CN107385278A - 易于冷加工成型的变形锌合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，该变形锌合金材料的重量百分比组成包括：Cu：1.0‑3.5wt%，Mn：0.05‑0.5wt%，Al≤0.05wt%，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金材料的相组成包含以Zn为基体的Cu置换Zn的固溶体、Zn₅Cu第二相和锌锰铜金属间化合物第二相；该变形锌合金材料的抗拉强度为260‑320MPa、延伸率为25‑35%、硬度HV5为90‑100，具有中等强度、高延伸率，并具有良好的尺寸稳定性，其总加工率可达80‑90%，可应用于冷镦、冷锻、旋压、铆接、深冲等大变形量的冷加工变形，在大变形量的反复冷镦、反复冷锻、深冲加工过程中不开裂，能够广泛应用于拉链、五金件以及电子、电气零部件等产品。

Description

易于冷加工成型的变形锌合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及变形锌合金及其应用技术领域，具体是一种易于冷加工成型的变形锌合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

冷加工技术是通过各种模具将坯料快速加工成各种复杂结构的零件的加工方式，如冷镦、冷锻、旋压、铆接等。与传统的车削技术相比，冷加工可以提高材料的利用率，降低损耗，提高产品生产效率，并且冷加工产品组织均匀、致密，可广泛应用于各种标准件产品，冷加工已成为金属材料加工成型的重要手段。但冷加工对金属的加工变形量很大，而一般的金属属于加工硬化的材料，因此，对于某些深冷镦、深冷锻等需要反复变形的冷加工，一般金属存在加工困难、甚至无法进行加工的情形，需要通过反复退火处理来消除应力后再进行加工。而与一般的金属不同，锌合金不属于加工硬化的材料，在某些特定的冷加工领域，锌合金具有明显的优越性。

传统的铸造和压铸锌合金，强度低、脆性大，一般用作低端的结构件。可加工的变形锌合金具有强度高、塑性好、成本低等优势，其某些性能明显优于铜合金，在一些领域可用于替代铜合金，因此变形锌合金在近几年逐渐引起人们的重视。

CN104073686B公开了一种可铆接的变形低铜合金材料及其应用，该低铜合金材料由Al、Cu、M、Zn和不可避免的杂质组成，M为Ni、V、Ti、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Mo、Si、Be、Cr、Mn、Co和Mg中的至少一种元素，杂质包括Fe、Pb、Sn、Sb和Cd中的至少一种元素；该低铜合金材料的重量百分比组成中：Al的含量x＝0.1-6.0wt％，Cu的含量y＝0.1-4.0wt％，M的含量z＝0.001-1.0wt％，杂质的总量≤0.1wt％，余量为Zn；Al与Cu的含量之和满足：0.5wt％≤x+y≤9.0wt％，Al与Cu的含量之比满足：1≤x/y≤4。该低铜合金材料进行大变形冷加工时，存在多次冷镦后开裂问题。

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，提供一种易于冷加工成型的变形锌合金材料及其制备方法和应用，该变形锌合金材料可应用于冷镦、冷锻、旋压、铆接、深冲等冷加工变形，广泛应用于拉链、五金件以及电子、电气零部件等产品。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，该变形锌合金材料的重量百分比组成包括：Cu：1.0-3.5wt％，Mn：0.05-0.5wt％，Al≤0.05wt％，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金材料的相组成包含以Zn为基体的Cu置换Zn的固溶体、Zn₅Cu第二相和锌锰铜金属间化合物第二相。

本发明中加入的Cu，大部分固溶于以Zn为基体的Cu置换Zn的固溶体，少量的Cu以ε相(即Zn₅Cu第二相)的形式析出。Cu提高合金的强度、硬度、耐蚀性和合金液的流动性能，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。适当地提高铜含量，有利于细化锌基体组织，提高合金致密度，减少缩孔缩松倾向。为满足冷镦、冷锻等大变形量冷加工的要求，合金在保证必要的强度的同时需具有较好的塑性。而如果铜含量过低，合金的强度不够，不能满足对零件的强度要求；如果铜含量过高，则会导致析出大量的ε相，虽然合金的强度、硬度增高，但同时延伸率会大幅下降，影响合金的塑性，无法满足大变形量的冷加工要求，为兼顾合金的强度和塑性，本发明变形锌合金材料中的铜含量控制在1.0-3.5wt％。

