CN108588488A - 一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺,重力铸造锌合金,其各元素组分及所占重量百分比为:Al,4‑6wt%;Cu,0.3‑1wt%;Mg,0.05‑0.08wt%;Fe,0.02‑0.05wt%;RE,0.01‑0.03wt%;Ti,0.001‑0.003wt%;杂质,总量<0.15wt%;余量Zn。本发明基于提高合金流动性的成分设计思想(近共晶型锌铝合金),通过熔体净化与组织微细化等熔体处理工艺手段,获得一种新型的铸造锌合金及熔铸工艺。
Description
技术领域
本发明涉及属于有色金属成分设计与熔铸技术领域,具体是指一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺。
背景技术
中国的锌资源储存量占世界总储量的46%,不仅能满足国内的需求,而且还可大量出口,开发锌合金具有广阔的前景。铸造锌合金具有良好的力学性能、耐磨耐蚀性能、密度较低、热导率和电导率适中、极限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性、碰撞时不产生火花、减振降噪性能和较低的成本,正越来越广泛地应用于各个领域,并带来显著的经济效益。当前,铸造锌合金主要用来生产汽车、拖拉机等机电部门的各种仪表壳体类铸件,或生产各种起重设备、机床、水泵等装备的轴承,也可代替铜合金生产各类卫浴五金配件、锁具、拉链、橱柜五金、金属装饰件等产品,在模具和玩具等行业也倍受青睐。
铸造锌合金常采用压力铸造或重力铸造生产铸件,在民生锌合金用品上,压铸用锌合金的应用比例较大。随着产品结构复杂程度和表面处理工艺要求日益提高,仅针对铸件内部曲线抽芯一项,压铸生产工艺已无法满足实际需求,亟需开发一种新型的重力铸造锌合金,满足如下要求:(1)铸型材质适应性强(砂型、石膏型或金属型等);(2)铸造性能好,浇口简单,收缩率小,气孔少,强度高,冷却速度对力学性能无明显影响;(3)残、废料可循环使用,对过热和重熔不敏感;(4)可用常规方法精整(易抛光),能电镀等。
鉴于此,本发明以重力铸造为工艺背景,对上述问题进行深入研究,提出一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺,本案由此产生。
发明内容
本发明的一个目的是在于提供一种重力铸造锌合金,基于提高合金流动性的成分设计思想(近共晶型锌铝合金),通过熔体净化与组织微细化等熔体处理工艺手段,获得一种新型的铸造锌合金。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种重力铸造锌合金,其各元素组分及所占重量百分比为:
Al,4-6wt%;
Cu,0.3-1wt%;
Mg,0.05-0.08wt%;
Fe,0.02-0.05wt%;
RE,0.01-0.03wt%;
Ti,0.001-0.003wt%;
杂质,总量<0.15wt%;
余量Zn。
所述稀土元素RE以La+Ce混合稀土形式加入。
所述杂质元素主要包括Pb、Cd、Sn、Ni、Mn、Cr、Si、Mn,每单项杂质元素含量不超过0.02%。
本发明的另一目的在于提供一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其工艺步骤如下:
1)在有芯工频炉中先加入不超过熔炼总重量的1/3的锌合金废料进行升温熔融;
2)取样检测成分,控制熔液中各元素所占的重量百分比为:Al,4-6wt%;Cu,0.3-1wt%;Mg,0.05-0.08wt%;Fe,0.02-0.05wt%;RE,0.01-0.03wt%;Ti,0.001-0.003wt%;杂质,总量<0.15wt%;余量Zn;
3)将占熔炼总重量的0.05%-0.15%的锌合金环保型精炼熔剂均匀撒在熔体表面,加入剩余的纯锌锭,待锌锭熔化量达70~80%时,用钟罩压入称量且预热好的纯铜线、纯铝锭,将熔体在470~490℃静置20~30min;
4)待合金完全熔化后,使用惰性气体进行熔体除气;除气结束后压入称量且预热好的纯镁锭、Zn-10RE中间合金、Al-5Ti中间合金,量少且密度小于锌的金属原料(如:Mg、Al-5Ti中间合金)可用钟罩压入熔体并水平搅拌,将熔体在450~460℃静置10min。
