CN106521241A - 一种可冷镦的变形锌合金及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可冷镦的变形锌合金，该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.01%≤Cu≤5.0%，0.01%≤Al≤5.0%，0.001%≤Mg≤1.0%，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金的微观组织以单相的η相固溶体组织为基体，单相的η相固溶体组织在该变形锌合金的微观组织中的体积分数为95～99 %；区别于普通的Zn‑Cu‑Al基变形锌合金，本发明合金的微观组织以单相的η相固溶体组织为基体，其抗拉强度可以达到280 MPa以上，延伸率可以达到15 %以上，为冷镦加工提供足够的变形能力；本发明通过实现单相的基体组织，赋予锌合金优异的综合性能，其强度、塑性、硬度、抗剪切性能得到协调，冷镦性能较好，可进行冷镦等冷变形加工，具体可应用于各种电源插头、接线柱等产品。

Description

一种可冷镦的变形锌合金及其应用

技术领域

本发明涉及锌合金及其应用技术领域，具体涉及一种具有单相基体组织的变形锌合金，该锌合金可进行冷镦等冷变形加工，具体可应用于各种电源插头、接线柱等产品。

背景技术

冷镦技术是一种高速变形的冷加工技术，通过各种模具将金属棒线材快速加工成各种复杂结构的零件。与传统的车削技术相比较，冷镦可以提高材料的利用率，降低损耗，提高劳动效率，并且冷镦产品组织均匀、致密，已广泛应用于各种标准件产品，因此冷镦成为金属材料加工成型的重要手段。

冷镦对金属材料的性能要求很高，要求金属材料具备良好的组织均匀性、流动性和成型性，同时对金属材料的硬度、屈服强度和韧性等均有较高要求，且产品结构越复杂对材料的综合性能要求越高。目前常见的用于冷镦的金属材料有：铁合金、不锈钢、铝合金、紫铜及钛合金等。

金属材料的冷镦成型性能、塑性、剪切强度及显微组织密切相关。当材料的塑性较好时，材料本身的变形能力比较强，在冷镦大变形过程中不容易产生裂纹；当材料的剪切强度较高时，抗剪切变形能力较好，冷镦变形带分岔部位的晶粒在受到剪切应力的作用时不容易发生断裂。因此良好的塑性和理想的抗剪切变形能力是确保锌基合金在冷镦大变形过程中不产生裂纹的前提基础。冷镦产品的变形加工往往要经过多个模具、多道次、大变形量的加工，如果金属材料的加工硬化率比较高，会出现加工硬化的现象，难以保证最终产品的质量。所以加工硬化不明显的材料更适合于冷镦加工技术，而锌合金属于在加工变形过程中，加工硬化不明显的材料，铜合金、钢铁等属于加工硬化的材料，因此相比于铜合金和钢铁等材料，锌合金用于冷镦具有天然的优势。

锌是一种重要的有色金属，具有良好的导电性、压延性及耐磨性，虽然目前锌在有色金属领域的使用量仅次于铜及铝，但是现阶段对锌的使用大多集中在铜合金或铝合金中。近年来业内对变形锌合金也有所研发，例如，CN104498773A公开了一种变形锌合金，其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；通过其制备方法可获得最佳的固溶体的溶质含量，该发明通过α相和η相的协同促进改善合金综合性能，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。又如，CN104328313A公开了一种高强度的变形锌基合金材料，其重量百分比组成包括：Cu：5～15wt％，Al：7～20wt％，Mg：0.01～1.5wt％，Cr：0.01～2.0wt％，余量为Zn和不可避免的杂质，该锌基合金材料的微观组织含有细小而均匀分布的初生相ε、富铝的Al-Zn-Cu三元组成的细小共析组织和富锌的Zn-Al-Cu三元共晶组织，其抗拉强度在500MPa以上、HV硬度在120以上、延伸率在10％以上、导电率在26％IACS以上，同时具有良好的机加工性能，可作为传统铜合金尤其是传统铅黄铜的替代品，应用于电源插头、电子电气产品和通讯连接器等行业中。但以上变形锌合金并不涉及冷镦加工，其综合性能也满足不了冷镦加工的要求，而因冷镦加工对材料的高性能要求，目前现有技术中能够应用于冷镦加工的变形锌合金未能得到开发。

本申请发明人经大量研究发现，对锌合金而言，若要满足冷镦加工，除了需要满足抗拉强度在280MPa以上、延伸率在15％以上、硬度在85HV5以上的要求外，剪切强度应达到250MPa以上，并且其他性能指标须达到一定要求，对于获得锌合金的满意的剪切性能并实现其冷镦加工具有至关重要的作用。