Mn在本发明锌合金中起变质作用，Mn与Zn反应生成细小的锌锰铜金属间化合物第二相化合物，该锌锰铜金属间化合物第二相化合物可以细化晶粒并提高锌合金的组织稳定性。因锌合金与其他合金相比，组织稳定性较差，且锌合金在室温下长时间放置后容易变形，尺寸稳定性较差，影响加工的零件的正常使用，因此，改善锌合金的尺寸稳定性非常重要。本发明变形锌合金材料的相组成中的锌锰铜金属间化合物第二相属于高熔点的颗粒物，锌锰铜金属间化合物第二相的存在提高了合金的再结晶温度和组织稳定性，使得合金在后期的加工使用过程中，尺寸稳定性好，有利于保证加工的零件的精密性，并确保零件性能。Mn虽然有利于提高本发明锌合金的强度和硬度，但过高的Mn会降低合金的塑性，在保证合金组织稳定的前提下，本发明变形锌合金材料中的锰含量控制在0.05-0.5wt％。本发明中，Al作为杂质元素控制。

Al固溶于锌基体中，虽然可以提高强度和硬度，但本申请人发现，在产品的后续电镀过程中，较高的Al含量会阻碍镀层的生长，使得合金的电镀性能恶化，因此，Al作为杂质控制在≤0.05wt％。

作为优选，所述的Zn₅Cu第二相在该变形锌合金材料的微观组织中的体积分数为10-30％，所述的锌锰铜金属间化合物第二相在该变形锌合金材料的微观组织中的体积分数为5-10％。

作为优选，所述的Zn₅Cu第二相的平均粒径≤5微米，所述的锌锰铜金属间化合物第二相的平均粒径≤5微米，所述的基体的平均粒径≤10微米。细小的第二相及基体颗粒呈等轴晶分布，使本发明锌合金沿平行加工方向和垂直加工方向的性能一致，不存在各向异性，从而进一步提高合金的性能稳定性。细小的第二相颗粒分布在提高强度的同时不影响延伸率，确保本发明锌合金实现中等强度和高塑性的结合，以满足大变形量的冷加工要求。

进一步地，该变形锌合金材料还包括Mg：0.001-0.1wt％、Zr：0.001-0.1wt％、Ti：0.001-0.1wt％和Cr：0.001-0.1wt％中的一种或几种。Mg在锌中有少量的固溶度，具有提高合金强度的作用，并且可提高合金的耐晶间腐蚀性能，但随着含量的增加，合金的强度和硬度提高，同时塑性降低，会增大热裂和冷裂性能，使铆接和冲压性能变差，因此，在本发明合金中Mg的含量控制在0.001-0.1wt％。Zr、Ti在锌合金中的溶解度很低，会与Zn、Cu结合生成细小弥散的质点，起到细化合金晶粒、提高强度的作用，如Ti与Zn形成的TiZn₃能够细化合金的晶粒，从而提高合金的力学性能和再结晶温度，但过含量高的Zr、Ti易造成合金的脆性，不利于后续的铆接加工，因此本发明合金中Zr、Ti的添加量分别控制在0.001-0.1wt％。Cr的添加量控制在0.001-0.1wt％，Cr与锌生成第二相，均匀分散于锌基体中，对本发明合金起到第二相强化作用。

作为优选，该变形锌合金材料的抗拉强度为260-320MPa，延伸率为25-35％，硬度HV5为90-100。本发明合金属于中等强度、高塑性的锌合金，中等强度可以满足大变形量冷加工过程中对强度的要求。而如果强度过低，在加工过程中零件尺寸和精度难以保证；如果延伸率过低，合金在大变形量冷加工过程中易开裂。

上述易于冷加工成型的变形锌合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照配比准确称取制备变形锌合金材料所需各原料；

2)通过热顶铸造、半连续铸造或水平连续铸造生产铸锭，铸造过程中，首先投入80％的锌块，完全融化后，升温至650-900℃，再加入剩余20％的锌块及其他原料，升温到500-650℃，再加入除气剂和变质剂，完全融化后搅拌、捞渣，取样进行成分分析，合格后拉铸并锯切，得到长度为400-700mm的的铸锭；

3)将的铸锭加热至200-300℃，然后在反向挤压机上挤压成的圈线；

4)对的圈线进行多道拉伸，道次加工率为10-30％，拉伸过程中，进行1-3次热处理，热处理温度为200-330℃，热处理时间为0.5-2h，拉伸至设计规格。

上述易于冷加工成型的变形锌合金材料在拉链、五金件以及电子、电气零部件中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过控制Cu、Zn、Mn、Al的含量配比和合金的相组成，获得了一种易于冷加工成型的变形锌合金材料；

(2)本发明变形锌合金材料的微观组织由多相组成，含有以Zn为基体的Cu置换Zn的固溶体、Zn₅Cu第二相和锌锰铜金属间化合物第二相，无各向异性和加工硬化，保证了合金的强度、塑性和组织稳定性；

