CN104928533A - 用于非真空铸造的锌-铜-钛三元中间合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于非真空铸造的锌-铜-钛三元中间合金及其制备方法，其由锌元素、铜元素、钛元素以及不可避免的杂质组成，其中，锌元素的质量百分数为75％～95％，不可避免的杂质的重量百分数不超过0.1％，余量为铜元素、钛元素的混合物且铜元素与钛元素的质量比为(5～25)：1。本发明在锌合金铸造过程中使用，显示的有益效果如下：采用本工艺可以使合金元素能够在锌熔体中迅速熔解，提高生产效率，且工艺简单，安全可靠，操作方便，具有较高的市场竞争力，适合推广到规模化工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于非真空铸造锌-铜-钛三元中间合金及其制备方法，属于工业用锌合金及制造领域。
背景技术
钛锌板建筑屋面材料作为一种新型绿色建材逐渐进入中国建材市场，国内与之相媲美的同类产品仅限于彩色涂层钢板，而欧美各国运用锌做成产品用在盖顶上已有近200年的历史。对于使用寿命和品质要求更高的建筑，采用整体防腐蚀，寿命可超过百年的钛锌板是世界各地建筑师的首要选择。钛锌板是一种合金，在符合欧洲质量标准EN1179的高纯度Z1级金属锌(纯度99.995％)中加入了钛和铜熔炼而成。铜增加了合金的机械强度和硬度。含有这些金属的合金使板材膨胀系数降低，更加适应温差较大的地区。钛能够改善合金的抗蠕变性，使其在热胀冷缩后不至产生金属疲劳。钛锌板为高级金属合金板，依照欧洲标准EN988制造。
目前国内尚无文献和专利报道有锌-铜-钛合金的铸造工艺，由于锌熔点远低于铜和钛的熔点，加之锌与钛还存在一定的烧损率，若直接用纯金属进行锌-铜-钛合金的熔炼会存在铜难以熔化或熔化不完全的问题，还会导致铜钛组分难以均匀分布到合金当中，无法达到理想的效果，若重复熔炼必然会使生产成本提高。目前常常将锌-铜和锌-钛两种二元合金加入锌熔体，但是常常存在难以控制铜钛比例的难题，而且熔炼铸造复杂，熔炼精炼时间长，产生大量烟尘，释放刺激性气味，恶化操作环境，同时损害作业人员身体健康，并对周围环境造成污染(耿浩然、王守仁、王艳等.铸造锌、铜合金[M].北京：化学工业出版社，2006：65～73)。因此，锌合金熔炼迫切需要一种与成品合金中铜钛比例相同的锌-铜-钛三元中间合金，简化成分控制和熔炼过程。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于非真空铸造锌-铜-钛三元中间合金及其制备方法，以解决上述问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种用于非真空铸造的锌-铜-钛三元中间合金，其由锌元素、铜元素、钛元素以及不可避免的杂质组成，其中，锌元素的质量百分数为75％～95％，不可避免的杂质的重量百分数不超过0.1％，余量为铜元素、钛元素的混合物且铜元素与钛元素的质量比为(5～25)：1。
锌铜钛合金中铜元素与钛元素的合理质量比约为(5～25)：1，若铜元素与钛元素的质量比高于这个范围，配置合金时需要另外加入锌-钛二元合金，若低于这个范围，配置合金时需要另外加入锌-铜二元合金，导致合金熔炼成分控制复杂化。此外若锌铜钛合金中铜元素与钛元素的质量比不在(5～25)：1范围内，则不能充分利用纯钛在熔解过程中产生的热量。
第二方面，本发明提供了一种如前述的锌-铜-钛三元中间合金的制备方法，其包括如下步骤：
将纯锌、纯铜和纯钛均去除氧化层；
将占纯总锌质量10％的纯锌在430～450℃下熔化成熔池后，加入剩余纯锌；
待纯锌全部熔化后，升温至690～740℃，加入少量纯钛；
待所述少量纯钛完全熔化后，将剩余纯钛和全部纯铜分3～5次加入，并保持温度恒定在800～900℃；
待全部纯钛和纯铜加入后保温5～10min，停止加热，在熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，待熔体冷却至650℃时加入精炼剂，进行搅拌精炼，分至少两次撇去熔体中的脏物及浮渣；
进行浇铸后，得到所述锌-铜-钛三元中间合金；
其中，所述少量纯钛的质量为全部纯钛质量的5～10％。
作为优选方案，所述覆盖剂的组分包括：氯化钠40～60wt％，氯化钾40～60wt％。
作为优选方案，所述精炼剂的组分包括：碳酸镁为50～70wt％，氯化钠为10～30wt％，氯化钾为10～30wt％。
