CN105624468B - 高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法 - Google Patents

高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法，属于合金材料技术领域。高强韧锌合金组分按质量百分比为Mn：0.5～2％，Mg：0.05～1％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn；其制备方法为：按成分组成配料熔化后得到锌合金熔体，加入0.3～0.5％的六氯乙烷，在430～470℃浇铸，获得直径为40～60mm的圆柱形铸锭；将铸锭进行均匀化处理，在140～310℃进行反向热挤压，得到高强韧锌合金棒材；棒材进行室温拉拔和中间退火获得高强韧锌合金线材。本发明制备的高强韧锌合金，成分组成少，合金具备高强度、高韧性的优点，其加工方式多样，外形尺寸变化范围宽，其腐蚀速率为同条件下纯Zn的10～25％。

Description

高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，特别涉及一种高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法。
背景技术
随着社会发展和经济进步，铜及铜合金的应用越来越广泛。然而，随着铜资源的开采与消耗，导致其价格不断攀升。所以寻找新型铜及其合金的替代材料以满足现代工业和社会发展的需求越来越迫切。锌及锌合金具有优越的抗摩擦性能、高阻尼性、适宜的力学性能、熔点低且熔体流动性好等特点，使得锌和锌合金成为优良的铜合金替代材料。目前，锌基合金主要包括Zn-Al和Zn-Cu系。其中，Zn-Al(-Cu-Mg)合金以其良好的力学性能、耐磨性和耐蚀性，作为铜及铜合金代用品方面受到广泛关注，可作为中、低速中温重载轴承、轴瓦、轴套等耐磨零部件替代黄铜。但是Zn-Al(-Cu-Mg)合金由于合金元素的添加，容易发生点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀，表现出力学性能下降、尺寸不稳定等现象，进而老化失效。而Zn-Cu-Ti合金尽管具有优异的抗蠕变性能，但其变形态Zn-Cu-Ti合金的抗拉强度为250～350MPa，仅达到黄铜软态的水平，导致其应用范围有限。
因此，开发新型不含铜的锌合金体系，以替代价格昂贵的铜合金，从而进一步扩大其应用范围，具有显著的实际意义和价值。本发明公开了一种新型不含铜的高强韧锌合金体系及其制备工艺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法，通过原料熔铸、均匀化处理、反向热挤压、室温拉拔和中间退火处理获得不同外形尺寸、力学性能优异的高强度、韧性好的棒材、线材。
本发明的高强韧锌合金棒材/线材，组分按质量百分比为：Mn：0.5～2％，Mg：0.05～1％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn；其中，高强韧锌合金棒材的直径为5～12mm；高强韧锌合金线材的直径为0.05～3mm。
本发明的高强韧锌合金棒材，抗拉强度为300～450MPa，拉伸屈服强度为280～420MPa，延伸率15～30％；本发明的高强韧锌合金棒材，中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为1.2～6.4g/m2/day。
本发明的高强韧锌合金线材，抗拉强度为380～520MPa，拉伸屈服强度为350～490MPa，延伸率10～25％。
本发明的高强韧锌合金棒材/线材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，熔铸：
(1)配料：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；
(2)将纯金属锌加热至530～560℃，熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；
(3)将锌合金熔体温度降至460～490℃，向锌合金熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.3～0.5％，之后在460～490℃保温静置15～25min；
(4)将锌合金熔体温度降至430～470℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为40～60mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：
(1)将铸锭，在300～330℃保温2～4小时；
(2)随炉升温至350～380℃保温1～3小时；
(3)水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：
(1)将铸锭加工成挤压尺寸的锭坯，在140～310℃保温30～50min；
(2)将锭坯，在140～310℃进行反向热挤压，其中，挤压比16～64；
(3)空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材；
步骤4，室温拉拔和中间退火：
将锌合金棒材，通过室温拉拔-中间退火工艺制备线材，单道次变形量为5～15％，每次室温拉拔的累计变形量达到40～70％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量大于等于90％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为90～260℃，退火时间为30～50min。
其中：
上述的步骤1(3)中，利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷；所述步骤1中，采用的加热设备为电阻炉。
本发明高强韧锌合金棒材/线材及其制备方法，与现有技术相比，优点在于：