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，提供一种具有单相基体组织的变形锌合金，该锌合金具有优异的综合性能，其强度、塑性、硬度、抗剪切性能得到协调，冷镦性能较好，可进行冷镦等冷变形加工，具体可应用于各种电源插头、接线柱等产品。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可冷镦的变形锌合金，该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.01％≤Cu≤5.0％，0.01％≤Al≤5.0％，0.001％≤Mg≤1.0％，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金的微观组织以单相的η相固溶体组织为基体，所述的单相的η相固溶体组织在该变形锌合金的微观组织中的体积分数为95～99％。

本发明中加入的Cu除了固溶于单相基体η相外，少量的Cu析出形成ε相(即CuZn5)。Cu可提高合金的强度、硬度、耐蚀性和合金液的流动性能，并降低合金的晶间腐蚀敏感性。铜在锌中的最大固溶度是2.7wt％，随着温度的降低，析出ε相，在铜含量较低的情况下，ε相析出的数量少、尺寸小，合金在保持较小强度增幅下，伸长率增加，硬度基本保持不变，而适当地提高铜含量，有利于细化锌铝基合金的基体组织，提高致密度，减少缩孔缩松倾向。在本发明中，大部分的Cu固溶于单相的基体组织η相，少量的Cu以CuZn5化合物形式析出。但铜含量不宜过高，铜含量过高时会析出大量的ε相，虽然强度、硬度增高，但延伸率大大下降，因此本发明将铜含量控制在0.01～5.0wt％。

本发明中大部分的Al固溶于Zn基体中形成η相，起到基体强化的效果，少量Al以Al(α)析出，在合金中主要起强化作用，随着Al含量的提高，合金的强度、硬度提高，但塑性降低。并且适当的Al含量可以改善合金铸造时的流动性，防止氧化，并且改善压力加工性能，但Al含量过高时，会形成网状的富含铝的铝锌铜三元共晶组织，该三元共晶组织使得合金的剪切强度下降，出现开裂现象，而且随着Al含量的增加，化合物含量增加，单相组织减少，影响合金的冷镦性能，因此，本发明中，铝含量控制在0.01～5.0wt％。

Mg在本发明锌合金基体中的固溶度极小，多余的Mg与Zn在364℃时发生共晶反应，形成Mg在Zn中的固溶体以及立方晶格的金属间化合物Mg₂Zn₁₁，两者形成的细小颗粒均匀地在η相中析出，显著提高变形锌合金的强度、硬度，并改善合金的冷锻性能。但是当Mg含量超过1.0wt％时，合金的冲击韧性产生明显的降低，导致合金的生产和加工出现问题；而当Mg含量低于0.001wt％时，不具有显著的强化作用。因此本发明变形锌合金确定的镁的含量为0.001～1.0wt％。

本发明通过添加Cu、Al、Mg、Zn并控制各元素含量，使得Cu、Al、Mg尽可能固溶于基体中，形成体积分数占到95～99％的η相，单相基体相的存在除了确保合金获得高强度外，更赋予合金高的延伸率和剪切强度，使得合金获得了理想的冷镦性能。

作为优选，该变形锌合金的微观组织包括单相的η相固溶体组织和析出相，所述的析出相为CuZn5(ε)和Al(α)，所述的析出相的平均晶粒度≤5um。本发明除了单相基体固溶体外，在η相中还析出第二相化合物，Cu、Al、Mg在充分固溶于基体后，析出CuZn5(ε)和Al(α)、Mg₂Zn₁₁等，这些化合物以微米级大小析出相形式析出，本发明控制其平均晶粒度不超过5um，在进一步提高合金的强度的同时，对延伸率影响不大，可提高冷镦过程中的合金的耐冲击强度。

作为优选，所述的单相的η相固溶体组织为等轴晶，所述的单相的η相固溶体组织的晶粒度大小为5～100um。等轴晶主要在单相的合金中存在，沿各个方向的性能一致好，在本发明中，生产加工的合金线材从横向截面(即垂直于机加工方向)或者是从纵向截面(即平行于机加工方向)的微观组织金相图片都显示，本发明变形锌合金的晶粒度一致性好，晶粒度大小的范围为5～100um。这种等轴晶的存在使得本发明合金不存在宏观的各向异性，因此可以从各个方向对合金进行冷镦、铆接等机加工，且具有加工过程中不易开裂的优点。本发明将单相的η相固溶体组织的晶粒度控制在5～100um，该微米级的单相固溶体使得合金的晶粒细小，有利于实现优异的强度和延伸率的结合，冷镦效果好。

