CN107686908B - 用于冲压模具的锌基合金及其制备方法 - Google Patents

用于冲压模具的锌基合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107686908B
CN107686908B CN201710784954.XA CN201710784954A CN107686908B CN 107686908 B CN107686908 B CN 107686908B CN 201710784954 A CN201710784954 A CN 201710784954A CN 107686908 B CN107686908 B CN 107686908B
Authority
CN
China
Prior art keywords
zinc
containing alloy
alloy
block
pure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710784954.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107686908A (zh
Inventor
李海鹏
李袁军
李乐乐
梁春永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin Jinli Automobile Engineering Technology Co Ltd
Hebei University of Technology
Original Assignee
Tianjin Jinli Automobile Engineering Technology Co Ltd
Hebei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Jinli Automobile Engineering Technology Co Ltd, Hebei University of Technology filed Critical Tianjin Jinli Automobile Engineering Technology Co Ltd
Priority to CN201710784954.XA priority Critical patent/CN107686908B/zh
Publication of CN107686908A publication Critical patent/CN107686908A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107686908B publication Critical patent/CN107686908B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C18/00—Alloys based on zinc
    • C22C18/04—Alloys based on zinc with aluminium as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/01—Selection of materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/06—Making non-ferrous alloys with the use of special agents for refining or deoxidising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/165—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon of zinc or cadmium or alloys based thereon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/10—Die sets; Pillar guides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

本发明一种用于冲压模具的锌基合金及其制备方法，涉及铝作次主要成分的锌基合金，是一种元素组成的质量百分比为：Al：9.5～11.5%、Cu：1.5～3.5%、Sn：3.5～5.5%、Li：0.5～2.5%、Mg：0.01～0.03%、La：0.05～0.15%、Ce：0.15～0.30%和其余为Zn的Zn‑Al‑Cu‑Sn‑Li‑Mg‑La‑Ce锌基合金；制备方法是在组分金属熔化成的金属液中加入LaBr3和CeBr3进行变质处理，用AlCl3精炼处理，采用超声振动搅拌对金属液进行细化和净化，得到用于冲压模具的锌基合金，克服了现有技术制得的模具用锌基合金晶粒组织粗大、杂质含量高、力学性能不足的缺陷。

Description

用于冲压模具的锌基合金及其制备方法
技术领域
本发明的技术方案涉及铝作次主要成分的锌基合金，具体地说是一种用于冲压模具的锌基合金及其制备方法。
背景技术
锌基合金是最近几十年快速发展并得到广泛应用的一种新型金属合金材料，属于有色金属合金范畴，不同种类锌基合金的出现，极大地提高了工程用材的选择性。锌基合金因其独有的物理化学特性，使其在有色金属合金应用领域具有明显的性能优势，首先，由于锌基合金具有极低的熔点(纯锌的熔点只有419.5℃)，从而在锌基合金的熔炼和加工过程中能够节约大量的能耗；其次，在实际应用过程中，锌基合金材料可以反复重熔回用，降低了产品生产成本，提高了经济效益；再次，锌基合金具有优良抗腐蚀性能，在自然环境下工作的锌基合金材料表面能形成一层致密的氧化层，可防止锌基合金材料的进一步氧化，在钢铁材料表面镀一层锌基合金，可以预防钢铁的氧化，从而解决了钢铁材料在大气环境中易腐蚀而降低使用寿命的棘手问题；最后，锌基合金具有良好的制备工艺性能，可使用金属型铸造、砂型铸造以及压力铸造等多种铸造方法进行生产，可以获得壁厚极小、形状复杂的铸件。因此，作为一种新型有色金属合金材料，锌基合金材料在许多领域具有及其广泛的应用前景，其中之一即作为冲压模具材料使用。用于冲压模具材料的锌基合金具有制模周期短、制作工艺简单和成本低廉等优点，但是，现有锌基合金的力学性能相对较低，使其在冲压模具领域中的应用受到极大地限制。因此，提高现有锌基合金的综合性能，开发具有强度高、耐磨性好的新型锌基合金材料对于促进其在冲压模具领域的应用至关重要。
对于铸造冲压模具，一般要求其材料具有较高的强度，高的硬度和耐磨性，良好的塑性和一定的韧性，其中最为重要的性能是材料的强度、硬度和耐磨性。作为制造冲压模具的锌基合金材料，对其有较高的强度、硬度和耐磨性的力学性能要求，例如，其强度要远高于一般锌基合金的强度，抗拉强度不能低于200～300MPa，抗压强度不能低于400～700MPa；其硬度要高于一般锌基合金的硬度，一般布氏硬度不能低于100～140HB；其耐磨性也要优于一般锌基合金的耐磨性。近年来，为提高模具用锌基合金的综合性能从而提高其功用，各种新型的模具用锌基合金材料被不断报道。例如，CN103320651B披露了一种模具用细晶粒锌基合金及其制备工艺，其锌基合金中各成分的质量百分比为：Al：12.5～16.5％，Cu：8～12.5％，Mg：0.01～0.05％，Ti：0.10～0.25％，B：0.01～0.03％，Zr：0.3～0.7％，Si：1～3％，Mn：0.4～0.8％，Re：0.2～0.8％，ZnCl2：0.4～0.5％，其余为Zn，其中Re的组成元素的质量百分比为：Ce：45～55％，La：10～20％，Y：7～15％，Gd：4～10％，其制备工艺是在坩埚电阻炉或中频感应熔化炉内将合金熔化，通过电磁搅拌制备成半固态锌基合金，待温度冷到550℃浇铸，水冷或空冷得到一种模具用细晶粒锌基合金。CN103320652B公开了一种模具用锌基合金及其制备工艺，其锌基合金中各成分的质量百分比为：Al：12.5～16.5％，Cu：8～12.5％，Mg：0.01～0.05％，Ti：0.10～0.25％，B：0.01～0.03％，Si：1～3％，Mn：0.4～0.8％，Re变质剂：0.2～0.8％，ZnCl2精炼剂：0.4～0.5％，其余为Zn；其中Re变质剂的组成元素的质量百分比为：La：45～55％，Ce：10～20％，Y：7～15％，Gd：4～10％，其制备步骤是经过制备铜铝中间合金-合金熔炼-变质孕育-精炼-浇铸-冷却，最终得到一种模具用锌基合金。上述模具用锌基合金材料制备的现有技术，虽然在一定程度上改善了锌基合金的力学性能，但存在的共同缺陷是：不佳的搅拌处理工艺和不佳的变质处理工艺导致锌基合金晶粒组织粗大且仍有大量粗大的树枝晶存在，晶界处往往存在粗大的难熔化合物杂质，锌基合金液纯净度低，导致锌基合金的力学性能不足，制备过程存在环境污染且操作不安全。