CN108950272A - 一种锌-铜合金的含锑变质剂及变质处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锑元素对锌‑铜合金进行变质处理的方法；所述的变质剂为为纯度为99.20‑99.99wt.%锑或含锑质量百分比为10‑20%的锌‑锑中间合金；在合金熔炼处理过程中加入变质剂，即可抑制ε相的生长，从而增加ε相晶核数量、减小其晶粒尺寸、减少其分枝，且使其在合金基体中分布更趋于均匀。同时该变质处理方法工艺简单，操作方便。

Description

一种锌-铜合金的含锑变质剂及变质处理方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及对锌-铜合金中的ε相（铜-锌化合物）树枝晶进行变质处理的含有锑元素的变质剂及变质处理方法。
背景技术
含铜质量百分比为3-10%的锌-铜合金具有良好的力学性能，有较好的应用前景。此类合金的基体由η-Zn和ε相（铜-锌化合物）晶粒组成。锌-铜合金凝固时ε相首先从液相中直接析出，然后自由生长，生长速度较快，凝固后容易长成分枝复杂且尺寸较大的树枝晶。这样的树枝晶使锌-铜合金流动性降低，铸造性能下降，同时还带来一系列组织结构和使用性能方面的不利影响，如：组织结构中易残留缩松、气孔，产生微观成分偏析、表面质量缺陷，导致强度及塑韧性等力学性能下降。为减少组织和性能的缺陷，生产和实践中通常采用变质处理的方法来改变合金中的大尺寸或分枝复杂的物相，使其尺寸减小、分枝减少甚至转变为没有分枝的多面体或球状晶粒。如，高铝锌-铝合金中常加入锌-铝-钛-碳中间合金、含锆元素的中间合金以对其中的铝相进行变质，使其分枝减少、尺寸变小；再如，铝-硅合金的生产中，常采用加入钠、锶等变质剂的方法对硅相进行变质，以改变其尺寸和形貌。因此，对锌-铜合金进行变质处理，减小ε相晶粒尺寸、消除树枝晶或减少其分枝是生产中的一项重要任务，但目前仍然罕见有效可行的变质处理方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种锑元素变质剂，该变质剂为含锑元素的变质剂；同时也提供了该变质剂对锌-铜合金进行变质处理的方法；可以显著减小ε相树枝晶的尺寸，同时该方法简单易行。
一种锌-铜合金的变质剂，为含锑元素的变质剂。
优选地，所述的变质剂为纯度为99.20 wt.% - 99.99wt.%锑。
优选地，所述的变质剂为含锑10 wt.%-20 wt.%的锌-锑中间合金。
更优选地，所述的变质剂为含锑10 wt.%的锌-锑中间合金。
一种采用变质剂锑对锌-铜合金进行变质处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至630-690℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将变质剂加入上述锌-铜合金熔体中，然后搅拌熔体；
（3）5-20分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布；然后浇注入模具中，凝固后得到变质处理的锌-铜合金。
所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—1wt.%。
所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—0.5wt.%。
一种采用变质剂锌-锑中间合金对锌-铜合金进行变质处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待细化的锌-铜合金熔化至比液相线高30-180℃范围内的某一温度，得到锌-铜合金熔体；
（2）将变质剂加入上述锌-铜合金熔体中，然后搅拌熔体；
（3）5-10分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布；然后浇注入模具中，凝固后得到变质处理的锌-铜合金。
所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—1wt.%。
所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—0.5wt.%。
本发明只需在合金熔炼过程中加入变质剂，工艺简单，操作方便。锑元素在合金凝固过程中聚集于ε相固体晶粒的前沿液相中，抑制ε相的生长，从而增加ε相晶粒数目，减少其分枝，减小其晶粒尺寸，使其在合金基体中分布趋于均匀，达到变质处理的目的。
附图说明
图1为未经变质处理的Zn-8Cu合金的光学显微镜组织结构图；其中发亮的花瓣状物相为ε相。
图2为本发明实施例一变质处理后Zn-8Cu合金的光学显微镜组织结构图；其中发亮的花瓣状、颗粒状、球状物相为ε相。
图3为本发明实施例二变质处理后Zn-8Cu合金的光学显微镜组织结构图；其中发亮的花瓣状、颗粒状、球状物相为ε相。
图4为本发明实施例三变质处理后Zn-8Cu合金的光学显微镜组织结构图；其中发亮的花瓣状、颗粒状、球状物相为ε相。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述，以下实施例中所用纯锑的纯度为99.20wt.% - 99.99wt.%；需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对发明内容进行限定。
实施例一
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至640℃，得到合金熔体。
（2）将一定比例的纯锑加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.08%，然后对熔体进行搅拌。
（3）15分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上（图1），用本实例方法变质后ε相晶粒分枝极少，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为90μm左右（图2）。
实施例二
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至670℃，得到合金熔体。
（2）将一定比例的纯锑加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.5%，然后对熔体进行搅拌。
（3）20分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为60μm左右（图3）。
实施例三
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至690℃，得到合金熔体。
（2）将一定比例的纯锑加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为1%，然后对熔体进行充分搅拌。
（3）5分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显减少，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸明显减小（70μm左右）（图4）。
实施例四
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%，液相线温度约为530℃）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至620℃，得到合金熔体。
（2）将Zn-10wt.%Sb合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.08%，然后对熔体进行搅拌。
（3）5分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝极少，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为90μm左右。
实施例五
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至590℃，得到合金熔体。
（2）将Zn-15wt.%Sb合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.5%，然后对熔体进行搅拌。
（3）10分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为60μm左右。
实施例六
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至630℃，得到合金熔体。
（2）将Zn-20wt.%Sb合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为1%，然后对熔体进行充分搅拌。
（3）5分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显减少，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为70μm左右。
实施例七
Zn-3Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为3%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-3Cu合金熔化至630℃，得到合金熔体。
（2）将一定量的纯锑加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.3%，然后对熔体进行搅拌。
（3）20分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-3Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达300μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为90μm左右。
实施例八
Zn-3Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为3%，液相线温度约为450℃）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-3Cu合金熔化至550℃，得到合金熔体。
（2）将Zn-20wt.%Sb中间合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.8%，然后对熔体进行搅拌。
（3）5分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-3Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达300μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为60μm左右。
实施例九
Zn-3Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为3%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-3Cu合金熔化至520℃，得到合金熔体。
（2）将Zn-15wt.%Sb中间合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.15%，然后对熔体进行搅拌。
（3）10分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-3Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达300μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为90μm左右。
实施例十
Zn-6Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为6%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-6Cu合金熔化至640℃，得到合金熔体。
（2）将一定量的纯锑加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.6%，然后对熔体进行搅拌.
（3）20分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-6Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达300μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为70μm左右。
实施例十一
Zn-6Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为6%，液相线温度约为510℃）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-6Cu合金熔化至580℃，得到合金熔体。
（2）将Zn-15wt.%Sb中间合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.6%，然后对熔体进行搅拌.
（3）8分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-6Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达300μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为70μm左右。
实施例十二
Zn-10Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为10%，液相线温度约为560℃）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-10Cu合金熔化至620℃，得到合金熔体。
（2）将一定量的Zn-wt.20%Sb中间合金加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.8%，然后对熔体进行搅拌。
（3）5分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-10Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为70μm左右。
实施例十三
Zn-10Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为10%）的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-10Cu合金熔化至660℃，得到合金熔体。
（2）将纯锑加入上述熔体中，使锑元素在合金中的质量百分比为0.8%，然后对熔体进行搅拌。
（3）20分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布。然后浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
Zn-10Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，由变质前发达的树枝晶转变为变质后的花瓣晶、多面体/球状晶粒，尺寸为100μm左右。