作为优选，该变形锌合金的横向硬度和纵向硬度的比值满足：0.9≤横向硬度/纵向硬度≤1.1。因等轴晶各个方向性能一致，将横向硬度和纵向硬度的比值控制在0.9～1.1，可确保材料性能的一致性。横向硬度，即该变形锌合金制成的线材产品的横截面的表面硬度；纵向硬度，即该变形锌合金制成的线材产品的轴向的表面硬度。

作为优选，该变形锌合金的重量百分比组成还包括0.01％≤Mn≤2.0％和/或0.001％≤Cr≤1.0％。Mn一方面固溶于铜合金，起到提高强度的作用，同时Mn还可以细化合金组织。Mn含量过低，强化作用不明显，如果Mn含量过高，会造成延伸率的明显下降，因此本发明Mn的添加量控制在0.01～2.0wt％。少量的Cr可与锌形成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，本发明中，适宜的Cr含量为0.001～1.0％。

作为优选，该变形锌合金的重量百分比组成还包括总量为0.001～1％的Ni、RE、Ca和Co中的至少一种。Ni固溶于单相基体中，起到尺寸稳定性作用，但添加过多，使得合金脆性化明显；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；Ca几乎不固溶于固溶体，以单质形成存在于基体中，起到提高基体强度的作用；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。Ni、RE、Ca和Co中的至少一种元素的总量控制在0.001～1％，可进一步优化合金的综合性能。

作为优选，该变形锌合金的抗拉强度为280MPa以上，延伸率为15％以上。冷镦锌合金除材料需要满足强度、塑性、硬度要求外，抗剪切性能对合金的性能同样具有重要的影响。剪切强度是指外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的强度极限。在冷镦过程中，作用力垂直向下，对材料产生剪切作用，如果变形锌合金的剪切力不够，就会造成材料在冷镦过程中扭曲变形，冷镦性能还需要材料满足较高的塑性，塑性过低，材料会出现开裂。本发明通过单相的固溶体基体实现抗拉强度280MPa以上，延伸率15％以上，剪切强度250MPa以上，使得材料在承受强度的同时，不存在开裂现象。

本发明可冷镦的变形锌合金的制备方法，包括以下步骤：熔铸(通过热顶铸造、半连铸或水平连铸生产成直径为100～300mm的铸锭)，锯切(将铸锭锯切成200～1500mm的长度)，挤压(铸锭加热180～370℃，通过1000t以上正、反向挤压机挤压成Φ6～20mm的线坯)，拉伸、热处理(经过至少两次以上拉伸和多次热处理后加工得到成品，热处理温度为：150～350℃，热处理时间为1～10h)。

作为优选，上述变形锌合金在冷镦加工中的应用。

作为优选，上述变形锌合金在电源插头和接线柱中的应用。

在变形锌合金作为替代材料过程中，经常需要经过机加工，而冷镦就是冷变形加工加工中的一种，本发明合金具有优异的冷镦性能，可进行冷镦等冷变形加工，满足各种电源插头、接线柱产品的生产需求，加工得到的产品可大量应用于电子电气行业。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)区别于普通的Zn-Cu-Al基变形锌合金，本发明可冷镦的变形锌合金的微观组织以单相的η相固溶体组织为基体，单相的η相固溶体组织在该变形锌合金的微观组织中的体积分数为95～99％，其抗拉强度可以达到280MPa以上，延伸率可以达到15％以上，能够为冷镦加工提供足够的变形能力；本发明通过实现单相的基体组织，赋予锌合金优异的综合性能，其强度、塑性、硬度、抗剪切性能得到协调，最终获得了本发明变形锌合金的较好的冷镦性能。

(2)进一步地，除了基体组织为单相组成外，该变形锌合金的微观组织中还包括少量的析出相，包括CuZn5(ε)、Al(α)和Mg₂Zn₁₁等，析出相的平均晶粒度≤5um，可进一步提高合金强度，特别是对剪切强度的提升具有重要的作用，其剪切强度可以达到250MPa以上，而高的剪切强度的更有利于冷镦加工的实现。

(3)该锌合金单相的固溶体组织为等轴晶，且晶粒度控制在5～100um，等轴晶沿各个方向的性能一致好，在本发明中，生产加工的合金从横向截面或者是从纵向截面的金相照片都显示，晶粒度是一致的，范围为5～100um。这种等轴晶的存在使得合金不存在宏观的各向异性，因此可以从各个方向冷镦、铆接等机加工合金，且加工过程中材料不易开裂。

