CN107022697A - 一种高强抗蠕变锌铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有色金属材料技术领域，具体涉及一种含钒高强抗蠕变锌铝合金的成分配比。本发明所述锌铝合金以质量百分数计包括：铝9.8‑10.3％，钒0.05‑1.00％，钛0.01～0.20％，铜0.05～2.00％，杂质含量≤0.10％；余量为锌。该含钒高强抗蠕变锌铝合金可采用非真空熔炼方法制备，可进行冷、热塑性变形，经适当热处理后室温抗拉强度超过420MPa，断后伸长率达10％以上；与未添加钒的Zn‑10Al合金相比，室温恒载蠕变速率降低5倍以上，极限蠕变应变仅为Zn‑10Al合金的三分之一，因此，其应用前景更为广阔。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料技术领域，具体涉及一种高强抗蠕变锌铝合金。
背景技术
我国锌资源丰富，锌及锌合金具有熔点低、加工能耗小、综合性能良好的优点。目前，锌合金已在五金、卫浴、机械、建材、装饰、仪器仪表、纪念币等方面获得广泛应用，同时锌合金在很多方面还具有潜在的应用前景。
随着对锌合金的深入研究与应用，目前已形成铸造锌合金和变形锌合金两大类，而获得广泛应用的变形锌合金结构材料主要是Zn-Al系和Zn-Cu系两个系列，其中含铝10％的Zn-10Al合金应用最多，并已被国内企业注册为ZAT10。该合金尽管具有多方面的优良性能，但抗蠕变性能仍然不够理想，其结构件在服役过程中因受载蠕变而容易产生尺寸不稳定和过早失效。已有的报道中显示，国内外开展了添加Cu、Ti、Mn、Ni等元素来提高锌铝合金抗蠕变性能的多项研究，但实际收效不大或带来其它问题。基于该原因，目前Zn-10Al合金仍然只是应用于承载小、温度低等普通领域。因此，提高变形锌铝合金的抗蠕变性能，拓展变形锌合金应用范围，是行业高度关注的一个重要技术问题。
锌属于低熔点金属，在纯锌或锌铝基体中添加高熔点钒元素，可以形成一些特殊组织，可望提高锌基合金的力学性能。同时经检索发现，到目前为止，在实用型锌铝合金中添加钒元素的应用和技术研究尚无报道。
发明内容
本发明主要是为了解决目前已实用化的Zn-10Al变形合金抗蠕变性能较低的问题，提供一种含钒高强抗蠕变锌铝合金。
本发明一种高强抗蠕变锌铝合金；所述高强抗蠕变锌铝合金中含有钒。
本发明一种高强抗蠕变锌铝合金；所述高强抗蠕变锌铝合金由锌、铝、钒、铜、钛和不可避免的杂质组成。
本发明一种高强抗蠕变锌铝合金，所述高强抗蠕变锌铝合金中，钒元素的质量百分含量为0.05-1.6％。优选为0.05-1.00％。进一步优选为0.10～0.80％。更进一步优选为0.4-0.65％。
本发明一种高强抗蠕变锌铝合金，所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 9.8-10.3％，
钒 0.05～1.00％，
钛 0.01～0.20％，
铜 0.05～2.00％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
作为优选方案；本发明一种高强抗蠕变锌铝合金，所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 9.8-10.3％，
钒 0.10～0.80％，
钛 0.03～0.10％，
铜 0.30～1.00％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
作为更进一步的优选方案，本发明一种高强抗蠕变锌铝合金，所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 10.23％，
钒 0.42％，
铜 0.74％，
钛 0.05％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
作为更进一步的优选方案，本发明一种高强抗蠕变锌铝合金，所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 10.03％，
钒 0.51％，
铜 0.82％，
钛 0.06％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
作为更进一步的优选方案，本发明一种高强抗蠕变锌铝合金，所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 9.81％，
钒 0.63％，
铜 0.86％，
钛 0.04％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
原理和优势
本发明涉及的一种高强度抗蠕变锌合金，是在Zn-10Al合金的基础上添加适量钒、铜和钛元素而形成的一种变形锌基合金。该合金经适当热处理后室温抗拉强度超过420MPa，断后伸长率达10％以上；与未添加钒的Zn-10Al合金相比，室温恒载蠕变速率降低5倍以上，极限蠕变应变仅为Zn-10Al合金的三分之一，因此，可以承受更高的载荷，应用前景更为广阔。
研究表明，Zn-10Al合金的蠕变和拉伸塑性变形主要是通过晶界滑移和晶粒转动而实现。本发明往该合金中加入适量的高熔点钒元素，通过适量的钒与其他组分的协同作用，可阻碍晶界滑移和晶粒转动，进而显著提高合金的强度及抗蠕变性能。
本发明与现有Zn-10Al合金相比具有下列优点和效果：
(1)良好的强韧性：本发明采用熔炼制备的含钒Zn-10Al合金，经一定道次的热、冷塑性变形和适当热处理后，室温抗拉强度超过420MPa，断后延伸率超过10％。而现有Zn-10Al合金的室温抗拉强度普遍只有250-320MPa。