1.本发明高强韧锌合金中合金元素中不含铅、铝、铜，只有镁、锰，且添加量都很少，且通过本发明制备的合金中可以形成大量Mg2Zn11和MnZn13第二相，以及少量的高熔点第二相MgZn2，对合金起到显著的强化作用；同时通过热变形或退火工艺控制可以使基体晶粒非常细小，实现细晶强化和韧化作用。从而能够同时提高合金的强度和塑性。
2.本发明高强韧锌合金可通过常规的热挤压、室温拉拔和中间退火的方式加工，获得外形尺寸变化范围很宽的(Φ0.05～12mm)棒材、线材。
3.本发明高强韧锌合金棒材，采用中性盐雾试验增重法计算腐蚀速率，配制NaCl溶液浓度为5％，pH值在6.5～7.2之间，在盐雾箱中放置7天之后计算其腐蚀速率在1.2～6.4g/m2/day之间，为同条件下纯Zn腐蚀速率10％～25％。
4.本发明高强韧锌合金棒材/线具有高强韧性，且不仅可以通过挤压、拉拔、退火工艺制备成棒材/线材，亦可在高温和室温下通过锻造、轧制、冲压的方法获得不同尺寸范围的板材和型材。
附图说明
图1为本发明实施例1的高强韧锌合金棒材的XRD结果；
图2为本发明实施例1的高强韧锌合金棒材的金相组织照片；
图3为本发明实施例1的高强韧锌合金棒材的SEM-BSE照片；
图4为本发明实施例1的高强韧锌合金棒材的SEM-EBSD照片，其中，图中a对应的深灰色部分表示MnZn13，图中b对应的白色部分表示MgZn2；
图5为本发明实施例1的高强韧锌合金棒材的室温拉伸性能曲线图；
图6为本发明实施例1的高强韧锌合金线材的金相组织照片；
图7为本发明实施例1的高强韧锌合金线材的室温拉伸性能曲线图；
图8为本发明实施例1的高强韧锌合金棒材的中性盐雾试验7天之后表面腐蚀产物形貌。
具体实施方式
以下实施例中采用的金属锌的纯度为99.95％，金属镁的纯度为99.95％，金属锰的纯度为99.8％。
以下实施例中观测金相组织采用OLYMPUS公司生产的GX71倒置式系统金相显微镜。
以下实施例中拉伸实验采用的标准为国标GB/T228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》，设备为岛津制作株式会社所生产的AG-X100kN电子万能材料试验机。
以下实施例中中性盐雾实验采用的标准为国家标准GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验——盐雾试验》，并根据腐蚀增重测定腐蚀速率，其具体参数为：配制NaCl溶液浓度为5％，pH值在6.5～7.2之间，在盐雾箱中放置7天之后计算其腐蚀速率。
以下实施例中，步骤1采用的加热设备为电阻炉。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
高强韧锌合金棒材/线材，组分按质量百分比为：Mn：0.8％，Mg：0.18％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn。
高强韧锌合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，熔铸：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；将纯金属锌在石墨坩埚中加热至550℃，全部熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；将熔体温度降至480℃，向熔体中利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.35％，之后在480℃保温静置20min；将熔体温度降至440℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为60mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：将铸锭，在320℃保温3小时；随炉升温至370℃保温2小时；水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：将铸锭车削加工成Φ48mm×110mm的挤压锭坯，200℃下保温40min后，并在此温度下进行反向热挤压，得到Φ12mm的棒材，挤压比为16，空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材。
步骤4，室温拉拔和中间退火：将锌合金棒材进行室温拉拔-中间退火，单道次变形量为10％；每次室温拉拔的累计变形量达到60％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量达到94％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为200℃，退火时间为40min。
本实施例的制备的高强韧锌合金棒材，其XRD结果见图1，其金相组织照片见图2，其SEM-BSE照片见图3，其SEM-EBSD照片见图4，其室温拉伸性能曲线图见图5，抗拉强度达到360MPa，拉伸屈服强度达到340MPa，延伸率达到21％。中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为2.5g/m2/day。本实施例的高强韧锌合金棒材的中性盐雾试验7天之后表面腐蚀产物形貌见图8。
本实施例的制备的高强韧锌合金线材，其金相组织照片见图6，其室温拉伸性能曲线图见图7，抗拉强度达到410MPa，屈服强度达到380MPa，延伸率达到18％。
实施例2
高强韧锌合金棒材/线材，组分按质量百分比为：Mn：2％，Mg：1％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn；