因此，从模具用锌基合金成分、组织和制备工艺控制角度进行深入改进研究，是提高模具用锌基合金力学性能，促进其在模具领域更为广泛应用的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于冲压模具的锌基合金及其制备方法，是一种元素组成的质量百分比为：Al：9.5～11.5％、Cu：1.5～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金；其制备方法是在坩埚中先后加入Li、部分Zn、Sn、Al、Mg、Cu并将它们熔化成金属液，随后加入LaBr3和CeBr3进行变质处理，再加入剩余部分Zn熔化成金属液，然后用AlCl3精炼处理，期间采用超声振动搅拌对金属液进行细化和净化，从而得到具有高强和耐磨性能的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce铸造锌基合金，克服了现有技术存在的所制得的模具用锌基合金晶粒组织粗大、杂质含量高、力学性能不足以及制备过程导致环境污染和安全隐患的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种用于冲压模具的锌基合金，是一种元素组成的质量百分比为：Al：9.5～11.5％、Cu：1.5～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其布氏硬度179～192HB、抗拉强度344～591MPa，抗压强度897～1296MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0084～0.0097mg/m。
上述一种用于冲压模具的锌基合金的制备方法，具体步骤如下：
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗5～10min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各种块体3～4次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于30～50℃，真空度为-0.05～-0.1MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备：
将石墨黏土坩埚放入处于流量为500～1000mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到450～490℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体10g～50g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1020.27g～1130.53g放入到该石墨黏土坩埚中，在450～490℃保温15～20min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体70～110g加入该石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在450～490℃保温10～15min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以20～30kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌5～10min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到650～700℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体114.6～198.2g、铝镁中间合金块体2～6g和铝铜中间合金块体60～140g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在650～700℃保温20～30min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以30～40kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌15～20min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到760～800℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体2.72～8.17g和备用的分析纯的CeBr3粉体8.13～16.26g同时加入到该石墨黏土坩埚中的金属液底部，在760～800℃保温10～15min后将井式炉温度降至630～670℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体510.13～565.27g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待所加入的纯锌块体完全熔化后，以20～30kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌20～30min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.3～0.5％的AlCl3精炼剂进行8～10min整个金属液的精炼，扒渣，而后以20～30kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌10～15min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至540～560℃，静置10～15min，再次扒渣后把该石墨黏土坩埚中3/4～4/5的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为400～450℃的金属型模具中，并以20～30kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌5～10min，而后把石墨黏土坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置30～40min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：9.5～11.5％、Cu：1.5～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn；
第三步锌基合金的热处理：
把上述第二步制得的锌基合金放入温度为80～90℃的热处理炉中进行稳定化热处理450～500min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为150～180℃的热处理炉中保温30～50min，然后把炉温以10～20℃/min升高到360～380℃并保温70～90min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为340～360℃的热处理炉中进行均匀化热处理110～130min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为50～70℃的热处理炉中保温1000～1200min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：9.5～11.5％、Cu：1.5～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度179～192HB，抗拉强度344～591MPa，抗压强度897～1296MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0084～0.0097mg/m。
上述一种用于冲压模具的锌基合金及其制备方法，所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明方法具有如下突出的实质性特点：
(1)对于铸造合金来说，合金的组织形态是影响合金力学性能的重要因素之一，细小均匀的组织通常代表着优异的力学性能，粗大偏聚的组织则往往代表着低劣的力学性能；此外，合金中杂质含量的高低是影响合金力学性能的另一大因素，合金中的杂质含量越低，合金的力学性能则越好。本发明的设计过程中，为了解决因现有技术制得的锌基合金铸造组织中含有大量的粗大树枝晶和夹杂物而造成锌基合金力学性能低劣的问题，充分研究和试验了细化锌基合金组织和降低其杂质含量的多种技术方案，创新性地设计并成功实践了以下技术方案：
1)采用超声波振动搅拌的方式对锌基合金液进行超声振动搅拌。在采用超声波振动搅拌对锌基合金液进行处理的过程中，在锌基合金液中会形成大量的空化泡，由于空化泡在长大过程中空化泡的增大和内部锌基合金液的蒸发会从周围吸收热量，造成空化泡表面的锌基合金液温度降低，形成局部过冷，从而在空化泡周围形成大量的晶核，大大地增加了锌基合金的形核率，锌基合金的组织得到细化；在超过一定阈值的声压下空化泡会发生崩溃并产生强烈的冲击波，冲击波会击碎初生的枝晶和正在长大的枝晶，抑制晶体的继续长大，从而细化晶粒；超声波在锌基合金液中传播时，在超声波和锌基合金液中粘性力的交互作用下，会从声源处开始形成一定的声压梯度，当声压幅超过一定值后，会在锌基合金液中产生流体的喷射，并在整个锌基合金液中形成环流，即声流，在声流的作用下，能把长大的枝晶打碎，抑制晶粒的长大，从而细化晶粒并使其均匀弥散分布；同时，穿梭在锌基合金液各个部分的声流使得合金液上下翻动，使得锌基合金液受到强烈的搅拌作用，大大提高了温度和化学成分的均匀性，使锌基合金液的凝固方式由逐层凝固变为体积凝固，抑制了柱状晶组织的形成，得到均匀的等轴晶组织，组织得到细化；能量巨大的超声波和空化泡发生崩溃时产生的强烈冲击波能够击碎锌基合金液中的夹杂物，从而净化锌基合金液，降低锌基合金液中的杂质含量；最终得到组织细小均匀和杂质含量极低的锌基合金，从而力学性能优异。
