CN109897989A - 一种通过添加锶元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过添加锶元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法，包括如下步骤：采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn、Sr含量为60wt%的Zn‑Sr中间合金为原料，在中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600~800℃，保温时间10~30min，模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.05~10K/s；所得锌铝共晶合金中Sr元素含量为0.01~0.30wt%，Al元素含量为3~7wt%，余量为Zn及不可避免的杂质。本发明提供的方法可以使铸态锌铝共晶合金中的Zn基体相和共晶α+η相晶粒尺寸细化，从而大幅提高铸态锌铝共晶合金的强度。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，特别是涉及一种通过添加锶（Sr）元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法。
背景技术
在过去的几十年中，锌铝合金由于其优良的铸造性而引起了产业界的广泛关注。锌铝合金优良的可加工性和滑动耐磨性，使它们具有替代传统铸铁、铝合金和铜基合金的潜力。此外，锌铝合金的熔点较低，使其尤其适合低熔点的压铸工艺，在节能减排上具有天然优势。
我国是一个贫铜富锌的国家，研究开发高性能锌铝合金来代替铜合金，可使我国在稀缺资源替代利用技术方面形成自主知识产权体系，突破国外技术贸易壁垒，替代进口，为我国国民经济健康发展，提供可靠的技术支撑。
然而，传统铸态锌铝共晶合金的强度偏低，限制了其在工程结构领域的应用。欧盟出台的环保法令，对传统铸态锌铝合金中铅元素的添加做出了严格限制。寻找环保无害的新合金添加元素，成为科研和产业界的迫切需求。Sr元素广泛存在于土壤、海水中，是一种人体必需的微量元素，符合开发环保合金的要求。而目前国内外并无添加Sr元素改善锌铝共晶合金强度的相关专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过添加Sr元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：提供一种通过添加Sr元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法，包括步骤：采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Sr含量为60wt%的Zn-Sr中间合金为原料，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600~800℃，保温时间10~30min，模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.05~10K/s；所得锌铝共晶合金中Sr元素含量为0.01~0.30wt%。
所述的频率为150～10000Hz的中频感应炉，是为了使熔炼过程中电磁搅拌效果好，减少偏析。
所述的熔炼温度600~800℃，该温度范围内可发生固态相变，使铸态锌铝共晶合金中除了Zn基体相和共晶α+η相组织外，出现SrZn13沉淀相颗粒，该沉淀相有助于合金晶粒细化。
所述的模具预热温度150~300℃，是为了使铸态锌铝共晶合金中在凝固过程中组织均匀，避免出现缺陷和内应力。
所述的锌铝共晶合金由如下质量百分比的组元组成：3~7wt%Al，0.01~0.30wt%Sr，余量为Zn及不可避免的杂质。
本发明的有益效果是：本发明提供的方法能够使铸态锌铝共晶合金中除了Zn基体相和共晶α+η相组织外，出现SrZn13沉淀相，使合金晶粒细化，从而大幅提高合金的强度。本发明提供的方法制备的含Sr锌铝共晶合金抗拉强度高达237MPa，相比传统铸态锌铝共晶合金的抗拉强度为188MPa，合金强度有了大幅提高。
附图说明
图1是本发明实施例1的扫描电镜微观组织形貌图。
图2是本发明对比例1的扫描电镜微观组织形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn、Sr含量为60wt%的Zn-Sr中间合金为原料，按照Sr元素含量为0.1wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn及不可避免的杂质进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度700℃，保温时间20min，模具预热温度200℃，浇铸冷却速度1K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》规定，将试样切割为薄板形状的拉伸测试试样。所述测试试样包括夹持端和变形区，夹持端关于变形区对称。所述夹持端的长度为12mm，宽度为9mm；所述变形区的长度与宽度均为3mm；测试试样厚度为2mm。试样在CMT5105型万能试验机上进行拉伸试验。试验温度为25°C，拉伸速度为1.00×10-4mm⋅s-1。测得抗拉强度为237MPa。
将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，其微观形貌如图1所示，发现试样为细小层片状晶粒。
实施例2：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Sr含量为60wt%的Zn-Sr中间合金为原料，按照Sr元素含量为0.05wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn及不可避免的杂质进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600℃，保温时间10min，模具预热温度150℃，浇铸冷却速度10K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》规定，将试样切割为薄板形状的拉伸测试试样。所述测试试样包括夹持端和变形区，夹持端关于变形区对称。所述夹持端的长度为12mm，宽度为9mm；所述变形区的长度与宽度均为3mm；测试试样厚度为2mm。试样在CMT5105型万能试验机上进行拉伸试验。试验温度为25°C，拉伸速度为1.00×10-4mm⋅s-1。测得抗拉强度为225MPa。
