CN109022844A - 锌-铜合金中ε相的变质剂及变质方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锌‑铜合金中ε相的变质剂，该变质剂为纯度为99.10wt.%‑99.99wt.%的铋或含铋质量百分含量为10%‑30%的锌‑铋中间合金。加入少量变质剂，即可获得较好的变质处理效果，同时也提供了进行变质处理的方法，只需在处理过程中升高温度加入变质剂，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。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种锌-铜合金中ε相（铜-锌化合物）的变质剂及变质方法。
背景技术
锌-铜合金具有良好的机械加工性能和力学性能，在五金、汽车零部件等结构材料领域有很好的应用前景。此类合金的基体由η-Zn和ε相（铜-锌化合物）晶粒组成。但含铜质量百分比超过1.7%、特别是在3-10%时，锌-铜合金凝固时ε相首先从液相中直接形核，然后迅速自由生长，最终长成分枝发达且尺寸较大的树枝晶。发达树枝晶的生成会给锌-铜合金带来一系列质量问题，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、塑韧性等力学性能及耐腐蚀性能下降，同时还会降低合金液的流动性，使合金的铸造性能下降。因此，对锌-铜合金进行变质处理，使ε相树枝晶分枝减少、枝晶间距减小、晶粒尺寸减小，甚至使其由树枝晶转变为没有分枝的多面体（或球状）晶粒，是生产中需要解决的一项重要任务。然而，目前极少见到对锌-铜合金中的ε相树枝晶进行变质处理的有效方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种锌-铜合金中ε相的变质剂，为含有铋元素的变质剂，加入少量变质剂，即可获得较好变质效果，同时也提供了进行变质处理的方法，该方法简单易行。
一种锌-铜合金中ε相的变质剂，为含有铋元素的变质剂。
优选地，一种锌-铜合金中ε相的变质剂，为纯度为99.10wt.% - 99.99wt.%的铋。
优选地，一种锌-铜合金中ε相的变质剂，为含铋10wt.%-30 wt.%的锌-铋中间合金。
更优选地，一种锌-铜合金中ε相的变质剂，为含铋10wt.%的锌-铋中间合金。
一种采用铋变质剂处理锌-铜合金中ε相的方法，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至液相线以上30-100℃内，得到锌-铜合金熔体；
（2）将铋变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）然后将步骤（2）得到的合金熔体浇注到模具中冷却，凝固后即得变质后的合金。
所述步骤（2）中变质剂的加入量满足铋元素在锌-铜合金中占0.05wt.% - 1wt.%。
所述步骤（2）中变质剂的加入数量满足铋元素在锌-铜合金中占0.4wt.% -0.6wt.%。
一种采用锌-铋中间合金变质剂处理锌-铜合金中ε相的方法，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至570-660℃内，得到锌-铜合金熔体；
（2）将锌-铋中间合金变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）待步骤（2）得到的合金熔体温度在合金液相线以上30-100℃内，浇注到模具中冷却，凝固后，即得变质后的合金。
所述步骤（2）中变质剂的加入量满足铋元素在锌-铜合金中占0.05wt.% - 1wt.%。
所述步骤（2）中变质剂的加入数量满足铋元素在锌-铜合金中占0.4wt.% -0.6wt.%。
本发明的有益效果：
1、抑制锌-铜 合金中ε相树枝晶的生长和形成、减小其尺寸
本发明提供的锌-铜合金中ε相树枝晶的变质处理方法，通过向锌-铜合金中加入少量铋元素，铋元素在合金凝固过程中富集于ε相固体晶粒表面前沿液相中，抑制ε相的生长，从而增加ε相晶核数量、减小其晶粒尺寸、大大减少其分枝，甚至使其转变为无分枝的多面体或球状晶粒。。以Zn-8Cu合金为例，变质前ε相树枝晶发达、尺寸达200μm以上，用质量0.5%的铋元素变质后，ε相转变为分枝极少的花瓣晶及无分析的多面体和球状晶粒，尺寸为50μm左右。用Zn-20wt.%Bi中间合金变质后，ε相晶粒分枝极少，且出现大量无分枝的多面体和球状晶粒，尺寸为50μm左右。
2、工艺简单，操作方便
本发明只需在处理过程中升高温度加入变质剂，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。
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；其中发亮的树枝状物相为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。
图5为本发明实施例四变质处理后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铋的纯度均为99.10wt.% - 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%，液相线温度约为530℃）中ε相树枝晶的变质处理方法，具体步骤如下。
（1）将Zn-8Cu合金熔化至590℃，得到Zn-8Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋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）8分钟后，再次搅拌合金熔体，使铋元素在熔体中均匀分布。然后将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实例中Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达，一次枝晶尺寸达200μm以上，一次枝晶上面包含有大量的二次枝晶（尺寸可达100μm以上）及少量三次枝晶（图1），用本实施例方法变质后，ε相由发达的树枝晶转变为主要由一次枝晶构成的花瓣状晶粒（尺寸为50μm左右），二次枝晶受到明显抑制，大量花瓣状晶粒中没有二次枝晶出现，而且组织中还出现大量尺寸更小的无一次分枝的多面体和球状晶粒（图2）。
实施例二
Zn-8Cu合金（该合金中Cu的质量百分含量为8%）中 ε相树枝晶的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至615℃，得到Zn-8Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋元素在合金中的质量百分比为0.1%，搅拌使铋元素在熔体中均匀分布。
（3）然后将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实例中Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实施例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制而减少，尺寸仅为70μm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%）中 ε相树枝晶的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至600℃，得到Zn-8Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋元素在合金中的质量百分比为1%，搅拌使铋元素在熔体中均匀分布。