2)研究表明，影响锌基合金力学性能的因素主要有合金的晶粒尺寸和合金中的杂质含量等。在对锌基合金液进行稀土变质处理时，起变质作用的是那些以原子状态存在于合金液中的活性稀土，而那些以化合物状态存在于锌基合金液中的非活性稀土不起变质作用。本发明的设计过程中，为了解决锌基合金因晶粒粗大和含有大量杂质而造成锌基合金力学性能不足地问题，充分研究和试验了有效细化合金中的晶粒和减少杂质的各种技术方案，创新性地提出了以LaBr3和CeBr3为载体，以溴盐的形式向锌基合金液中引入稀土元素来对合金液进行变质处理的思路。首先，LaBr3和CeBr3在合金液中溶解后，稀土元素La和Ce以原子的状态存在于锌基合金液中，在锌基合金液凝固过程中，能成功地降低固/液界面前沿液体的平衡液相线温度，使界面处成分过冷度减小，从而有效地抑制界面上晶体的生长，致使枝晶根部出现缩颈而易于分离；其次，不存在现有技术中传统稀土变质剂(其主要成分为铝-稀土中间合金)的加入会向锌基合金液中带入诸如CeAl4和LaAl4一类大尺寸和高熔点化合物杂质的短板；再次，LaBr3和CeBr3在高温下产生的溴蒸汽会带走合金液中的杂质，对锌基合金液起到良好的精炼作用，净化了晶界，增加晶界间的结合力，大大减少了锌基合金液中杂质的含量；最后，溶解在锌基合金液中的LaBr3和CeBr3的稀土变质剂会为液相结晶提供异质结晶的核心，增大其形核率，使锌基合金的晶粒得到显著细化。因此，本发明提出的以LaBr3和CeBr3为载体，以溴盐的形式向合金液中引入稀土元素来对锌基合金液进行变质处理的方法，有效地细化了锌基合金的晶粒，减少了锌基合金中的杂质含量，使锌基合金的力学性能得以提升。
(2)无论是实际生产活动还是科研实验，操作人员的人身安全永远是第一位的，环境保护也是不容忽视的问题。本发明的设计过程中，充分考虑了保障操作人员的人身安全和保护环境的需求，创新性地提出了采用AlCl3作为精炼剂对锌基合金液进行精炼的方法。AlCl3在187℃会升华，可在锌基合金液中会产生大量气泡，带走锌基合金液中的大量杂质，对合金液有良好的精炼效果；同时，AlCl3是一种无毒物质，在用作合金精炼的精炼剂时，不会对操作人员的身体健康造成不良影响，可以保障操作人员的人身安全，而且不会对环境造成污染。
(3)在本发明的设计过程中，为了解决因锌基合金铸造组织粗大而造成力学性能低劣的问题，充分考虑了细化锌基合金组织的必要性，创新性地提出了向锌基合金中添加锡元素和锂元素从而对锌基合金进行合金化处理的工艺。在锌基合金的制备过程中，由于锡元素和锂元素在锌和铝中的溶解度较小，合金液凝固阶段锡和锂会在固/液界前沿短距离液体中富集，造成固/液界面前沿液体存在较大的过冷度，致使固/液界面上结晶体的生长受到抑制，枝晶根部出现缩颈、熔断和球化，成为合金液凝固时形核的新质点，提高了形核率、降低了锌基合金晶粒的尺寸，避免了粗大偏聚的树枝晶产生，从而细化了锌基合金的铸造组织；此外，在锌基合金液凝固过程中，锡元素和镁元素能形成Mg2Sn相，并在锌基合金后续的热处理过程中依旧存在，从而对锌基合金起到一定的固溶强化作用，使锌基合金的力学性能得以进一步提升。
(4)影响锌基合金力学性能优劣的一个重要因素是合金中杂质含量的多少，较高的杂质含量会恶化锌基合金组织，导致力学性能的降低。本发明的设计过程中，为了解决因锌基合金中含有大量的杂质而造成合金力学性能低劣的问题，充分考虑了降低合金中杂质元素含量的必要性，除了上述(1)所述的采用LaBr3和CeBr3稀土变质剂在高温下产生的溴蒸汽会带走合金液中的杂质，减少了锌基合金中的杂质含量，并提出了上述(2)在配制合金熔炼原料时去除原料表面的杂质和在锌基合金液中加入AlCl3对合金液进行精炼的方法，以降低锌基合金中杂质的含量之外，本发明还创新性地设计在配制熔炼原材料时，对纯锌块、纯铝块、铝铜合金块和铝镁合金块采用稀硝酸酒精溶液处理和超声清洗，充分去除原材料的表面氧化皮和杂质，确保原材料不会向锌基合金液中带入杂质；配合锌基合金熔炼时采用的AlCl3精炼剂，AlCl3在187℃会升华，在锌基合金液中会产生大量的气泡，带走锌基合金液中大量的杂质，对锌基合金液产生良好的精炼和净化效果。最终得到了杂质含量极低的锌基合金，有效提高了锌基合金的力学性能。
与现有技术相比，本发明方法的显著进步如下：
(1)现有技术CN103320651B和CN103320652B在制备模具用锌基合金的过程中存在的根本缺陷在于：(a)CN103320651B在制备锌基合金的过程中，采用电磁搅拌的方式对合金液进行搅拌，制备成半固态锌基合金，待温度冷到550℃浇铸，然后再水冷或空冷得到锌基合金。该专利技术采用电磁搅拌的方式对锌基合金液进行搅拌，但电磁搅拌只能给锌基合金液施加一定的环形电磁力，通过电磁力来推动合金液的流动，这种搅拌方式仅能使合金液进行简单地定向运动(顺时针方向或者逆时针方向)，而不能有效地破碎枝晶，细化晶粒，也无法清除合金液中的夹杂，最终得到的锌基合金组织中含有大量的粗大树枝晶和夹杂物，所以，其制得的锌基合金的力学性能差。CN103320652B在用传统的实模铸造法制备锌基合金时，并没有对锌基合金液进行特定的搅拌处理，而采用传统的实模铸造法制备锌基合金，必然存在的缺点是锌基合金组织中形成大量的粗大树枝晶并含有大量的夹杂物，从而得到的锌基合金的力学性能差。(b)上述专利技术在使用稀土元素对锌基合金进行变质处理时，采用混合稀土或Al-RE中间合金作为Re变质剂向合金液中加入稀土元素，混合稀土或Al-RE中间合金在锌基合金液中溶解后，起变质作用的稀土元素容易严重偏聚在一起，而且大部分稀土元素不能以原子的状态存在于合金液中，而是以化合物的状态存在于合金液中，因而在合金液凝固过程中，不能有效地降低固/液界面前沿液体的平衡液相线温度以使界面处成分过冷度减小，从而无法成功地抑制界面上晶体的生长，导致凝固后的锌基合金中存在大量的粗大枝晶。而且，在Al-RE中间合金中原来就存在的CeAl4和LaAl4大尺寸高熔点稀土化合物(CeAl4熔点为1250℃，LaAl4熔点为1222℃)会在锌基合金液中无法溶解而保留下来，在锌基合金液凝固过程中聚集到合金晶界处成为粗大的化合物杂质，割裂了锌基合金基体的连续性并成为显微裂纹源，最终导致所制得的锌基合金的力学性能差。(c)上述专利技术在对锌基合金液进行精炼处理时，采用的精炼剂是氯化锌(ZnCl2)，氯化锌是一种剧毒物质且具有极强的腐蚀性，潮解性强，能在空气中吸收水分而潮解，灼热时有浓厚的白烟生成，不仅会污染环境，还能剧烈刺激及烧灼皮肤和粘膜，长期与氯化锌蒸气接触时会发生变应性皮炎，吸入氯化锌烟雾后能引起阵发性咳嗽和恶心，对上呼吸道、气管和支气管黏膜有损害，对工艺操作人员的身体健康造成巨大的伤害。本发明完全克服了现有技术CN103320651B和CN103320652B所存在的上述缺陷。
(2)本发明方法在设计过程中，充分考虑了影响锌基合金力学性能的关键因素，以锌基合金的晶粒尺寸细化和合金中的杂质含量控制为提高锌基合金力学性能的途径，通过原材料的选择和用量调控、制备工艺的设计和实施过程的控制，创新性地提出以LaBr3和CeBr3为载体、以溴盐的形式向锌基合金液中引入稀土元素来对合金液进行变质处理，以金属锡和锂进行锌基合金的合金化处理，以AlCl3作为精炼剂进行锌基合金的精炼处理，以及采用超声波振动搅拌的方式对锌基合金进行晶粒组织细化并消除杂质的制备思路，制备出晶粒细小、杂质含量低和力学性能优异的用于冲压模具的锌基合金材料。
(3)本发明方法所制备的锌基合金材料的布氏硬度达到179～192HB，抗拉强度达到344～591MPa，抗压强度达到897～1296MPa；在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0084～0.0097mg/m，能够从材料强度、硬度和耐磨性角度满足冲压模具用锌基合金冲压材料的使用要求。
(4)本发明的制备方法是一种具备环保、操作安全与工业可行性优点的用于冲压模具的锌基合金的制备方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金的原始铸态金相组织图。
图2为本发明实施例1所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金热处理后的金相组织图。
图3为本发明实施例1所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金的扫描电子显微镜照片。
图4为本发明实施例1所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金中共晶相的扫描电子显微镜照片。