将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样为细小层片状晶粒。实施例3:
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Sr含量为60wt%的Zn-Sr中间合金为原料，按照Sr元素含量为0.15wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn及不可避免的杂质进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度720℃，保温时间20min，模具预热温度240℃，浇铸冷却速度1K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》规定，将试样切割为薄板形状的拉伸测试试样。所述测试试样包括夹持端和变形区，夹持端关于变形区对称。所述夹持端的长度为12mm，宽度为9mm；所述变形区的长度与宽度均为3mm；测试试样厚度为2mm。试样在CMT5105型万能试验机上进行拉伸试验。试验温度为25°C，拉伸速度为1.00×10-4mm⋅s-1。测得抗拉强度为227MPa。
将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样为细小层片状晶粒。实施例4：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Sr含量为60wt%的Zn-Sr中间合金为原料，按照Sr元素含量为0.2wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn及不可避免的杂质进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度750℃，保温时间25min，模具预热温度260℃，浇铸冷却速度1K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》规定，将试样切割为薄板形状的拉伸测试试样。所述测试试样包括夹持端和变形区，夹持端关于变形区对称。所述夹持端的长度为12mm，宽度为9mm；所述变形区的长度与宽度均为3mm；测试试样厚度为2mm。试样在CMT5105型万能试验机上进行拉伸试验。试验温度为25°C，拉伸速度为1.00×10-4mm⋅s-1。测得抗拉强度为216MPa。
将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样为细小层片状晶粒。
实施例5-10：
除了合金成分、熔炼温度、保温时间、模具预热温度以及浇铸冷却速度按照表1中数值进行变化以外，其余操作同实施例1，制得合金试样。由表1可以看出，经拉伸实验，本发明提供的方法可以大幅提高铸态锌铝共晶合金的抗拉强度。
表1 不同合金成分、熔炼温度、保温时间、模具预热温度以及浇铸冷却速度
下的铸态锌铝共晶合金的抗拉强度：
对比例1：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn为原料，按照Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn及不可避免的杂质进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度700℃，保温时间20min，模具预热温度200℃，浇铸冷却速度1K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》规定，将试样切割为薄板形状的拉伸测试试样。所述测试试样包括夹持端和变形区，夹持端关于变形区对称。所述夹持端的长度为12mm，宽度为9mm；所述变形区的长度与宽度均为3mm；测试试样厚度为2mm。试样在CMT5105型万能试验机上进行拉伸试验。试验温度为25°C，拉伸速度为1.00×10-4mm⋅s-1。测得抗拉强度为188MPa。
将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，其微观形貌如图2所示，发现试样为粗大层片状的晶粒。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种通过添加Sr元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法，其特征在于，采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn、Sr含量为60wt%的Zn-Sr中间合金为原料，按照原料混合后，其中Sr元素含量为0.01~0.30wt%、Al元素含量为3.0-7.0wt%、余量为Zn进行配比，在中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入保护气氛，熔炼温度600~800℃，保温时间10~30min，模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.05~10K/s。
2.根据权利要求1所述的一种通过添加Sr元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法，其特征在于，其中Sr元素含量为0.25wt%、Al元素含量为4.0wt%。
3.根据权利要求1或2所述的通过添加Sr元素提高铸态锌铝共晶合金强度的方法，其特征在于，所述的保护气氛为CO2保护气氛。
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| CN115094257A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-09-23 | 安阳工学院 | 一种一维合金纳米材料的制备方法 |
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| JP2002241962A (ja) * | 2001-02-13 | 2002-08-28 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき鋼板とその製造方法 |
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