(3)本发明变形锌合金材料抗拉强度为260-320MPa、延伸率为25-35％、硬度HV5为90-100，具有中等强度、高延伸率，并具有良好的尺寸稳定性，其总加工率可达80-90％，可应用于冷镦、冷锻、旋压、铆接、深冲等大变形量的冷加工变形，在大变形量的反复冷镦、反复冷锻、深冲加工过程中不开裂，能够广泛应用于拉链、五金件以及插头、接线柱等电子、电气零部件。

附图说明

图1为实施例1的挤压坯的微观组织的金相照片(×1000)；

图2为实施例1的挤压坯的微观组织的SEM照片(×10000)；

图3为图2中A处所示的Zn₅Cu第二相的能谱分析结果；

图4为实施例2的挤压坯的微观组织的SEM照片(×10000)；

图5为图4中B处所示的以Zn为基体的Cu置换Zn的固溶体的能谱分析结果；

图6为实施例2的挤压坯的另一微观组织的SEM照片(×10000)；

图7为图6中C处所示的锌锰铜金属间化合物第二相的能谱分析结果。

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，分别采用本发明方法进行制备：

1)按照配比准确称取制备变形锌合金材料所需各原料；

2)通过热顶铸造、半连续铸造或水平连续铸造生产铸锭，铸造过程中，首先投入80％的锌块，完全融化后，升温至650-900℃，再加入剩余20％的锌块及其他原料，升温到500-650℃，再加入除气剂和变质剂，完全融化后搅拌、捞渣，取样进行成分分析，合格后拉铸并锯切，得到长度为400-700mm的的铸锭；

3)将的铸锭加热至200-300℃，然后在反向挤压机上挤压成的圈线；

4)对的圈线进行多道拉伸，道次加工率为10-30％，拉伸过程中，进行1-3次热处理，热处理温度为200-330℃，热处理时间为0.5-2h，拉伸得到Φ4.6mm的圆线成品，然后对其进行矫直。

上述制备方法中所用除气剂选用六氯乙烷，变质剂选用氟钛酸钾和/或氟硼酸钾。

各实施例及对比例的成分及性能测试结果见表1。实施例1的挤压坯的微观组织的金相照片见图1、SEM照片见图2；实施例2的挤压坯的微观组织的SEM照片见图4和图6。

Claims (8)

1.一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，其特征在于，该变形锌合金材料的重量百分比组成包括：Cu：1.0-3.5wt%，Mn：0.05-0.5wt%，Al≤0.05wt%，余量为Zn和不可避免的杂质，该变形锌合金材料的相组成包含以Zn为基体的Cu置换Zn的固溶体、Zn₅Cu第二相和锌锰铜金属间化合物第二相。

2.根据权利要求1所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，其特征在于所述的Zn₅Cu第二相在该变形锌合金材料的微观组织中的体积分数为10-30%，所述的锌锰铜金属间化合物第二相在该变形锌合金材料的微观组织中的体积分数为5-10%。

3.根据权利要求1所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，其特征在于所述的Zn₅Cu第二相的平均粒径≤5微米，所述的锌锰铜金属间化合物第二相的平均粒径≤5微米，所述的基体的平均粒径≤10微米。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，其特征在于还包括Mg：0.001-0.1wt%、Zr：0.001-0.1wt%、Ti：0.001-0.1wt%和Cr：0.001-0.1wt%中的一种或几种。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料，其特征在于该变形锌合金材料的抗拉强度为260-320MPa，延伸率为25-35%，硬度HV5为90-100。

6.权利要求1-5中任一项所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）按照配比准确称取制备变形锌合金材料所需各原料；

2）通过热顶铸造、半连续铸造或水平连续铸造生产铸锭，铸造过程中，首先投入80%的锌块，完全融化后，升温至650-900℃，再加入剩余20%的锌块及其他原料，升温到500-650℃，再加入除气剂和变质剂，完全融化后搅拌、捞渣，取样进行成分分析，合格后拉铸并锯切，得到长度为400-700mm的φ150-230的铸锭；

3）将φ150-230mm的铸锭加热至200-300℃，然后在反向挤压机上挤压成φ6-20mm的圈线；

4）对φ6-20mm的圈线进行多道拉伸，道次加工率为10-30%，拉伸过程中，进行1-3次热处理，热处理温度为200-330℃，热处理时间为0.5-2h，拉伸至设计规格。

7.根据权利要求6所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料的制备方法，其特征在于所述的除气剂为六氯乙烷，所述的变质剂为氟钛酸钾和/或氟硼酸钾。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种易于冷加工成型的变形锌合金材料在拉链、五金件以及电子、电气零部件中的应用。