5)扒渣转浇包,在430~450℃时用铸铁模具浇铸成锭。
所述步骤1)中,锌合金废料为电镀废料时,在升温熔融过程中不要搅动熔体,待锌合金基体全部熔化后,其中镀层物质浮在锌合金熔液表面,让熔体在470~490℃静置15~20min,待浮渣出现,即刮除干净。
所述步骤2)中,主要合金元素烧损率参照如下范围执行:Al元素1~2%、Mg元素3~5%。
所述步骤3)中,精炼熔剂主要由包含Na+、K+、Ca+、Zn+、NH+、F-、Cl-等离子的多种盐类组成,并再添加1~4%的石墨粉。
所述步骤4)中,使用惰性气体进行熔体除气,具体操作如下:先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线插入,喷头端部置于熔体液面以下2/3处,再将干燥后的N2或Ar通过管道进入熔体,开启喷头旋转开关,惰性气体以细小气泡弥散分布于锌合金熔体中,除气过程持续10~15min。
所述步骤4)之后,还进行取样检测成分,并根据成分检测数据进行成分调整。
所述步骤4)之后,还进行流动性、结晶状态、抛光态铸锭杂质点数量与分布等检验,若满足要求,即可浇铸;反之,继续做精炼处理,直至满足精炼要求。
采用上述方案后,本发明为一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺,相对于现有技术的有益效果在于:本发明基于提高合金流动性的成分设计思想(近共晶型锌铝合金),通过熔体净化与组织微细化等熔体处理工艺手段,获得一种新型的铸造锌合金及熔铸工艺。该合金同样也可应用于压力铸造成型。其中工艺优化技术主要在于:
(1)采用去污、烘干的锌合金废料(不超过熔炼总重量的1/3)作为坩埚底预熔材料,可节约熔炼时间,并有利于控制锌合金熔体处于半熔融状态,增大熔体粘度,抑制低密度原料上浮,提高元素吸收率;
(2)在低温锌合金熔体中压入低熔点、低密度或量少的原料并保证充足的静置时间,可有效防止氧化烧损,有利于元素充分扩散反应,便于控制成分,节约生产成本;
(3)在适当的熔炼阶段分次添加精炼剂,可保证熔剂充分吸附锌合金熔体中的氧化夹渣,避免熔剂失效;结合惰性气体旋转喷吹技术,进一步综合净化锌合金熔体,提高有效组元的分布均匀性。
附图说明
图1为新型重力铸造锌合金的显微组织示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本案作进一步详细的说明。
本案涉及一种重力铸造锌合金,其各元素组分及所占重量百分比为:
Al,4-6wt%;Cu,0.3-1wt%;Mg,0.05-0.08wt%;Fe,0.02-0.05wt%;RE,0.01-0.03wt%;Ti,0.001-0.003wt%;杂质,总量<0.15wt%;余量Zn。
一优选实施例,一种重力铸造锌合金,其各元素组分及所占重量百分比为:Al,4.8wt%;Cu,0.35wt%;Mg,0.06wt%;Fe,0.03wt%;RE,0.02wt%;Ti,0.002wt%;杂质,总量<0.12wt%;余量Zn。
下面对本案重力铸造锌合金的成分特点作展开说明:
(1)基于强度和流动性的考虑,Al元素含量应保证锌合金处于近共晶型成分范围,使合金具有较高的抗拉强度、硬度和冲击韧度。在微观组织中,Al将以α-Al固溶体形式形成初生α枝晶和共晶α相,少量Al固溶于η-Zn固溶体中,可以细化晶粒,提高合金的强度,并能改善合金液的流动性,有利于合金表面形成氧化膜,起钝化防蚀作用,减弱合金的氧化倾向。为保证Cu元素的作用,应着重减少合金中的Fe元素含量(具体控制在0.02-0.05wt%),避免产生Fe2Al3浮渣,造成Al元素含量下降。
(2)Cu元素可部分固溶于α相和η相,主要形成ε(CuZn4)相,对亚稳β相的转变起到抑制作用,提高强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和合金液的流动性,并有利于减少晶间腐蚀。但该Cu元素含量限定不超过1%,超过1%后易使锌合金使老化现象加重,并使铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化,降低合金的可延伸性。
(3)Mg元素可固溶于η相和亚稳β相中,抑制β相转变,细化合金组织,从而增加合金的强度,减少晶间腐蚀,防止“老化”,还可改善合金的抗磨损性能。但该Mg元素含量应控制在0.08%以内,大于0.08%时,易产生热脆、韧性下降、流动性下降,并易在合金熔融状态下氧化损耗。