(2)高抗蠕变性能：加入高熔点钒元素能起到阻碍晶界滑移和晶粒转动的作用，从而提高锌铝合金的抗蠕变性能。实验表明，在相同条件下与未添加钒的Zn-10Al合金相比，本发明的室温恒载蠕变速率降低5倍以上，极限蠕变应变(达到稳态蠕变前的最大应变率)不到Zn-10Al合金的三分之一。
具体实施方式
以下通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体说明。需要说明的是，以下实施例和对比例仅用于解释本发明，而不应视为对本发明的权利要求的范围的限制。
实施例与对比例
本发明实施过程为：先采用真空熔炼方法配制Zn-12Al-1.5V中间合金，然后将配取的纯铝、纯铜、纯钛及锌钒中间合金置于高纯度石墨坩埚底部，再将配取的纯锌置于纯铝、纯铜、纯钛及锌钒中间合金之上；将装好上述原材料的石墨坩埚放入中频感应炉中升温，待熔体全部熔化后进行适当搅拌，静置后浇铸在钢质模具中，得到含钒锌铝合金铸锭；然后对铸锭进行表面机加工、均匀化处理(370℃×10小时)、塑性变形处理(92％变形量)和热处理(150℃×4小时)。对各种配比的合金取样进行室温拉伸实验以及室温恒载荷拉伸蠕变实验。(在本实施例和对比例中浇铸、均匀化处理、热、冷塑性变形、热处理均为常规锌铝合金相近工艺)。
各实施例和对比例的合金成分见表1，室温力学实验数据见表2。
表1各实施例和对比例的合金成分(wt.％)
表2各实施例与对比例的力学性能参数
由表2中的数据可见，实施例1、2、3、4、5采用本发明的合金配比，均获得了较高的室温抗拉强度和优良的抗蠕变性能。对比例1即为现有未加V的Zn-10Al合金，其室温抗拉强度仅为实施例2的56％，其稳态蠕变速率为实施例2的5.8倍，而极限蠕变应变则是实施例2的3倍以上。添加V元素的实施例，断后延伸率均有所下降，但仍保持在10％以上。由上述对比可知，适量V元素的添加显著提高锌合金的室温抗拉强度及抗蠕变性能，并保持良好的塑性。
实施例4中虽添加V元素，但由于所添加的量过少，因而室温抗拉强度及室温抗蠕变性能提高不明显。同时其性能也远远差于实施例1。
实施例5虽添加V元素，其抗拉强度、稳态蠕变速率、极限蠕变量均高于实施例2，但是其延伸率仅为5.6％，说明过量V的添加显著降低锌合金的延展性能，难以实现塑性成形，因而实用价值不大。通过实施例4、5和实施例1、2、3的对比可以看出，本发明优选技术方案中所得产品的综合性能明显优于其他产品。当然一般产品也可以适用于一些对材料综合性能不高的技术领域。
可见，本发明基于V元素添加、尤其是适量V元素的添加，使Zn-10Al合金具有更优的强度、延展性和室温抗蠕变性能，延缓了合金因抗蠕变性能差而加速老化的过程，从而为锌基合金新产品开发提供了有效的技术途径。
虽然以一些具体实施例描述了本发明，但许多改进和变化方式也是可行的。因此，应理解，在所附权利要求书的范围之内，不需要具体的描述即可以实施本发明。
Claims (9)
1.一种高强抗蠕变锌铝合金；其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金中含有钒。
2.根据权利要求1所述的一种高强抗蠕变锌铝合金；其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金由锌、铝、钒、铜、钛和不可避免的杂质组成。
3.根据权利要求1所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金中，钒元素的质量百分含量为0.05-1.6％。
4.根据权利要求1所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金中，钒元素的质量百分含量为0.05-1.00％。
5.根据权利要求4所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 9.8-10.3％，
钒 0.05～1.00％，
钛 0.01～0.20％，
铜 0.05～2.00％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
6.根据权利要求5所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 9.8-10.3％，
钒 0.10～0.80％，
钛 0.03～0.10％，
铜 0.30～1.00％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
7.根据权利要求6所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 10.23％，
钒 0.42％，
铜 0.74％，
钛 0.05％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
8.根据权利要求6所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 10.03％，
钒 0.51％，
铜 0.82％，
钛 0.06％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
9.根据权利要求6所述的一种高强抗蠕变锌铝合金，其特征在于：所述高强抗蠕变锌铝合金以质量百分比计包括下述组分：
铝 9.81％，
钒 0.63％，
铜 0.86％，
钛 0.04％，
杂质含量≤0.10％；
余量为所述锌。
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