高强韧锌合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，熔铸：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；将纯金属锌在石墨坩埚中加热至550℃，全部熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；将熔体温度降至480℃，向熔体中利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.4％，之后在480℃保温静置20min；将熔体温度降至460℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为40mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：将铸锭，在320℃保温3小时；随炉升温至370℃保温2小时；水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：将铸锭车削加工成Φ30mm×50mm的挤压锭坯，310℃下保温30min后，在此温度下进行反向热挤压，得到Φ5mm的棒材，挤压比为36，空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材；
步骤4，室温拉拔和中间退火：将锌合金棒材进行室温拉拔-中间退火，单道次变形量为5％；每次室温拉拔的累计变形量达到40％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量达到96％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为260℃，退火时间为30min。
本实施例的高强韧锌合金棒材，其抗拉强度达到450MPa，拉伸屈服强度达到420MPa，延伸率达到15％。中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为6.4g/m2/day。
本实施例的高强韧锌合金线材，抗拉强度达到520MPa，屈服强度达到490MPa，延伸率达到10％。
实施例3
高强韧锌合金棒材/线材，组分按质量百分比为：Mn：0.5％，Mg：0.05％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn。
高强韧锌合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，熔铸：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；将纯金属锌在石墨坩埚中加热至550℃，全部熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；将熔体温度降至480℃，向熔体中利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.45％，之后在480℃保温静置15min；将熔体温度降至450℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为60mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：将铸锭，在330℃保温2小时；随炉升温至350℃保温3小时；水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：将铸锭车削加工成Φ48mm×110mm的挤压锭坯，140℃下保温50min后，在此温度下进行反向热挤压，得到Φ6mm的棒材，挤压比为64；空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材；
步骤4，室温拉拔和中间退火：将锌合金棒材进行室温拉拔-中间退火，单道次变形量为15％；每次室温拉拔的累计变形量达到70％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量达到99％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为90℃，退火时间为50min。
本实施例的高强韧锌合金棒材，抗拉强度达到300MPa，拉伸屈服强度达到280MPa，延伸率达到30％。中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为1.2g/m2/day。
本实施例的高强韧锌合金线材，抗拉强度达到380MPa，屈服强度达到350MPa，延伸率达到25％。
实施例4
高强韧锌合金棒材/线材，组分按质量百分比为：Mn：1.5％，Mg：0.6％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn；
高强韧锌合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，熔铸：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；将纯金属锌在石墨坩埚中加热至530℃，全部熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；将熔体温度降至460℃，向熔体中利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.3％，之后在460℃保温静置15min；将熔体温度降至430℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为40mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：将铸锭，在300℃保温4小时；随炉升温至380℃保温1小时；水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：将铸锭车削加工成Φ30mm×50mm的挤压锭坯，250℃下保温50min后，在此温度下进行反向热挤压，得到Φ5mm的棒材，挤压比为36，空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材；