(4)Fe元素主要来源于回收废料,有利于晶粒细化,并减少宏观柱状晶区,保证基体组织的致密性;但铁与铝发生反应易造成铝元素的损耗并形成浮渣,在铸件中形成硬质点,影响后加工和抛光,并可增加合金的脆性。
(5)稀土元素RE可以对锌合金起到熔体净化、基体组织细化和杂质相变质(尤其是残留基体中的Fe2Al3相)的综合作用,有利于残、废料混熔的制备方式,提高锌合金的冶金质量;优选地以混合稀土形式(La+Ce)加入,可降低制备成本。
(6)Ti元素主要起细化基体组织的作用,但在制备过程中要求分散性好,避免生成高熔点杂质物相。
(7)杂质元素主要包括Pb、Cd、Sn、Ni、Mn、Cr、Si、Mn等,应严格控制其上限,综合含量低于0.15%,单项杂质元素含量不超过0.02%。
本发明还对应提供一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其工艺步骤如下:
1)在有芯工频炉中先加入不超过熔炼总重量的1/3的锌合金废料进行升温熔融。
一具体实施例,按每炉熔炼1000kg新型重力铸造锌合金计算,加入300kg的锌合金废料;
其中,锌合金废料可考虑常见的压铸锌合金废料(如国标3号或5号锌合金)。如果添加的是电镀废料,则在升温熔融过程中不要搅动熔体,由于镀层物质(Ni、Cd、Cr等)熔点高,一旦锌合金基体全部熔化后,该类物质会浮在锌合金熔液表面,可让熔体在470~490℃静置15~20min,待浮渣出现,即刮除干净。
2)取样检测成分,成分检测结果、锌合金成分要求及元素烧损率,称量各元素所需的合金材料重量。控制熔液中各元素所占的重量百分比为:Al,4-6wt%;Cu,0.3-1wt%;Mg,0.05-0.08wt%;Fe,0.02-0.05wt%;RE,0.01-0.03wt%;Ti,0.001-0.003wt%;杂质,总量<0.15wt%;余量Zn。其中,主要合金元素烧损率参照如下范围执行:铝元素1~2%、镁元素3~5%。
3)将占熔炼总重量的0.05%-0.15%的锌合金环保型精炼熔剂均匀撒在熔体表面,加入剩余的纯锌锭,待锌锭熔化量达70~80%时,用钟罩压入称量且预热好的纯铜线、纯铝锭,将熔体在470~490℃静置20~30min;
对应具有实施例,将1kg的锌合金环保型精炼熔剂均匀撒在熔体表面。精炼熔剂主要由包含Na+、K+、Ca+、Zn+、NH+、F-、Cl-等离子的多种盐类组成,并再添加1~4%的石墨粉。
4)待合金完全熔化后,使用惰性气体进行熔体除气;除气结束后压入称量且预热好的纯镁锭、Zn-10RE中间合金(富La/Ce的混合稀土)、Al-5Ti中间合金,量少且密度小于锌的金属原料(如:Mg、Al-5Ti中间合金)可用钟罩压入熔体并水平搅拌,将熔体在450~460℃静置10min。
使用惰性气体进行熔体除气,具体操作如下:先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线插入,喷头端部置于熔体液面以下2/3处,再将干燥后的N2或Ar通过管道进入熔体,开启喷头旋转开关,惰性气体以细小气泡弥散分布于锌合金熔体中,除气过程持续10~15min。
5)扒渣转浇包,在430~450℃时用铸铁模具浇铸成锭。
所述步骤4)中,所述步骤4)之后及步骤5)之前,还进行取样检测成分,并根据成分检测数据进行成分调整。进一步,还进行流动性、结晶状态、抛光态铸锭杂质点数量与分布等检验,若满足要求,即可浇铸;反之,继续做精炼处理,直至满足精炼要求。
本案所得到的重力铸造锌合金铸锭的显微组织如图1所示,该组织具有以下特征:
(1)该锌合金组织由富锌的β固溶体和富铝的α固溶体组成。若冷却速度较快,合金不发生共析转变,组织为β固溶体和(β+α)共晶组织,α固溶体处于过饱和状态。在随后的冷却过程中,过饱和α固溶体易发生偏析转变,进一步分解为富铝的α1相和富锌的β相,在分解过程中伴随体积膨胀,在铸件内形成巨大的内应力,促进晶间腐蚀,合金变脆,即“老化”。
(2)由于合金中加入适量的Mg、Cu等合金元素,可有效延缓共析反应过程,因此,该锌合金组织为白色且圆钝的β相和该物相之间点状分布的共晶产物(β+α)相。
(3)由于RE和Ti的共同作用,β树枝晶向细球状晶变化,平均尺寸小于45μm,提高基体强度、耐磨性和晶间抗蚀能力。β相的,共晶组织中的α相呈细小点状分布,强化基体。