图5为本发明实施例1所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金的拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
实施例1
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗5min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各块体3次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于30℃，真空度为-0.05MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备
将石墨黏土坩埚放入处于流量为500mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到490℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体10g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1130.53g放入到该石墨黏土坩埚中，在490℃保温15min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体70g加入石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在490℃保温10min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以20kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌5min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到700℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体158.2g、铝镁中间合金块体2g和铝铜中间合金块体60g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在700℃保温20min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以30kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌15min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到800℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体2.72g和备用的分析纯的CeBr3粉体8.13g同时加入到石墨黏土坩埚中的金属液底部，在800℃保温15min后将井式炉温度降至630℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体565.27g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待加入的纯锌块体完全熔化后，以20kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌20min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.3％的AlCl3精炼剂进行8min整个金属液的精炼，扒渣，而后以20kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌10min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至540℃，静置10min，再次扒渣后把坩埚中3/4的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为400℃的金属型模具中，并以20kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌5min，而后把坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置30min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：9.5％，Cu：1.5％，Sn：3.5％，Li：0.5％，Mg：0.01％，La：0.05％，Ce：0.15％，其余为Zn；
图1为本实施例所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金的原始铸态金相组织图。从图中可以观察到，共晶组织和原始η-Zn枝晶组织相互协调地共存，共同组成整个合金组织，其中，成片的共晶组织(图中亮白色部分)相互紧密的连接在一起，呈规则的网状分布在整个合金组织中；原始η-Zn枝晶组织(图中暗灰色部分)则被呈网状分布的共晶组织相互隔离开来，相互独立地均匀分布在整个合金组织中。力学性能优良的共晶组织相互紧密连接在一起，形成一种完整的规则网状增强组织，均匀平铺在整个合金基体组织中，可显著改善该合金的力学性能，使该合金具有极佳的力学性能。同时，力学性能较差的原始η-Zn枝晶组织被相互连接、网状分布的共晶组织隔离开来，相互独立地均匀分布在共晶组织形成的规则网格中，使其对该合金的力学性能的不利影响大大地降低。
第三步锌基合金的热处理
首先，把上述第二步制得的锌基合金放入温度为80℃的热处理炉中进行稳定化热处理450min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为150℃的热处理炉中保温30min，然后把炉温以10℃/min升高到360℃并保温70min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为340℃的热处理炉中进行均匀化热处理110min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为50℃的热处理炉中保温1050min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：9.5％，Cu：1.5％，Sn：3.5％，Li：0.5％，Mg：0.01％，La：0.05％，Ce：0.15％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度179HB，抗拉强度344MPa，抗压强度897MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0097mg/m。
图2为本实施例所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金热处理后的金相组织图。与图1所示原始铸态金相组织图对比，可以明显观察到呈网状分布的共晶组织(图中亮白色部分)在整个合金组织中分布地更加均匀，网状形态也变得更加规则匀称，由共晶组织形成的“网格”也明显愈加细小、规则；而每个“网格”中包围的正是被隔离开来、相互独立存在的原始η-Zn枝晶组织(图中暗灰色部分)，因为“网格”变得愈加细小、规则，使得包围在“网格”内部的原始η-Zn枝晶组织的形态也愈加变得规则，在整个组织中分布的更加均匀，这种明显的晶粒细化现象使得经过热处理的合金的力学性能远远优于未经过热处理的原始铸态合金的力学性能。
图3为本实施例所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金的扫描电子显微镜照片。由该图可见，整个合金组织由原始η-Zn枝晶组织(图中平滑的灰色区域)、网状的共晶组织(图中层片状排列的区域)以及共析组织(图中暗黑色的区域)共同组成。呈规则网状分布的共晶组织通过共析组织相互紧密地连接在一起，共析组织则均匀有序地分布在共晶组织周围，与η-Zn枝晶组织相互紧密地连接在一起，共同构成整个合金组织。粗细均匀、条状形态的共析组织交织穿插在原始η-Zn枝晶组织中，与共晶组织紧密地连接在一起，形成一个巨大的增强网络，均匀分布在整个组织中，使合金组织变为一个紧密连接的整体，对合金基体起到明显的增强作用，使该合金具有极其优良的力学性能。
图4为本实施例所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金中共晶相的扫描电子显微镜照片。图中显示的均匀细密排列的层片状组织是合金组织中共晶相的局部放大照片，从图中可以观察到，整个区域中层片排列地非常均匀细密，层片之间的间距大小基本相同且非常小，大约在0.6um左右，层片的厚度也都基本相同。层片厚度基本相同、层片间距较小的共晶相能够显著改善锌基合金的力学性能，使该锌基合金表现出极佳的力学性能。
图5为本实施例所制得的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce合金的拉伸应力-应变曲线。由该图可见，该锌基合金不但具有良好的塑性，而且具有较高的抗拉强度，抗拉强度达到约344MPa。
