CN107739889A

CN107739889A - 一种高导电高导热Zn‑Li‑Sc锌锂合金

Info

Publication number: CN107739889A
Application number: CN201711299782.3A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-09
Filing date: 2017-12-09
Publication date: 2018-02-27

Abstract

本发明公开了一种高导电高导热Zn‑Li‑Sc锌锂合金。按重量百分比计，合金化学成分为：Li:0.8‑1.5wt.%,Sc:0.6‑1.2wt.%,Ca:0.2‑0.4wt.%,Si:1.0‑2.5wt.%,In:0.2‑0.4wt.%,Cd:0.5‑0.8wt.%,Sb:0.2‑0.5wt.%,Th:0.1‑0.2wt.%,B:0.2‑0.3wt.%，余量为锌。相对于传统锌合金，该材料具有优异的阻尼性能和导热性能。

Description

一种高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种锌合金。

背景技术

锌合金是近几十年来国内外应用日益广泛的价廉、节能、质优的新材料。它具有抗拉强度和硬度高、阻尼性好、耐磨性好、摩擦系数小、摩擦温升低、材料与制造成本低廉等优点。同时，还具有良好的工艺性能，不仅可用于压铸，还适用于砂型、金属型、石墨型、连铸等。且原材料来源广、价格低廉、熔化时能耗低，无污染，使用寿命长，是国内外发展很快的一类新型合金。目前，工业上己用其部分代替青铜、黄铜、铸铁甚至球铁等结构材料，在模具材料及其它领域的应用上也正在开发和拓展。当用于代替锡青铜时，成本比锡青铜降低40%以上，且无需改变锡青铜零件的形状和生产条件。

此外，锌合金还有很多其它有优点：首先，熔点低，熔炼时不易氧化，保温较方便，压室和压铸模壁受热少，延长了铸型的使用寿命;其次，铸造性能好，熔融状态下流动性好，不吸铁，不易粘模;另外，在机械性能方面，锌合金具有较高的强度和耐磨损能力，以及抗冲击塑性变形能力和易加工的性质，都是其它材料无法替代的。故锌合金广泛应用于薄壁产品以及对表面光洁度要求高、需电镀的压铸产品。

随着我国经济的飞速发展，能源，交通，电力等行业对锌基合金材料的要求越来越高。锌基合金材料广泛应用于电梯曳引机、锻压设备、纺织机械、机床制造、建材机械、冶金矿山机械、食品机械、印刷机械、工程机械等行业，且特别适用于中低速的涡轮、轴套、轴承、滑块、螺母等零件。此外，锌合金还用于小电流和小电压下的电接触材料，用于部分替代昂贵的铜合金。人们不断最求合金成本，材料性能和加工性能的最佳组合的来满足日益提升的要求。目前，在欧美、日本等发达国家已经通过几十年的努力对锌合金材料进行了多方位的创新。我国所需要的高端锌合金也多从德国，瑞典等发达国家进口。

国外己经开发的新型锌合金材料的力学性能，导电性能和导热性能还不能令人满意，抗拉强度维持在400-450MPa左右，不能完全满足现代工业的要求。开发具备特殊性能锌合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成锌基复合材料。锂作为合金化元素加入锌合金中可以大大提高锌合金的弹性性能和导热性能。随着我国工业的快速发展，开发新型高导电和高导热的锌合金已成为必然。

锌锂合金最大的特点是在冶炼过程中熔体容易氧化烧，生成疏松的氧化膜和氮化膜。这种不致密的熔体表面化合物膜不能阻止氧气和氮气向熔体表面的扩散，导致了锂在合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，锌锂合金的冶炼中一般采用氩气保护的方法来进行合金制备。该方法不同程度地存在着成本偏高，铸件易产生熔剂夹杂、设备复杂等缺点。因此使锌锂合金的研制、开发与应用受到了限制。因而在急需大规模使用锌锂合金的工业和国防领域，一直存在着现有产量少，工艺繁琐，成本高等急需克服的现状。

通过合金化的方法达到防止在冶炼过程中锌锂合金熔体的氧化，是解决该合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。与氩气保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能。此外，在锌锂合金中平衡各种合金元素的含量还可以使得最终锌锂合金产品还要同时拥有令人满意的导电性能和导热性能。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在450-500度大气条件下进行熔炼的高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有锌基合金材料所需要具备的优异的导电性能和导热性能。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高阻尼高导热Zn-Li-Sc锌锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li:0.8-1.5wt.%, Sc:0.6-1.2wt.%,Ca:0.2-0.4wt.%,Si:1.0-2.5wt.%,In:0.2-0.4wt.%,Cd:0.5-0.8wt.%,Sb:0.2-0.5wt.%,Th:0.1-0.2wt.%,B:0.2-0.3wt.%，余量为锌。该锌合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述锌合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到450-500度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在450-500度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为6-8m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-12%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：150度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理260度，3.2小时；真空时效处理150度，2.1小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前锌合金的导电性能和导热性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。通过新颖的材料学方法来优选合金中的元素种类和含量，所得产品不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的导电性能和导热性能，并能获得优异的合金收得率。

