CN109022903A

CN109022903A - 一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺

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Publication number: CN109022903A
Application number: CN201810978662.4A
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: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明公开了一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Ca:0.5‑0.6wt.%,Mn:1.2‑1.4wt.%,Si:3.0‑5.0wt.%,In:1.5‑1.8wt.%,Y:0.4‑0.8wt.%,Cr:1.0‑1.2wt.%,Fe:6.0‑8.0wt.%,Al:10.0‑12.0wt.%，余量为锡。该材料为我国藏区铜像铸造用利玛合金提供了一种无铜但是具备同样铸造性能的新材料替代方案。该材料的实施和产业化可以有效的推动我国宗教饰品行业新材料的更新和行业升级需求。

Description

一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种锡合金。

背景技术

在我国的传统文化中，铜佛像是一种极为特殊的艺术，并且在藏传佛教的文化中具有非常重要的地位。在藏区的佛像制备过程中,一般采用沙范法和锻打法进行佛像生产。沙范法生产单体铸造铜像存在着尺寸的限制，在制作更大尺寸铜佛像时采用分部件铸造和锻打后组合的方法。

(1)沙范法。是以天然的沙子作为制作外范材料，沙子中掺有一定比例的粘土以使沙粒粘结在一起。将沙子放入沙箱中夯实形成沙范，沙范是由尺寸相同的两部分组成。将铸件的模置于两块沙范接触面中模压出铸件的形状，并在两块沙范的接触面上撒上粉末颗粒(如草木灰等)，防止两块沙范粘接。将两块沙范分开，取出铸件的模，沙范再闭合形成空腔铸范，将金属液浇入凝固后去除沙范即得到铸件。

(2)锻打法。当佛像比较大时，采用锻打法进行佛像制作。主要是通过金属板进行锻制而成，再进行有效的拼接。在生产佛像时，必须要先设计好图纸，并且把部件绘制到铜板上，制作佛像的顺序必须是由上至下，通常在金属板上而标明尺寸的大小以及要制作的形状特征。在制作过程当中，对于不同的造型所以锤头的种类也分为几种:包括有蛋形、四方形、缓斜形、卷口形以及陡斜而锤等。

不管是沙范法还是锻打法在藏区制备佛像，采用的铜合金由于历史原因称为利玛。利玛合金泛指合金铜，源自藏文，《藏汉大辞典》解释其为“指各类响铜制品”。利玛合金因为含有不同比例金、银、铁、铅等金属元素以及金刚石、五色玻璃等珍贵矿物，其制物呈现出不同的颜色或在表面形成斑斓的色块。总的说来利玛合是各种合金铜的统称，而各种利玛也有其相对应的时间、价值、色彩、包浆等。

利玛合金在古代的西藏是非常珍贵的，这是因为：(1)利玛合金用料极为名贵。不仅有我们今天看起来仍十分名贵的金、银等金属，还有从西洋进口的五色玻璃面等。(2)利玛合金制品新铸时颜色鲜艳，并有奇特的光线从金属内部的反射出来。

利玛合金是西藏地区制备佛像用的特有的铜合金，具有非常优异的铸造性能。由于佛像尺寸的巨大，以及现代人们对于佛像数量的需求，铸造佛像用的利玛合金具有很大的市场需求量。但是考虑到铜的昂贵以及稀缺性，开发具有利玛合金铸造特性的新型非铜合金来进行利玛铜合金的替代，在当今社会具有极其重大的意义。但是目前为止，由于材料设计水平的原因在相当长的时间内还没有得到有效的解决。

尽管我国宗教装饰材料行业发展迅速，但由于起步晚，起点低，在一些技术环节上与国际水平相比还有很大差距。开发并产业化具有先进性能的利玛合金替代品是西藏宗教领域不可避免的问题，长久以来国内的很多研究机构和企业进行了多方位的尝试，但是令人遗憾的是，目前为止尚未取得任何实质性的进展。通过先进的材料设计技术可以通过底层性的热力学和动力学手段对利玛合金替代新材料进行创新,并且对研制和开发新材料的难题解决和产业化会有很大的市场价值。面对日趋激烈的国际国内市场竞争，必须加快结构调整步伐，这是当今世界相关领域的发展趋势。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺。按重量百分比计,合金的组成为Ca:0.5-0.6wt.%,Mn:1.2-1.4wt.%,Si:3.0-5.0wt.%,In:1.5-1.8wt.%,Y:0.4-0.8wt.%,Cr:1.0-1.2wt.%,Fe:6.0-8.0wt.%,Al:10.0-12.0wt.%，余量为锡。上述一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在400度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在400度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到400-450度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为100度,时间为0.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）用专业术语来说，传统的利玛合金的液态合金在凝固的过程中能够产生Spinodal分解效应，生成两种互不溶解的液相，因而低熔点的液相在凝固过程中可以补偿高熔点液相凝固时产生的枝晶空洞，因而具有极其有益的作用。相比较而言，在一般的多元合金凝固过程中, 随着枝晶的生成,枝晶间的空隙由于来不及由液相填充而生成了铸造空洞和疏松。这个合金凝固特性对于佛像级别的大型塑像来说是很致命的缺陷,不仅导致了局部大量的空洞生成,也使得局部材料力学性能不足和修补变成极其困难的一件事情。所以，藏区铸造佛像用的利玛合金的优异铸造性能是和其材料的优异凝固特性是分不开的。近代对利玛佛像合金的研究表明,利玛合金中通常加入一定量的铅和汞。由于铅和汞不与铜形成合金,在利玛合金的凝固中, 随着富铜合金的不断凝固,富铅和汞的液相也不断的从最初的合金溶体中分离出来。这些富铅和汞熔体由于不和富铜熔体相溶,因而在凝固过程中伴随着枝晶的生成而逐渐被排挤到枝晶的间隙中,并在这些狭小的缝隙中最终凝固,起到了补充凝固空洞的作用。因而添加了适量铅和汞的铜合金极其适合用来铸造佛像等大型塑像,因为这种材料产生的凝固空洞等缺陷极少。尽管传统的利玛合金特别适合采用铸造或者锻打的方法来制备铜像，但是考虑到铜昂贵的价格，每尊铜像的铜需求量以及目前对铜像总量的潜在需求，开发一种具备西藏利玛合金所具有的凝固特性的新型无铜合金，对于降低成本和开发宗教装饰用合金新材料具有极其重要的现实意义。