实施例2
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗5min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各块体3次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于30℃，真空度为-0.05MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备
将石墨黏土坩埚放入处于流量为500mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到490℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体50g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1020.27g放入到该石墨黏土坩埚中，在490℃保温15min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体110g加入石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在490℃保温10min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以20kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌5min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到650℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体154.6g、铝镁中间合金块体6g和铝铜中间合金块体140g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在650℃保温20min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以30kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌15min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到800℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体8.17g和备用的分析纯的CeBr3粉体16.26g同时加入到石墨黏土坩埚中的金属液底部，在800℃保温15min后将井式炉温度降至630℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体510.13g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待加入的纯锌块体完全熔化后，以20kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌20min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.3％的AlCl3精炼剂进行8min整个金属液的精炼，扒渣，而后以20kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌10min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至540℃，静置10min，再次扒渣后把坩埚中3/4的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为400℃的金属型模具中，并以20kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌5min，而后把坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置30min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：11.5％，Cu：3.5％，Sn：5.5％，Li：2.5％，Mg：0.03％，La：0.15％，Ce：0.30％，其余为Zn；
第三步锌基合金的热处理
首先，把上述第二步制得的锌基合金放入温度为80℃的热处理炉中进行稳定化热处理450min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为150℃的热处理炉中保温30min，然后把炉温以10℃/min升高到360℃并保温70min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为340℃的热处理炉中进行均匀化热处理110min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为50℃的热处理炉中保温1000min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：11.5％，Cu：3.5％，Sn：5.5％，Li：2.5％，Mg：0.03％，La：0.15％，Ce：0.30％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度182HB，抗拉强度431MPa，抗压强度989MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0090mg/m。
实施例3
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗10min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各块体4次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于35℃，真空度为-0.08MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备
将石墨黏土坩埚放入处于流量为800mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到460℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体50g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1046.93g放入到该石墨黏土坩埚中，在460℃保温17min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体110g加入石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在460℃保温12min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以25kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌8min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到670℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体114.6g、铝镁中间合金块体6g和铝铜中间合金块体140g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在670℃保温25min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以35kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌18min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到780℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体8.17g和备用的分析纯的CeBr3粉体16.26g同时加入到石墨黏土坩埚中的金属液底部，在780℃保温12min后将井式炉温度降至650℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体523.47g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待加入的纯锌块体完全熔化后，以25kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌30min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.4％的AlCl3精炼剂进行9min整个金属液的精炼，扒渣，而后以25kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌12min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至550℃，静置13min，再次扒渣后把坩埚中4/5的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为430℃的金属型模具中，并以25kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌7min，而后把坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置35min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：9.5％，Cu：3.5％，Sn：5.5％，Li：2.5％，Mg：0.03％，La：0.15％，Ce：0.30％，其余为Zn；
