CN110257669B - 一种高性能锌合金新材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高性能锌合金新材料，按质量百分比计包括以下组分：Al：3.9～4.3%，Mg：0.03～0.06%，Cr：0.02～0.1%，Fe≤0.1%，Pb≤0.005%，Sn≤0.003%，Cd≤0.004%，余量为Zn。本发明所述的高性能锌合金新材料与现有的ZnAl4Cu0.4和ZnAl4Cu锌合金相比具有更好的力学性能，同时具有较低的成本，并且在工艺上减少了铁相生产，增快了升温速度，提高生产效率。

Description

一种高性能锌合金新材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锌合金新技术领域，尤其涉及一种高强韧的锌合金新材料，特别但不限于适用于压铸的锌合金新材料，以及该高性能锌合金新材料的制备方法。
背景技术
从20世纪中后期至今，锌铝合金由于优越的优良铸造性能、可机械加工性、较高的滑动摩擦性能和抗阻尼性能成为替代铸铁、铝合金和铜合金部分用途的重要材料。此外，由于锌合金的熔点低、低能耗和优异流动性，广泛用于压铸行业。ZnAl4合金由于铸造性能好、尺寸稳定性好、制造成本低和适合各类表面处理(电镀、喷油及铬化等)，所以在锌合金压铸件用ZnAl4合金已超过70％，如电子器件外壳、包饰、衣饰、仪器仪表以及汽车零件等。为了满足各类压铸件不同需求，至今已经在ZnAl4合金基础上开发了加入Cu元素的压铸锌合金的牌号，包括ZnAl4Cu0.4、ZnAl4Cu和ZnAl4Cu3等。在ZnAl4Cu0.4和ZnAl4Cu合金中，Cu的加入产生固溶强化的效果使得抗拉强度明显增强，但是伸长率会大幅度的下降。ZnAl4Cu3合金中，Cu的加产生富铜相使得强塑性都提高，但是尺寸稳定性有所下降。Cu元素的加入有优点也有不足，并且Cu为贵金属元素，它的加入大大增加生产的成本。为了减少合金的生产成本，人们提出用其他微量元素的加入提高ZnAl4合金的强塑性，从而替代Cu元素的加入。查询相关报告，在ZnAl4合金基础上加入Si、Mn元素，能使得锌合金的强度有提高，但使得韧性大大降低。
在传统的熔炼过程，一般采用机械搅拌，长期与铁制品，接触产生铁相，铁相是硬质相对基体有撕裂作用，从而使得合力学性能大大降低。
发明内容
本发明的目的在于：通过合金元素调整和配套熔体处理工艺优化等一系列手段开发出一种具有高韧性且高强度、可应用的压铸锌合金新材料，从而替代传统的ZnAl4Cu0.4、ZnAl4Cu和ZnAl4Cu3等锌合金，提高企业产品竞争力。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种高性能锌合金新材料，主要成分为Al、Mg、Cr和Zn，且按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：
Al：3.9～4.3％，Cr：0.02～0.1％，Mg：0.03～0.06％，Fe≤0.02％，Pb≤0.003％，Sn≤0.0015％，Cd≤0.003％，余量为Zn。
本发明所述的高性能锌合金新材料，组分合理制备得到的锌合金新材料大幅度增强了强韧性，除此之外减少了贵重金属Cu的加入，减少了生产的成本，提高了产品的竞争力。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％，Cr：0.02％。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％，Cr：0.06％。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％，Cr：0.1％。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料，所述锌合金新材料为压铸锌合金。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料，所述锌合金新材料抗拉强度Rm峰值为252Mpa。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料，所述锌合金新材料伸长率A5峰值为2.54％。
所述压铸锌合金新材料通过细晶强化和析出相强化使得抗拉强度Rm和伸长率A5的峰值分别为为252MPa和2.54％，超过GB/T-8738-2014中力学性能最好的ZnAl4Cu3(Rm＝240Mpa，A5＝1％)，相比Si、Mn元素的加入，强度有所提高的同时，塑性得到了显著的提高。
本发明还提供一种高性能锌合金新材料的制备方法，包括以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金；待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，待原材料全部熔化后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在500～650℃之间完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
本发明所述的高性能锌合金新材料的制备方法，方法合理，工艺上采用电磁搅拌装置搅拌，升温至锌熔化后加入电磁场搅拌，直至加入除渣剂前停止。并且在工艺上减少了铁相生产，增快了升温速度，提高生产效率。
进一步的，所述的高性能锌合金新材料的制备方法，所述熔损的熔损比例为Mg：5～10％，Al：1％，Zn：0.5％。精确的熔损比例可以使投料更加准确，可以有效保证产品的一致性和品质。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所述的高性能锌合金新材料，通过合金元素调整和配套熔体处理工艺优化等一系列手段开发出一种具有高韧性且高强度、可应用的压铸锌合金新材料，从而替代传统的ZnAl4Cu0.4、ZnAl4Cu和ZnAl4Cu3等锌合金，提高企业产品竞争力。
(2)本发明所述的高性能锌合金新材料与现有的ZnAl4Cu0.4和ZnAl4Cu锌合金相比具有更好的力学性能，同时具有较低的成本，并且在工艺上减少了铁相生产，增快了升温速度，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明所述高性能锌合金新材料的研发流程图；
图2为本发明电磁搅拌设备结构示意图；
图3为铸造锌合金金属型标准试样及浇冒口系统(GB/T-1775-1997)；
图4为本发明实施例所述的高性能锌合金新材料的金相照片((1)0％wt；(2)0.02％wt；(3)0.06％wt；(4)0.1％wt)；
图5为本发明实施例高性能锌合金新材料的某些弛豫下的金相照片((1)0.02％wt；(2)0.06％wt；(3)0.1％wt)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例
根据图1的研发流程图，本发明提供一种具有高韧性且高强度、可应用的锌合金新材料，从而替代传统的ZnAl4Cu0.4、ZnAl4Cu和ZnAl4Cu3等锌合金，提高企业产品竞争力。
其中，所述锌合金新材料的主要成分为Al、Mg和Zn，且按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：