（2）本专利提出的锌合金加工性能十分优良，切削速度可以是铸铁的3-5倍，刀具寿命得到延长，且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为2mm的铸件，可铸出直径为1 mm左右的小孔，而铝合金在重力铸造条件下，只能铸出最小壁厚为4mm，最小孔径6mm的铸件。

（3）该锌合金在加入Li后，使晶粒得到细化。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

（4）该材料具有高于传统锌基合金的室温力学性能：抗拉强度为500-650MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。具备优异的导电性能，IACS（%）为32-38，而一般锌合金的IACS小于28。

该合金具有优秀的导热性能,传热系数为100-120W/m·K。而传统锌合金的传热系数小于80 W/m·K。此外，该材料比传统锌基合金的密度降低2-3%左右。

具体实施方式

实施例1

一种具有450度熔炼高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金。按重量百分比计，化学成分为：Li:1.2wt.%,Sc:0.8wt.%,Ca:0.3wt.%,Si:1.4wt.%,In:0.3wt.%,Cd:0.6wt.%,Sb:0.4wt.%,Th:0.1wt.%,B:0.2wt.%，余量为锌。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到450度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在450度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：150度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理260度，3.2小时；真空时效处理150度，2.1小时。该合金可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低。该材料具有高于传统锌基合金的室温力学性能：抗拉强度为614MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。具备优异的导电性能，IACS（%）为36，而一般锌合金的IACS小于28。该合金具有优秀的导热性能,传热系数为108W/m·K。而传统锌合金的传热系数小于80W/m·K。此外，该材料比传统锌基合金的密度降低2.5%左右。该锌合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.2wt.%左右。

实施例2

一种具有480度熔炼高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金。按重量百分比计，化学成分为：Li:0.9wt.%,Sc:0.8wt.%,Ca:0.2wt.%,Si:1.6wt.%,In:0.3wt.%,Cd:0.6wt.%,Sb:0.3wt.%,Th:0.1wt.%,B:0.2wt.%，余量为锌。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到480度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在480度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为7m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为11%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：150度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理260度，3.2小时；真空时效处理150度，2.1小时。该合金可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低。该材料具有高于传统锌基合金的室温力学性能：抗拉强度为623MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。具备优异的导电性能，IACS（%）为35，而一般锌合金的IACS小于28。该合金具有优秀的导热性能,传热系数为105W/m·K。而传统锌合金的传热系数小于80W/m·K。此外，该材料比传统锌基合金的密度降低2.7%左右。该锌合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.8wt.%左右。

实施例3

一种具有490度熔炼高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金。按重量百分比计，化学成分为：Li:1.4wt.%,Sc:1.1wt.%,Ca:0.3wt.%,Si:2.3wt.%,In:0.3wt.%,Cd:0.6wt.%,Sb:0.4wt.%,Th:0.1wt.%,B:0.2wt.%，余量为锌。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到490度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在490度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为7m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：150度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理260度，3.2小时；真空时效处理150度，2.1小时。该合金可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低。该材料具有高于传统锌基合金的室温力学性能：抗拉强度为623MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。具备优异的导电性能，IACS（%）为37，而一般锌合金的IACS小于28。该合金具有优秀的导热性能,传热系数为114W/m·K。而传统锌合金的传热系数小于80W/m·K。此外，该材料比传统锌基合金的密度降低2.4%左右。该锌合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.6wt.%左右。

Claims

1.一种高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:0.8-1.5wt.%,Sc:0.6-1.2wt.%,Ca:0.2-0.4wt.%,Si:1.0-2.5wt.%,In:0.2-0.4wt.%,Cd:0.5-0.8wt.%,Sb:0.2-0.5wt.%,Th:0.1-0.2wt.%,B:0.2-0.3wt.%，余量为锌。

2.根据权利要求1所述高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到450-500度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在450-500度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为6-8m/min。

3.根据权利要求1所述高导电高导热Zn-Li-Sc锌锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-12%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：150度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理260度，3.2小时；真空时效处理150度，2.1小时。