第三步锌基合金的热处理
首先，把上述第二步制得的锌基合金放入温度为85℃的热处理炉中进行稳定化热处理480min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为170℃的热处理炉中保温35min，然后把炉温以15℃/min升高到370℃并保温75min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为350℃的热处理炉中进行均匀化热处理115min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为60℃的热处理炉中保温1100min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：9.5％，Cu：3.5％，Sn：5.5％，Li：2.5％，Mg：0.03％，La：0.15％，Ce：0.30％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度188HB、抗拉强度491MPa，抗压强度1108MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0087mg/m。
实施例4
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗10min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各块体4次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于50℃，真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备
将石墨黏土坩埚放入处于流量为1000mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到450℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体10g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1103.87g放入到该石墨黏土坩埚中，在450℃保温20min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体70g加入石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在450℃保温15min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以30kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌10min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到700℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体198.2g、铝镁中间合金块体2g和铝铜中间合金块体60g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在700℃保温30min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以40kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌20min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到760℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体2.72g和备用的分析纯的CeBr3粉体8.13g同时加入到石墨黏土坩埚中的金属液底部，在760℃保温10min后将井式炉温度降至670℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体551.93g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待加入的纯锌块体完全熔化后，以30kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌25min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.5％的AlCl3精炼剂进行10min整个金属液的精炼，扒渣，而后以30kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌15min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至560℃，静置15min，再次扒渣后把坩埚中4/5的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为450℃的金属型模具中，并以30kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌10min，而后把坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置40min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：11.5％，Cu：1.5％，Sn：3.5％，Li：0.5％，Mg：0.01％，La：0.05％，Ce：0.15％，其余为Zn；
第三步锌基合金的热处理
首先，把上述第二步制得的锌基合金放入温度为90℃的热处理炉中进行稳定化热处理500min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为180℃的热处理炉中保温50min，然后把炉温以20℃/min升高到380℃并保温90min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为360℃的热处理炉中进行均匀化热处理130min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为70℃的热处理炉中保温1200min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：11.5％，Cu：1.5％，Sn：3.5％，Li：0.5％，Mg：0.01％，La：0.05％，Ce：0.15％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度189HB、抗拉强度530MPa，抗压强度1200MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0086mg/m。
实施例5
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗8min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各块体4次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于40℃，真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备