（3）然后将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实例中Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实施例方法变质后ε相晶粒分枝明显减少，尺寸仅为90μm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%）中 ε相树枝晶的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至580℃，得到Zn-8Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋元素在合金中的质量百分比为0.05%，搅拌使铋元素在熔体中均匀分布。
（3）然后将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实例中Zn-8Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达200μm以上，用本实施例方法变质后ε相晶粒分枝明显减少，尺寸仅为110μm左右（图5）。
实施例五
将实施例一的变质剂纯铋更换为Zn-20wt.%Bi中间合金，其余步骤和条件不变，可获得相同的变质处理效果。
实施例六
将实施例二的变质剂纯铋更换为Zn-10wt.%Bi中间合金，其余步骤和条件不变，可获得相同的变质处理效果。
实施例七
将实施例三中变质剂纯铋更换为Zn-30wt.%Bi中间合金，可获得相同的变质处理效果，具体过程如下：
（1）将Zn-8Cu合金熔化至660℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将Zn-30wt.%Bi中间合金变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，使铋元素在锌-铜合金中的质量百分比为1%；多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）然后将步骤（2）得到的合金熔体降温到600℃，然后浇注到模具中冷却，凝固后，即得变质后的合金。
实施例八
将实施例四中变质剂纯铋更换为Zn-10wt.%Bi中间合金，其余步骤和条件不变，可获得相同的变质处理效果。
实施例九
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℃）中ε相树枝晶的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-3Cu合金熔化至520℃，得到Zn-3Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋元素在合金中的质量百分比为0.2%，搅拌使铋元素在熔体中均匀分布。
（3）将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实施例中Zn-3Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达300μm以上，用本实施例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，尺寸仅100μm左右。
实施例十
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℃）中 ε相树枝晶的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-6Cu合金熔化至570℃，得到Zn-6Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋元素在合金中的质量百分比为0.6%，搅拌使铋元素在熔体中均匀分布。
（3）将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实施例中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，尺寸仅为80μm左右。
实施例十一
将实施例九中变质剂纯铋更换为Zn-20wt.%Bi中间合金，可获得相同的变质处理效果，具体过程如下：
（1）将Zn-3Cu合金熔化至570℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将Zn-20wt.%Bi中间合金变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，使铋元素在锌-铜合金中的质量百分比为0.2%；多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）然后将步骤（2）得到的合金熔体降温到520℃，然后浇注到模具中冷却，凝固后，即得变质后的合金。
实施例十二
将实施例十中变质剂纯铋更换为Zn-30wt.%Bi中间合金，可获得相同的变质处理效果，具体过程如下：
（1）将Zn-6Cu合金熔化至620℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将锌-铋中间合金变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，使铋元素在锌-铜合金中的质量百分比为0.6%；多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）然后将步骤（2）得到的合金熔体降温到570℃，然后浇注到模具中冷却，凝固后即得变质后的合金。
实施例十三
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℃）中 ε相的变质处理方法，具体步骤如下：
（1）将Zn-10Cu合金熔化至630℃，得到Zn-10Cu合金熔体。
（2）将一定量的纯铋加入上述熔体中，使铋元素在合金中的质量百分比为0.4%，搅拌使铋元素在熔体中均匀分布。
（3）将上述熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的锌-铜合金。
本实施例中Zn-10Cu合金变质前ε相分枝发达、尺寸达150μm以上，用本实例方法变质后ε相晶粒分枝明显受到抑制，尺寸仅为60μm左右。
实施例十四
将实施例十三中变质剂纯铋更换为Zn-30wt.%Bi中间合金，其余步骤和条件不变，可获得相同的变质处理效果。
Claims (8)
1.一种锌-铜合金中ε相的变质剂，其特征在于，为含有铋元素的变质剂。
2. 根据权利要求1所述的变质剂，其特征在于，为纯度为99.10wt.% - 99.99wt.%的铋。
3. 根据权利要求1所述的变质剂，其特征在于，为含铋10wt.% - 30 wt.%的锌-铋中间合金。
4.根据权利要求1或3所述的变质剂，其特征在于，为含铋10wt.%的锌-铋中间合金。
5.一种采用权利要求2所述的变质剂处理锌-铜合金中ε相的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至液相线以上30-100℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）然后将步骤（2）得到的合金熔体浇注到模具中冷却，凝固后即得变质后的合金。
6.一种采用权利要求3或4所述的变质剂处理锌-铜合金中ε相的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待处理的锌-铜合金熔化至570-660℃，得到锌-铜合金熔体；
（2）将变质剂加入步骤（1）的锌-铜合金熔体中，多次搅拌熔体使铋元素在熔体中分布均匀；
（3）待步骤（2）得到的合金熔体温度在合金液相线以上30-100℃内，浇注到模具中冷却，凝固后，即得变质后的合金。
7. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中变质剂的加入量满足铋元素在锌-铜合金中占0.05wt.% - 1wt.%。
8. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中变质剂的加入数量满足铋元素在锌-铜合金中占0.4wt.% - 0.6wt.%。
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