步骤4，室温拉拔和中间退火：将锌合金棒材进行室温拉拔-中间退火，单道次变形量为8％；每次室温拉拔的累计变形量达到50％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量达到99.6％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为200℃，退火时间为30min。
本实施例的高强韧锌合金棒材，其抗拉强度达到430MPa，拉伸屈服强度达到385MPa，延伸率达到17％。中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为6.0g/m2/day。
本实施例的高强韧锌合金线材，抗拉强度达到490MPa，屈服强度达到455MPa，延伸率达到12％。
实施例5
高强韧锌合金棒材/线材，组分按质量百分比为：Mn：1％，Mg：0.8％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn；
高强韧锌合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，熔铸：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；将纯金属锌在石墨坩埚中加热至560℃，全部熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；将熔体温度降至490℃，向熔体中利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.5％，之后在490℃保温静置25min；将熔体温度降至470℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为40mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：将铸锭，在320℃保温4小时；随炉升温至370℃保温3小时；水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：将铸锭车削加工成Φ30mm×50mm的挤压锭坯，200℃下保温50min后，在此温度下进行反向热挤压，得到Φ5mm的棒材，挤压比为36，空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材；
步骤4，室温拉拔和中间退火：将锌合金棒材进行室温拉拔-中间退火，单道次变形量为12％；每次室温拉拔的累计变形量达到60％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量达到90％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为150℃，退火时间为50min。
本实施例的高强韧锌合金棒材，其抗拉强度达到400MPa，拉伸屈服强度达到360MPa，延伸率达到24％。中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为5.5g/m2/day。
本实施例的高强韧锌合金线材，抗拉强度达到480MPa，屈服强度达到430MPa，延伸率达到15％。
以上实施例也仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高强韧锌合金棒材/线材，其特征在于，组分按质量百分比为：Mn：0.5～2％，Mg：0.05～1％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Zn；其中，高强韧锌合金棒材的直径为5～12mm；高强韧锌合金线材的直径为0.05～3mm；
所述的高强韧锌合金棒材其抗拉强度为300～450MPa，拉伸屈服强度为280～420MPa，延伸率15～30％；所述的高强韧锌合金棒材，中性盐雾试验增重法测得其腐蚀速率为1.2～6.4g/m2/day；
所述的高强韧锌合金线材其抗拉强度为380～520MPa，拉伸屈服强度为350～490MPa，延伸率10～25％。
2.权利要求1的高强韧锌合金棒材/线材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，熔铸：
(1)配料：按高强韧锌合金的质量百分比，称量配料；
(2)将纯金属锌加热至530～560℃，熔化后依次加入金属镁和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得锌合金熔体；
(3)将锌合金熔体温度降至460～490℃，向锌合金熔体中加入六氯乙烷，六氯乙烷的加入量为熔体质量的0.3～0.5％，之后在460～490℃保温静置15～25min；
(4)将锌合金熔体温度降至430～470℃，进行浇铸，浇铸过程中模具通水冷却，获得直径为40～60mm的圆柱形铸锭；
步骤2，均匀化处理：
(1)将铸锭，在300～330℃保温2～4小时；
(2)随炉升温至350～380℃保温1～3小时；
(3)水冷至室温；
步骤3，反向热挤压：
(1)将铸锭加工成挤压尺寸的锭坯，在140～310℃保温30～50min；
(2)将锭坯，在140～310℃进行反向热挤压，其中，挤压比16～64；
(3)空冷至室温，获得高强韧锌合金棒材；
步骤4，室温拉拔和中间退火：
将锌合金棒材，通过室温拉拔-中间退火工艺制备线材，单道次变形量为5～15％，每次室温拉拔的累计变形量达到40～70％时进行一次退火；当室温拉拔的总累计变形量大于等于90％时，进行最后一次退火；之后空冷到室温，获得高强韧锌合金线材，其中，退火温度为90～260℃，退火时间为30～50min。
3.如权利要求2所述的高强韧锌合金棒材/线材的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(3)中，利用石墨钟罩向熔体中加入六氯乙烷。
4.如权利要求2所述的高强韧锌合金棒材/线材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，采用的加热设备为电阻炉。
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