(4)相比于传统的铜合金、钢铁等合金，本发明锌合金具有加工软化的特点，因此，本发明合金可进行反复冷镦加工，不会出现因加工硬化而使材料的冷镦无法实现的情况。

(5)本发明锌合金可以采用机加工(切削)、铆接、冷锻等方式成型，但冷镦相比较于其他加工方式，在节省材料成本的同时可提高加工效率，因此具有明显的优势。

(6)本发明锌合金能够以棒材、线材(包括圆线、扁线)等形式成型，经过后续的机加工得到的产品可广泛应用于符合欧盟、3C领域的电源插头、接线柱等电子电气行业。

附图说明

图1为实施例5的可冷镦的变形锌合金线材的微观组织金相图片；

图2为实施例8的可冷镦的变形锌合金线材垂直于机加工方向的微观组织金相图片；

图3为实施例8的可冷镦的变形锌合金线材平行于机加工方向的微观组织金相图片。

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20个实施例合金和2个对比例合金，熔铸(通过热顶铸造、半连铸或水平连铸生产成直径为100～300mm的铸锭)，锯切(将铸锭锯切成200～1500mm的长度)，挤压(铸锭加热180～370℃，通过1000t以上正、反向挤压机挤压成Φ6～20mm的线坯)，拉伸、热处理(经过至少两次以上拉伸和多次热处理后加工得到成品，热处理温度为：150～350℃，热处理时间为1～10h)。

实施例1～20及对比例1～2合金的成分及性能测试结果见表1。

实施例5的线材微观结构的金相图片见图1，实施例8的线材垂直于机加工方向的微观组织金相图片见图2，实施例8的线材平行于机加工方向的微观组织金相图片见图3。

为了准确表征该材料各个方向的力学性能，对实施例1～20的合金的线材成品，根据GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验》方法，分别检测了其横向硬度和纵向硬度，其中横向硬度指的是实施例1～20的合金的线材成品的横截面的表面硬度，纵向硬度指的是实施例1～20的合金的线材成品的轴向的表面硬度，每组数据各取5个点，检测结果取平均值，同时，检测了对比例1～2合金的横向硬度和纵向硬度。此外，根据GB T228.1-2010《金属材料室温拉伸方法》检测了实施例1～20及对比例1～2合金的抗拉强度和延伸率。

从表1所列测试结果可见，本发明可冷镦的变形锌合金的抗拉强度在289～375MPa，延伸率在15～33％，横向硬度HV5在90～117，剪切强度在257～340MPa，横向硬度和纵向硬度的比值在0.92～1.07，单相的η相固溶体组织在该变形锌合金的微观组织中的体积分数为95～99％，满足锌合金的冷镦加工要求，可进行冷镦等冷变形加工，生产的产品可具体应用于符合欧盟、3C领域的电源插头、接线柱等电子电气行业。

Claims (9)

1.一种可冷镦的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成包括：0.01%≤Cu≤5.0%，0.01%≤Al≤5.0%，0.001%≤Mg≤1.0%，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金的微观组织以单相的η相固溶体组织为基体，所述的单相的η相固溶体组织在该变形锌合金的微观组织中的体积分数为95～99 %。

2.根据权利要求1所述的一种可冷镦的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的微观组织包括单相的η相固溶体组织和析出相，所述的析出相为CuZn5（ε）和Al（α），所述的析出相的平均晶粒度≤5 um。

3.根据权利要求1或2所述的一种可冷镦的变形锌合金，其特征在于所述的单相的η相固溶体组织为等轴晶，所述的单相的η相固溶体组织的晶粒度大小为5～100 um。

4.根据权利要求3所述的一种可冷镦的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的横向硬度和纵向硬度的比值满足：0.9≤横向硬度/纵向硬度≤1.1，其中，横向硬度为该变形锌合金制成的线材产品的横截面的表面硬度，纵向硬度为该变形锌合金制成的线材产品的轴向的表面硬度。

5.根据权利要求1所述的一种可冷镦的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的重量百分比组成还包括0.01%≤Mn≤2.0%和/或0.001%≤Cr≤1.0%。

6.根据权利要求1或5所述的一种可冷镦的变形锌合金，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Ni、RE、Ca和Co中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种可冷镦的变形锌合金，其特征在于该变形锌合金的抗拉强度为280 MPa以上，延伸率为15 %以上。

8.权利要求1-7中任一项所述的一种可冷镦的变形锌合金在冷镦加工中的应用。

9.权利要求1-7中任一项所述的一种可冷镦的变形锌合金在电源插头和接线柱中的应用。