作为优选方案，所述纯钛为海绵钛。海绵钛资源丰富，价格低廉，另外海绵钛比表面积大可加速传热和熔炼过程，从而减少能源消耗量，降低铸造成本。
作为优选方案，所述精炼的温度不超过650℃，精炼搅拌时间不超过10min，尽量避免锌的烧损。
本发明的技术方案中，其主要原理是在相对较低温度下加入纯钛，随着纯钛的熔解会释放出大量的热使温度迅速升高，并在锌熔体表面形成致密氧化物减少锌的烧损。然后分批加入纯钛和纯铜，利用纯钛产生的热促使纯铜在熔体中迅速熔解，同时避免加入纯钛后热量释放过多引起的锌熔体温度过高导致锌的烧损和产生安全隐患。由于感应炉加热速率较快，因此中间合金的生产周期短，制备过程能量高效利用，降低生产成本，提高了中间合金的市场竞争力，适合推广到规模化工业生产中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)中间合金原料均为纯金属，来源广泛，整个制备过程无杂质元素渗入，制备的中间合金杂质含量极低；
(2)铸造过程中精炼剂的使用可有效去除锌合金熔液中杂质，有效改善了锌及锌合金的机械性能和耐腐蚀性能；
(3)纯铜的最后加入合理地利用了纯钛熔解过程中产生的热量，利用纯钛产生的热促使纯铜在熔体中迅速熔解，减少了三元合金的铸造时间，同时有效减少了锌熔体的烧损。
(4)综上所述，采用本工艺可以使合金元素能够在锌熔体中迅速熔解，提高生产效率，且工艺简单，安全可靠，操作方便，具有较高的市场竞争力，适合推广到规模化工业生产中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1中纯锌为90％，铜和钛的质量比为14.4：1时制备的锌铜钛中间合金铸件表面金相照片；
图2为实施例2中纯锌为95％，铜和钛的质量比为9：1时制备的锌铜钛中间合金铸件表面金相照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种用于非真空铸造锌-铜-钛三元中间合金的重量百分比为：按理论配比，纯锌为90％，纯铜9.35％，纯钛为0.65％。
其制备方法是将要上述组分别用320目砂纸打磨去除氧化层，分别放入鼓风干燥箱中(200℃)进行烘干预热；使用石墨坩埚进行合金铸造，将感应加热炉温度设定为450℃，将锌锭完全熔化，之后将温度升高到690～740℃，将占纯钛总质量5％的纯钛加入到锌熔体中并继续保持加热。剩余的纯钛和纯铜分3～5次并依次用钟罩压入至锌合金熔体中，压入过程继续保持加热，并同时降低感应炉功率使锌合金熔体温度保持在800～900℃。全部纯钛和纯铜压入锌熔体后还需加热5～10分钟，保证纯钛和纯铜完全熔入合金中；停止加热并自然冷却至650℃时加使用钟罩将精炼剂压入锌液中距离坩埚底部约100mm的区域，搅拌约1～8分钟。精炼完成后，扒去液面的大量夹杂及浮渣，熔液静置1～10分钟，再次扒去液面上多余的杂质，浇铸入金属模具中。待合金凝固后脱模即可得到锌-铜-钛三元中间合金。本发明中最终制备的锌-铜-钛三元中间成分准确、无变形、缩凹、无可分辨的裂纹，微观组织分析显示合金无气孔和明显缺陷，如图1所示，本发明得到的锌-铜-钛三元中间合金组织分布均匀，无氧化夹杂和成分偏析现象。
实施例2
一种用于非真空铸造锌-铜-钛三元中间合金的重量百分比为：按理论配比，纯锌为75％，纯铜24.04％，纯钛为0.96％。
其制备方法是将要上述组分别用320目砂纸打磨去除氧化层，分别放入鼓风干燥箱中(200℃)进行烘干预热；使用石墨坩埚进行合金铸造，将感应加热炉温度设定为450℃，将锌锭完全熔化，之后将温度升高到690～740℃，将占纯钛质量5％的纯钛加入到锌熔体中并继续保持加热。剩余的纯钛和纯铜分3～5次并依次用钟罩压入至锌合金熔体中，压入过程继续保持加热，并同时降低感应炉功率使锌合金熔体温度保持在800-900℃。全部纯钛和纯铜压入锌熔体后还需加热5～10分钟，保证纯钛和纯铜完全熔入合金中；停止加热并自然冷却至650℃时加使用钟罩将精炼剂压入锌液中距离坩埚底部约100mm的区域，搅拌约1～8分钟。精炼完成后，扒去液面的大量夹杂及浮渣，熔液静置1～10分钟，再次扒去液面上多余的杂质，浇铸入金属模具中。待合金凝固后脱模即可得到锌-铜-钛三元中间合金。本发明中最终制备的锌-铜-钛三元中间成分准确、无变形、缩凹、无可分辨的裂纹，微观组织分析显示合金无气孔和明显缺陷，如图2所示，本发明得到的锌-铜-钛三元中间合金组织分布均匀，无氧化夹杂和成分偏析现象。
实施例3
一种用于非真空铸造锌-铜-钛三元中间合金的重量百分比为：按理论配比，纯锌为75％，纯铜4.17％，纯钛为0.83％。