Claims (10)

1.一种锌-铜合金的变质剂，其特征在于，为含锑元素的变质剂。
2.根据权利要求1所述的变质剂，其特征在于，为纯度为99.20 wt.% - 99.99wt.%的锑。
3.根据权利要求1所述的变质剂，其特征在于，为含锑10 wt.%-20 wt.%的锌-锑中间合金。
4.根据权利要求1或3所述的变质剂，其特征在于，为含锑10 wt.%的锌-锑中间合金。
5.一种采用权利要求2所述的变质剂对锌-铜合金进行变质处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至630-690℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将变质剂加入上述锌-铜合金熔体中，然后搅拌熔体；
（3）5-20分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布；然后浇注入模具中，凝固后得到变质处理的锌-铜合金。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—1wt.%。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—0.5wt.%。
8.一种采用权利要求3或4所述的变质剂对锌-铜合金进行变质处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至比液相线高30-180℃范围内的某一温度，得到锌-铜合金熔体；
（2）将变质剂加入上述锌-铜合金熔体中，然后搅拌熔体；
（3）5-10分钟后，再次搅拌熔体，使锑元素在熔体中均匀分布；然后浇注入模具中，凝固后得到变质处理的锌-铜合金。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—1wt.%。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中所述变质剂的加入量满足锑元素在锌-铜合金中占0.08wt.%—0.5wt.%。
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