（2）本专利申请保护的锡合金具有优异的凝固特性，完全媲美传统的藏区佛像用的利玛合金。该合金的熔体在降温过程中会发生Spinodal分解而生成两种互不相容的富锡和富铝的两种熔体。因而，该合金具有宽广的凝固温度范围（100-180度）。其中主要的富锡熔体的凝固温度范围为140-180度，富铝熔体的凝固温度范围为100-120度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从180度到100度的温度范围，因而在用该合金进行佛像铸造的时候，尽管佛像的体积很大,该锡合金仍然能够通过液相的Spinodal效应在凝固过程中分解为两种互不相溶的液相,通过凝固过程的相互补偿来获得高致密度的铸件。此外，该材料在液态下和周围的沙范材质发生反应的机会和程度很小，且在使用后的回用性能高。一般而言，该材料在铸造4次后，仍然具有初始材质的铸造性能。因而在节约能源，提高材料利用效率的框架下具有极其重要的经济意义。

（3）传统的藏区佛像铸造用利玛合金含有铅和汞，铅和汞是常见的重金属，在人体内蓄积时间长、排泄慢，对神经、血液、肾脏系统均有毒性。工人或者用户在长期接触含铅和汞的合金后,这些重金属会经过烟尘进入呼吸道和消化道,引起铅中毒和汞中毒。因此在环保意识极其重要的今天,本专利申请保护的不含铅和汞的锡基具备利玛合金凝固特性的佛像铸造用合金对于保护环境，提升人体健康起到了积极的作用。

（4）该合金用于大型佛像铸造时，还要能满足锻打法需要的耐变形特性。也就是具有高的塑性和低的加工硬化率,以便在锻打过程中能够经受不同的变形量要求来生产佛像不同部位的构件。本专利申请保护的合金具有极其优异的力学和加工性能。该材料在铸造后屈服强度可以达到160-190MPa，抗拉强度维持在300-320MPa，延伸率保持在40-50%。因而在压力加工过程中，可以在冷加工中每道次采用30%的变形量而不用进行中间退火。在大大简化工艺的前提下，不仅降低了成本，还降低了能源消耗，具有极其广泛的市场前景。此外，该合金的表面能形成一层钝化膜。这种膜的一定的酸性和碱性介质中能够表现出优异的耐腐蚀性能。因而采用该材料铸造成的大型佛像在藏区的环境下使用10年以上没有明显的腐蚀现象发生。可以预计，该材料的实施和产业化必将取得优异的经济效益和社会效益。

具体实施方式

实施例1

一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:0.5wt.%,Mn:1.2wt.%,Si:3.0wt.%,In:1.5wt.%,Y:0.4wt.%,Cr:1.0wt.%,Fe:6.0wt.%,Al:10.0wt.%，余量为锡。上述一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在400度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在400度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到400-450度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为100度,时间为0.5小时。

该合金具有宽广的凝固温度范围（100-180度）。其中主要的富锡熔体的凝固温度范围为140-180度，富铝熔体的凝固温度范围为100-120度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从180度到100度的温度范围，因而在用该合金进行佛像铸造的时候，尽管佛像的体积很大,该锡合金仍然能够通过液相的Spinodal效应在凝固过程中分解为两种互不相溶的液相,通过凝固过程的相互补偿来获得高致密度的铸件。在压力加工过程中，可以在冷加工中每道次采用30%的变形量而不用进行中间退火。在大大简化工艺的前提下，不仅降低了成本，还降低了能源消耗，具有极其广泛的市场前景。采用该材料铸造成的大型佛像在藏区的环境下使用10年以上没有明显的腐蚀现象发生。可以预计，该材料的实施和产业化必将取得优异的经济效益和社会效益。

实施例2

一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:0.6wt.%,Mn:1.4wt.%,Si:5.0wt.%,In:1.8wt.%,Y:0.8wt.%,Cr:1.2wt.%,Fe:8.0wt.%,Al:12.0wt.%，余量为锡。上述一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在400度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在400度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到400-450度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为100度,时间为0.5小时。

实施例3

一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:0.5wt.%,Mn:1.3wt.%,Si:3.5wt.%,In:1.6wt.%,Y:0.5wt.%,Cr:1.1wt.%,Fe:6.2wt.%,Al:10.5wt.%，余量为锡。上述一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在400度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在400度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到400-450度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为100度,时间为0.5小时。

Claims

1.一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Ca:0.5-0.6wt.%,Mn:1.2-1.4wt.%,Si:3.0-5.0wt.%,In:1.5-1.8wt.%,Y:0.4-0.8wt.%,Cr:1.0-

1.2wt.%,Fe:6.0-8.0wt.%,Al:10.0-12.0wt.%，余量为锡。

2.根据权利要求1所述一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在400度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在400度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种耐冲压具备利玛合金凝固特性的锡基合金及其工艺，其特征在于包含如下使用步骤：将所得的铸锭在室温下加热到400-450度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为100度,时间为0.5小时。