将石墨黏土坩埚放入处于流量为1000mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到470℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体30g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1066.67g放入到该石墨黏土坩埚中，在470℃保温20min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体90g加入石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在470℃保温15min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以25kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌10min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到680℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体150g、铝镁中间合金块体4g和铝铜中间合金块体100g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在680℃保温25min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以35kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌18min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到790℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体5.5g和备用的分析纯的CeBr3粉体12.2g同时加入到石墨黏土坩埚中的金属液底部，在790℃保温12min后将井式炉温度降至660℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体533.33g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待加入的纯锌块体完全熔化后，以25kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌30min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.4％的AlCl3精炼剂进行10min整个金属液的精炼，扒渣，而后以25kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌12min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至555℃，静置15min，再次扒渣后把坩埚中4/5的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为420℃的金属型模具中，并以30kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌10min，而后把坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置35min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：10.28％，Cu：2.52％，Sn：4.54％，Li：1.51％，Mg：0.02％，La：0.1％，Ce：0.23％，其余为Zn；
第三步锌基合金的热处理
首先，把上述第二步制得的锌基合金放入温度为85℃的热处理炉中进行稳定化热处理480min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为170℃的热处理炉中保温40min，然后把炉温以20℃/min升高到375℃并保温80min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为350℃的热处理炉中进行均匀化热处理130min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为60℃的热处理炉中保温1100min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：10.28％，Cu：2.52％，Sn：4.54％，Li：1.51％，Mg：0.02％，La：0.1％，Ce：0.23％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度192HB、抗拉强度591MPa，抗压强度1296MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0084mg/m。
上述实施例中所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。

Claims (2)

1.一种用于冲压模具的锌基合金，其特征在于：是一种元素组成的质量百分比为：Al：9.5％或10.28％、Cu：1.5％～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01％～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其布氏硬度179～192HB、抗拉强度344～591MPa，抗压强度897～1296MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0084～0.0097mg/m。
2.一种制备权利要求1所述的一种用于冲压模具的锌基合金的方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步，原材料的配制：
把纯锌锭加工成每块重量40～60g的块体，将铜的质量百分含量为50％的铝铜中间合金加工成每块重量5～15g的块体，将纯锡锭加工成每块重量1～10g的块体，将纯铝锭加工成每块重量2～3g的块体，将镁的质量百分含量为10％的铝镁中间合金加工成每块重量2～3g的块体，分别把上述加工的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体和铝镁中间合金块体放在体积百分浓度为5％的稀硝酸酒精溶液中并置于超声清洗仪中超声清洗5～10min去除各个块体表面的氧化皮和杂质，再用无水乙醇清洗各种块体3～4次后用高纯氩气吹干，将上述处理后的纯锌块体、铝铜中间合金块体、纯锡块体、纯铝块体、铝镁中间合金块体和另准备的加工成每块重量0.1～0.3g的纯锂块体、分析纯的LaBr3粉体和分析纯的CeBr3粉体均放入处于30～50℃，真空度为-0.05～-0.1MPa的真空干燥箱中备用；
第二步锌基合金的制备：
将石墨黏土坩埚放入处于流量为500～1000mL/min氩气保护的井式熔炼炉中，将井式熔炼炉加热到450～490℃后，称取上述第一步中备用的纯锂块体10g～50g放入到石墨黏土坩埚中，再把称取的上述第一步中备用的纯锌块体1020.27g～1130.53g放入到该石墨黏土坩埚中，在450～490℃保温15～20min形成锌锂金属液，然后将称取的上述第一步中备用的纯锡块体70～110g加入该石墨黏土坩埚中的锌锂金属液中，在450～490℃保温10～15min形成锌锂锡金属液，然后将超声振动棒插入该锌锂锡金属液中，并以20～30kHz的频率对该锌锂锡金属液持续超声振动搅拌5～10min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到650～700℃，然后把称取的上述第一步中备用的纯铝块体114.6～198.2g、铝镁中间合金块体2～6g和铝铜中间合金块体60～140g加入到石墨黏土坩埚中的锌锂锡金属液中，在650～700℃保温20～30min至全部金属和合金块体熔化成金属液，再后以30～40kHz的频率对该金属液持续超声振动搅拌15～20min，而后停止超声振动搅拌并将井式炉温度升高到760～800℃，随后把称取的上述第一步中备用的分析纯的LaBr3粉体2.72～8.17g和备用的分析纯的CeBr3粉体8.13～16.26g同时加入到该石墨黏土坩埚中的金属液底部，在760～800℃保温10～15min后将井式炉温度降至630～670℃，再将称取的上述第一步中备用的纯锌块体510.13～565.27g加入到上述石墨黏土坩埚中的金属液中，待所加入的纯锌块体完全熔化后，以20～30kHz的频率对整个金属液持续超声振动搅拌20～30min，而后停止超声振动搅拌并加入质量为总的金属和合金原料重量百分比0.3～0.5％的AlCl3精炼剂进行8～10min整个金属液的精炼，扒渣，而后以20～30kHz的频率对精炼处理后的整个金属液持续超声振动搅拌10～15min，而后停止超声振动搅拌并把井式炉降至540～560℃，静置10～15min，再次扒渣后把该石墨黏土坩埚中3/4～4/5的精炼处理后的金属液浇注到保温温度为400～450℃的金属型模具中，并以20～30kHz的频率对金属型模具中的精炼处理后的金属液持续超声振动搅拌5～10min，而后把石墨黏土坩埚中余下的精炼处理后的金属液浇注到该金属型模具中并静置30～40min，然后自然冷却到室温，即得到元素组成式为Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce的锌基合金，该锌基合金的元素组成的质量百分比为：Al：9.5％或10.28％、Cu：1.5％～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01％～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn；