其制备方法是将要上述组分别用320目砂纸打磨去除氧化层，分别放入鼓风干燥箱中(200℃)进行烘干预热；使用石墨坩埚进行合金铸造，将感应加热炉温度设定为450℃，将锌锭完全熔化，之后将温度升高到690～740℃，将占纯钛质量5％的纯钛加入到锌熔体中并继续保持加热。剩余的纯钛和纯铜分3～5次并依次用钟罩压入至锌合金熔体中，压入过程继续保持加热，并同时降低感应炉功率使锌合金熔体温度保持在800-900℃。全部纯钛和纯铜压入锌熔体后还需加热5～10分钟，保证纯钛和纯铜完全熔入合金中；停止加热并自然冷却至650℃时加使用钟罩将精炼剂压入锌液中距离坩埚底部约100mm的区域，搅拌约1～8分钟。精炼完成后，扒去液面的大量夹杂及浮渣，熔液静置1～10分钟，再次扒去液面上多余的杂质，浇铸入金属模具中。待合金凝固后脱模即可得到锌-铜-钛三元中间合金。本发明中最终制备的锌-铜-钛三元中间成分准确、无变形、缩凹、无可分辨的裂纹，微观组织分析显示合金无气孔和明显缺陷，本发明得到的锌-铜-钛三元中间合金组织分布均匀，无氧化夹杂和成分偏析现象。
实施例4
一种用于非真空铸造锌-铜-钛三元中间合金的重量百分比为：按理论配比，纯锌为95％，纯铜4.5％，纯钛为0.5％。
其制备方法是将要上述组分别用320目砂纸打磨去除氧化层，分别放入鼓风干燥箱中(200℃)进行烘干预热；使用石墨坩埚进行合金铸造，将感应加热炉温度设定为450℃，将锌锭完全熔化，之后将温度升高到690～740℃，将占纯钛质量5％的纯钛加入到锌熔体中并继续保持加热。剩余的纯钛和纯铜分3～5次并依次用钟罩压入至锌合金熔体中，压入过程继续保持加热，并同时降低感应炉功率使锌合金熔体温度保持在800～900℃。全部纯钛和纯铜压入锌熔体后还需加热5～10分钟，保证纯钛和纯铜完全熔入合金中；停止加热并自然冷却至650℃时加使用钟罩将精炼剂压入锌液中距离坩埚底部约100mm的区域，搅拌约1～8分钟。精炼完成后，扒去液面的大量夹杂及浮渣，熔液静置1～10分钟，再次扒去液面上多余的杂质，浇铸入金属模具中。待合金凝固后脱模即可得到锌-铜-钛三元中间合金。本发明中最终制备的锌-铜-钛三元中间成分准确、无变形、缩凹、无可分辨的裂纹，微观组织分析显示合金无气孔和明显缺陷，本发明得到的锌-铜-钛三元中间合金组织分布均匀，无氧化夹杂和成分偏析现象。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种用于非真空铸造的锌-铜-钛三元中间合金，其特征在于，由锌元素、铜元素、钛元素以及不可避免的杂质组成，其中，锌元素的质量百分数为75％～95％，不可避免的杂质的重量百分数不超过0.1％，余量为铜元素、钛元素的混合物且铜元素与钛元素的质量比为(5～25)：1。
2.一种如权利要求1所述的锌-铜-钛三元中间合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纯锌、纯铜和纯钛均去除氧化层；
将占纯总锌质量10％的纯锌在430～450℃下熔化成熔池后，加入剩余纯锌；
待纯锌全部熔化后，升温至690～740℃，加入少量纯钛；
待所述少量纯钛完全熔化后，将剩余纯钛和全部纯铜分3～5次加入，并保持温度恒定在800～900℃；
待全部纯钛和纯铜加入后保温5～10min，停止加热，在熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，待熔体冷却至650℃时加入精炼剂，进行搅拌精炼，分至少两次撇去熔体中的脏物及浮渣；
进行浇铸后，得到所述锌-铜-钛三元中间合金；
其中，所述少量纯钛的质量为全部纯钛质量的5～10％。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂的组分包括：氯化钠40～60wt％，氯化钾40～60wt％。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述精炼剂的组分包括：碳酸镁为50～70wt％，氯化钠为10～30wt％，氯化钾为10～30wt％。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纯钛为海绵钛。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述精炼的温度不超过650℃，搅拌时间不超过10min。
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