挤压筒预热温度300℃，模具温度300℃，挤压筒直径125，挤压比61。挤压时采用风冷。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为502MPa，伸长率18％，布氏硬度HB123。

实施例2

按照成分配比(质量百分比)：26.5％Al、2.51％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为200℃～300℃的Mg-10％Al中间合金、Al-Ti-B中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟。铸锭采用金属型铸造，浇注温度630℃。铸锭经车削加工后，备挤压用。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为530～537MPa，伸长率14～15％，布氏硬度HB135。

实施例3

按照成分配比(质量百分比)：26.5％Al、2.51％Cu、0.05％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为512～516MPa，伸长率21～23％，布氏硬度HB138。

实施例4

按照成分配比(质量百分比)：26.5％Al、3.5％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度700℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为200℃～300℃的Mg-10％Al中间合金、Al-Ti-B中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟。铸锭采用金属型铸造，浇注温度640℃。铸锭经车削加工后，备挤压用。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为516～519MPa，伸长率20～23％，布氏硬度HB145。

实施例5

按照成分配比(质量百分比)，26.5％Al、4.5％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为521～523MPa，伸长率22～24％，布氏硬度HB153。

实施例6

按照成分配比(质量百分比)：29.6％Al、3.5％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度730℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为200℃～300℃的Mg-10％Al中间合金、Al-Ti-B中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟。铸锭采用金属型铸造，浇注温度650℃。铸锭经车削加工后，备挤压用。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为523～539MPa，伸长率15～17％，布氏硬度HB149。

实施例7

按照成分配比(质量百分比)：29.6％Al、4.5％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度730℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为200℃～300℃的Mg-10％Al中间合金、Al-Ti-B中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟。铸锭采用金属型铸造，浇注温度650℃。铸锭经车削加工后，备挤压用。挤压时采用风冷。

在箱式电阻炉中对挤压坯料进行均匀化处理，均匀化温度300℃，时间3小时，然后挤压成直径Φ16的棒材，挤压筒预热温度300℃，模具温度300℃，挤压筒直径125，挤压比61。

挤压态棒材的力学性能为：抗拉强度为525～541MPa，伸长率15～20％，布氏硬度HB145。

实施例8

按照成分配比(质量百分比)：39.8％Al、3.5％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

制备方法如下：称取电解铝、电解铜、锌锭，放入预热的坩埚中，电阻炉熔化控制温度750℃。待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，然后静置扒渣。加入预热温度均为200℃～300℃的Mg-10％Al中间合金、Al-Ti-B中间合金，待全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10分钟。铸锭采用金属型铸造，浇注温度670℃。铸锭经车削加工后，备挤压用。挤压时采用风冷。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为540～550MPa，伸长率15～18％，布氏硬度HB145。

实施例9

按照成分配比(质量百分比)：39.8％Al、4.5％Cu、0.025％Mg、0.05％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为538～552MPa，伸长率15～17％，布氏硬度HB148。

实施例10

按照成分配比(质量百分比)：26.5％Al、2.51％Cu、0.025％Mg、0.025％Ti、0.01％B，余量为Zn以及不可避免的杂质元素，杂质元素控制范围为：Fe≤0.1％、Pb≤0.004％、Sn≤0.002％、Cd≤0.003％。

在箱式电阻炉中对挤压坯料进行均匀化处理，均匀化温度300℃，时间3小时，然后挤压成直径Φ20的棒材，挤压筒预热温度300℃，模具温度300℃，挤压筒直径125。挤压比39。挤压时采用风冷。

挤压态棒材的力学性能为：拉伸强度为507MPa，伸长率20～23％，布氏硬度HB138。

实施例11

按照实施例2的方法，挤压成宽48mm、高36mm、壁厚为10～14mm的U型材，见附图1。挤压时采用风冷。型材的力学性能为：拉伸强度为515～520MPa，伸长率15～18％，布氏硬度HB131。挤压态金相组织见附图2。经挤压后，合金的组织致密、细小，因此拉伸强度、塑韧性大幅度提高。

Claims

1.一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，其特征是，包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，其特征是，步骤(1)所述的成分质量百分比范围为：25.0～40.0％Al、2.5～4.5％Cu、0.015～0.05％Mg、0.04～0.08％Ti、0.008～0.016％B，余量为锌以及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，其特征是，步骤(1)的具体操作为：首先在电阻坩埚炉中加入电解铝、电解铜、锌锭，升温熔化，熔化控制温度700℃～750℃，当铝、铜含量高时，熔化控制温度相应提高，待全部熔化后，用精炼剂进行除渣除气处理，静置后扒渣；然后，先加入预热温度200～300℃的Mg-Al中间合金，再加入预热温度200℃～300℃的Al-Ti-B中间合金，或同时加入预热200℃～300℃的Mg-Al中间合金和Al-Ti-B中间合金，待中间合金全部熔化后，将金属液搅拌均匀，静置10至15分钟，在620℃～670℃浇注成圆形铸锭。

4.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨挤压锌合金的制备方法，其特征是，步骤(3)挤压时采用风冷或水冷。

5.权利要求1所述的方法制得的锌合金。

6.根据权利要求5所述的锌合金，其特征是，拉伸强度500～552MPa，伸长率11～25％，布氏硬度HB 120～153。