第三步锌基合金的热处理：
把上述第二步制得的锌基合金放入温度为80～90℃的热处理炉中进行稳定化热处理450～500min，之后将该锌基合金从热处理炉中取出并在空气中自然冷却至室温，随后对其进行强化热处理，即把该锌基合金放入温度为150～180℃的热处理炉中保温30～50min，然后把炉温以10～20℃/min升高到360～380℃并保温70～90min，将该锌基合金从热处理炉中取出并放入处于室温的水中进行淬火处理，直至该锌基合金在水中冷却至室温，再将该锌基合金置于温度为340～360℃的热处理炉中进行均匀化热处理110～130min，从该热处理炉中取出该锌基合金并自然冷却至室温，最后，将该锌基合金在温度为50～70℃的热处理炉中保温1000～1200min，从该热处理炉中取出该锌基合金并在空气中自然冷却至室温，即得到高强耐磨的元素组成的质量百分比为：Al：9.5％或10.28％、Cu：1.5％～3.5％、Sn：3.5～5.5％、Li：0.5～2.5％、Mg：0.01％～0.03％、La：0.05～0.15％、Ce：0.15～0.30％和其余为Zn的用于冲压模具的Zn-Al-Cu-Sn-Li-Mg-La-Ce锌基合金，其性能达到布氏硬度179～192HB，抗拉强度344～591MPa，抗压强度897～1296MPa，在M-2000型摩擦磨损试验机上进行锌基合金耐磨性测试，锌基合金上试样尺寸为6mm×7mm×30mm，下侧对磨环材料为Cr12淬火钢，对磨环直径为40mm，对磨环转速为214r/min，载荷为200N，磨损时间为20min，测得锌基合金的磨损率为0.0084～0.0097mg/m。
CN201710784954.XA 2017-09-04 2017-09-04 用于冲压模具的锌基合金及其制备方法 Active CN107686908B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710784954.XA CN107686908B (zh) 2017-09-04 2017-09-04 用于冲压模具的锌基合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710784954.XA CN107686908B (zh) 2017-09-04 2017-09-04 用于冲压模具的锌基合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107686908A CN107686908A (zh) 2018-02-13
CN107686908B true CN107686908B (zh) 2019-05-28

Family

ID=61155876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710784954.XA Active CN107686908B (zh) 2017-09-04 2017-09-04 用于冲压模具的锌基合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107686908B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2710312C1 (ru) * 2019-07-16 2019-12-25 Открытое акционерное общество "Взрывозащищенные электрические аппараты низковольтные" Антифрикционный сплав на основе цинка-олова-алюминия
CN113122740A (zh) * 2021-04-07 2021-07-16 森特士兴集团股份有限公司 一种制备Zn-Cu-Ti合金铸锭的方法、合金铸锭及合金板材

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8725349D0 (en) * 1987-10-29 1987-12-02 Am & S Europ Ltd Metal shot
CN100451147C (zh) * 2007-06-05 2009-01-14 中南大学 一种高强度易切削锌基合金及其制备工艺
CN101928860A (zh) * 2010-09-29 2010-12-29 株洲冶炼集团股份有限公司 一种制造模具用锌合金
CN102586650A (zh) * 2012-03-02 2012-07-18 株洲冶炼集团股份有限公司 一种模具用锌合金
CN105522109A (zh) * 2014-10-23 2016-04-27 无锡华冶钢铁有限公司 一种锌铜铝镁合金模具的制造方法
CN104451262A (zh) * 2014-12-16 2015-03-25 广西大学 一种高耐磨高铝锌基合金及其铸造工艺和浇注系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN107686908A (zh) 2018-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103911530B (zh) 一种自动挡变速器用高性能铝合金材料及其制备方法
CN109439971A (zh) 一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法
CZ298966B6 (cs) Zpusob rafinace struktury oceli, slitina pro rafinaci struktury oceli a zpusob výroby slitiny pro rafinaci struktury oceli
AU2005324597A1 (en) Wrought magnesium alloy having excellent formability and method of producing same
CN107447132B (zh) 一种锌基合金及其制备方法
CN106756276A (zh) 一种铸造铝合金用Al‑Ti‑B‑Y‑Ce细化剂及其制备方法和应用
CN113025858B (zh) 具有细化基体相和共晶相Mg-Al-Zn系镁合金及其制备方法和应用
CN107686908B (zh) 用于冲压模具的锌基合金及其制备方法
CN102965553A (zh) 用于汽车保险杠的铝合金铸锭及其生产工艺
CN102965554B (zh) 硬质铝合金铸锭
WO2020163707A1 (en) Aluminum alloys for structural high pressure vacuum die casting applications
CN102672146A (zh) 电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法
CN102418010B (zh) 去除针孔的铸铝合金及其熔炼方法
CA1082005A (en) Alloy for rare earth treatment of molten metals
Ravi et al. Mechanical properties of cast Al-7Si-0.3 Mg (LM 25/356) alloy
US9371573B2 (en) Grain refinement, aluminium foundry alloys
CN102719703B (zh) 一种能提高综合力学性能的多元锌铝合金
CN111575511A (zh) 一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法
CN112899538B (zh) 一种铝镁锌合金及其制备方法
US10465258B2 (en) Grain refinement in iron-based materials
KR102539284B1 (ko) 내가스 결함성에 우수한 구상흑연주철
JP2007327083A (ja) 球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法
LU501002B1 (en) Method for optimizing microstructure and property of secondary aluminum
CN113857449B (zh) 取向硅钢铸坯的制备方法及铸坯系统
CN104404361B (zh) 一种d型石墨铸铁及其生产方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant