CN107904445A

CN107904445A - 含钙和钠高强度高导热锌合金及其加工工艺

Info

Publication number: CN107904445A
Application number: CN201711401041.1A
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: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2018-04-13

Abstract

本发明公开了一种含钙和钠高强度高导热锌合金。按重量百分比计，合金化学成分为：Na:0.5‑0.8wt.%,Ca:0.4‑0.6wt.%,Al:8.5‑10.3wt.%,Mn:0.8‑1.6wt.%,Ge:0.3‑0.5wt.%,Sn:0.8‑1.4wt.%,Ce:0.4‑0.8wt.%,Th:0.2‑0.4wt.%,S:0.5‑1.0wt.%，余量为锌。相对于传统锌合金，该材料具有优异的力学性能和导热性能。

Description

含钙和钠高强度高导热锌合金及其加工工艺

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

锌合金具有良好的塑性变形能力和铸造流动性，因其比刚度和比强度高，熔点低、制造成本低廉、易于加工成型等优点，被广泛地应用于航空航天、武器装备、石油化工、机械制造等各个行业。锌合金有很多优点：铸造性能好，可以压铸形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑。可进行表面处理：电镀、喷涂、喷漆、抛光、研磨等。熔化与压铸时不吸铁，不腐蚀压型，不粘模。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。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和传热性能还不能令人满意，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。钙和钠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。

我国锌含量占世界的46%，资源极其丰富，而铜、锡贫乏，研究开发具有高强度、抗腐蚀、耐摩擦、阻尼性能好的锌合金，代替价格昂贵的铜锡合金对人类社会的发展拥有重要的意义。同时，我国碱金属和碱土金属资源不仅种类齐全，储量丰富，而且品质优，分布广，易于开采，这为我国开发新型锌合金材料提供了坚实的物质基础。随着我国工业的快速发展，开发新型高强和高导热的锌合金已成为必然。

含钙和钠锌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，导致了钙和钠在合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，含钙和钠锌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。因此使含钙和钠锌合金的研制、开发与应用受到了限制。因而在急需大规模使用含钙和钠锌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含钙和钠锌合金合金熔体的氧化，是解决该合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止钙和钠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，在锌合金中平衡各种合金元素的含量还可以使得最终锌合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度和导热性能。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含钙和钠高强度高导热锌合金及其加工工艺。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高强度和优异的导热性能。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：

一种含钙和钠高强度高导热锌合金。按重量百分比计，合金的组成为：Na:0.5-0.8wt.%, Ca:0.4-0.6wt.%,Al:8.5-10.3wt.%,Mn:0.8-1.6wt.%,Ge:0.3-0.5wt.%,Sn:0.8-1.4wt.%,Ce:0.4-0.8wt.%,Th:0.2-0.4wt.%,S:0.5-1.0wt.%，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10-14m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8-10%；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：140度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理250度，3.2小时；真空时效处理120度，2.8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强度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力学性能和导热性能，并能获得优异的合金收得率。

（2）合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的含钙和钠高强度高导热锌合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在450-500温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。所得合金表面氧化膜和氮化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡大气侵入合金液内。且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小于3.0wt.%左右。

（3）该锌合金在加入钙和钠后使晶粒得到细化。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。在保证具备阻燃性的同时，也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580-720MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。还具备优异的导热性能,传热系数为130-140W/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度熔炼含钙和钠高强度高导热锌合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Na:0.7wt.%,Ca:0.5wt.%,Al:8.9wt.%,Mn:0.8wt.%,Ge:0.4wt.%,Sn:0.9wt.%,Ce:0.6wt.%,Th:0.3wt.%,S:0.8wt.%，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12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为9%；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：140度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理250度，3.2小时；真空时效处理120度，2.8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。在保证具备阻燃性的同时，也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。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635MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。还具备优异的导热性能,传热系数为136W/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2.5%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1.8wt.%左右。

实施例2

一种具有480度熔炼含钙和钠高强度高导热锌合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Na:0.6wt.%,Ca:0.5wt.%,Al:9.4wt.%,Mn:1.2wt.%,Ge:0.4wt.%,Sn:0.9wt.%,Ce:0.6wt.%,Th:0.3wt.%,S:0.8wt.%，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14m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为9%；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：140度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理250度，3.2小时；真空时效处理120度，2.8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。在保证具备阻燃性的同时，也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。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618MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。还具备优异的导热性能,传热系数为132W/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2.8%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3

一种具有490度熔炼含钙和钠高强度高导热锌合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Na:0.7wt.%,Ca:0.5wt.%,Al:9.1wt.%,Mn:1.2wt.%,Ge:0.4wt.%,Sn:0.9wt.%,Ce:0.6wt.%,Th:0.3wt.%,S:0.9wt.%，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12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%；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：140度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理250度，3.2小时；真空时效处理120度，2.8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。在保证具备阻燃性的同时，也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。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635MPa；传统材料抗拉强度为400-420MPa。还具备优异的导热性能,传热系数为132W/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2.6%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

1.一种含钙和钠高强度高导热锌合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Na:0.5-0.8wt.%,Ca:0.4-0.6wt.%,Al:8.5-10.3wt.%,Mn:0.8-1.6wt.%,Ge:0.3-0.5wt.%,Sn:0.8-1.4wt.%,Ce:0.4-0.8wt.%,Th:0.2-0.4wt.%,S:0.5-1.0wt.%，余量为锌。

2.根据权利要求1所述含钙和钠高强度高导热锌合金，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10-14m/min。

3.根据权利要求1所述含钙和钠高强度高导热锌合金，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8-10%；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：140度，2.3个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理250度，3.2小时；真空时效处理120度，2.8小时。