新型重力铸造锌合金的硬度(普通铁模)约为86~94HB。
以上所述仅为本发明的优选实施例,凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和修饰,均应属于本发明权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种重力铸造锌合金,其特征在于,各元素组分及所占重量百分比为:
Al,4-6wt%;
Cu,0.3-1wt%;
Mg,0.05-0.08wt%;
Fe,0.02-0.05wt%;
RE,0.01-0.03wt%;
Ti,0.001-0.003wt%;
杂质,总量<0.15wt%;
余量Zn。
2.如权利要求1所述的一种重力铸造锌合金,其特征在于,所述稀土元素RE以La+Ce混合稀土形式加入。
3.如权利要求1所述的一种重力铸造锌合金,其特征在于,所述杂质元素主要包括Pb、Cd、Sn、Ni、Mn、Cr、Si、Mn,每单项杂质元素含量不超过0.02%。
4.一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,工艺步骤如下:
1)在有芯工频炉中先加入不超过熔炼总重量的1/3的锌合金废料进行升温熔融;
2)取样检测成分,控制熔液中各元素所占的重量百分比为:Al,4-6wt%;Cu,0.3-1wt%;Mg,0.05-0.08wt%;Fe,0.02-0.05wt%;RE,0.01-0.03wt%;Ti,0.001-0.003wt%;杂质,总量<0.15wt%;余量Zn;
3)将占熔炼总重量的0.05%-0.15%的锌合金环保型精炼熔剂均匀撒在熔体表面,加入剩余的纯锌锭,待锌锭熔化量达70~80%时,用钟罩压入称量且预热好的纯铜线、纯铝锭,将熔体在470~490℃静置20~30min;
4)待合金完全熔化后,使用惰性气体进行熔体除气;除气结束后压入称量且预热好的纯镁锭、Zn-10RE中间合金、Al-5Ti中间合金,量少且密度小于锌的金属原料用钟罩压入熔体并水平搅拌,将熔体在450~460℃静置10min。
5)扒渣转浇包,在430~450℃时用铸铁模具浇铸成锭。
5.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,所述步骤1)中,锌合金废料为电镀废料,在升温熔融过程中不要搅动熔体,待锌合金基体全部熔化后,其中镀层物质浮在锌合金熔液表面,让熔体在470~490℃静置15~20min,待浮渣出现,即刮除干净。
6.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,所述步骤2)中,主要合金元素烧损率参照如下范围执行:Al元素1~2%、Mg元素3~5%。
7.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,所述步骤3)中,精炼熔剂主要由包含Na+、K+、Ca+、Zn+、NH+、F-、Cl-等离子的多种盐类组成,并再添加1~4%的石墨粉。
8.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,所述步骤4)中,使用惰性气体进行熔体除气,具体操作如下:先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线插入,喷头端部置于熔体液面以下2/3处,再将干燥后的N2或Ar通过管道进入熔体,开启喷头旋转开关,惰性气体以细小气泡弥散分布于锌合金熔体中,除气过程持续10~15min。
9.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,所述步骤4)之后,还进行取样检测成分,并根据成分检测数据进行成分调整。
10.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺,其特征在于,所述步骤4)之后,还进行流动性、结晶状态、抛光态铸锭杂质点数量与分布等检验,若满足要求,即可浇铸;反之,继续做精炼处理,直至满足精炼要求。
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---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180928 |