Al：3.9～4.3％，Cr：0.02～0.1％，Mg：0.03～0.06％，Fe≤0.02％，Pb≤0.003％，Sn≤0.0015％，Cd≤0.003％，余量为Zn。
上述锌合金新材料的制备方法，采用如图2所示的电磁搅拌装置，包括熔炼炉和电磁装置，包括以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金到熔炼炉中；其中，所述熔损的熔损比例为Mg：5～10％，Al：1％，Zn：0.5％。待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，变频电压输出电流到感应线圈产生电磁，在电磁作用下进行搅拌。待原材料全部熔化形成锌合金液后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在500～650℃之间完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
所述的高性能锌合金新材料以锌为基体，其中主要元素Al：4％，Mg：0.04％为定值，Cr取了含量为0％、0.02％、0.06％和0.1％四个组成分(实施例1～实施例4)展开性能研究。
实施例1
一种高性能压铸锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％。
上述锌合金新材料的制备方法，采用如图2所示的电磁搅拌装置，包括熔炼炉和电磁装置，包括以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金到熔炼炉中；其中，所述熔损的熔损比例为Mg：5％，Al：1％，Zn：0.5％。待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，变频电压输出电流到感应线圈产生电磁，在电磁作用下进行搅拌。待原材料全部熔化形成锌合金液后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在500℃完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
实施例2
一种高性能压铸锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％，Cr：0.02％。
上述锌合金新材料的制备方法，采用如图2所示的电磁搅拌装置，包括熔炼炉和电磁装置，包括以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金到熔炼炉中；其中，所述熔损的熔损比例为Mg：10％，Al：1％，Zn：0.5％。待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，变频电压输出电流到感应线圈产生电磁，在电磁作用下进行搅拌。待原材料全部熔化形成锌合金液后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在650℃完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
实施例3
一种高性能压铸锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％，Cr：0.06％。
上述锌合金新材料的制备方法，采用如图2所示的电磁搅拌装置，包括熔炼炉和电磁装置，包括以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金到熔炼炉中；其中，所述熔损的熔损比例为Mg：8％，Al：1％，Zn：0.5％。待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，变频电压输出电流到感应线圈产生电磁，在电磁作用下进行搅拌。待原材料全部熔化形成锌合金液后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在600℃完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
实施例4
一种高性能压铸锌合金新材料，按照质量百分比计，所述锌合金新材料包括以下组分：Al：4％，Mg：0.04％，Cr：0.1％。
上述锌合金新材料的制备方法，采用如图2所示的电磁搅拌装置，包括熔炼炉和电磁装置，包括以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金到熔炼炉中；其中，所述熔损的熔损比例为Mg：10％，Al：1％，Zn：0.5％。待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，变频电压输出电流到感应线圈产生电磁，在电磁作用下进行搅拌。待原材料全部熔化形成锌合金液后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在500℃完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
实施例1～实施例4的高性能压铸锌合金新材料，根据压铸锌合金新材料的组分区间设计成分，得到的铸锭用光谱仪测试成分，具体的合金元素成分如表1所示。图4～5为本发明实施例所述高性能锌合金新材料的金相组织照片。
表1实施例1～4的主要元素
Al(％) Cr(％) Mg(％) Fe(％) Pb(％) Sn(％) Cd(％) Zn(％)
实施例1 4.02 0 0.04 0.006 0.0024 0.0002 0.0002 Bal.
实施例2 4.02 0.02 0.04 0.003 0.002 0.0002 0.0002 Bal.
实施例3 4.01 0.06 0.04 0.005 0.003 0.0004 0.0003 Bal.
实施例4 4..02 0.1 0.04 0.001 0.0026 0.0004 0.0002 Bal.
将熔炼合金在550-600℃浇入如图3所示的GB/T-1775-1997设计的模具中，然后取出拉伸棒进行力学性能测试，两根试棒取平均值的结果如表2所示。
表2实施例1～4的力学性能
抗拉强度R<sub>M</sub>(MPa) 伸长率A<sub>5</sub>(％)
实施例1 208 1.41
实施例2 225 1.12
实施例3 252 2.54
实施例4 233 2.23
其中，所述锌合金新材料抗拉强度Rm峰值为252Mpa，所述锌合金新材料伸长率A5峰值为2.54％，具有高韧性且高强度，超过GB/T-8738-2014中力学性能最好的ZnAl4Cu3(Rm＝240Mpa，A5＝1％)，相比Si、Mn元素的加入，强度有所提高的同时，塑性得到了显著的提高。
本发明所述的可应用的压铸锌合金新材料，与现有的ZnAl4Cu0.4和ZnAl4Cu锌合金相比具有更好的力学性能，能够替代传统的ZnAl4Cu0.4、ZnAl4Cu和ZnAl4Cu3等锌合金，提高企业产品竞争力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高性能锌合金新材料，其特征在于：按照质量百分比计，所述锌合金新材料为以下组分：
Al：4.01%，Cr：0.06%，Mg：0.04%，Fe：0.005%，Pb：0.003%，Sn：0.0004%，Cd：0.0003%，余量为Zn；
所述锌合金新材料为压铸锌合金；
所述锌合金新材料抗拉强度Rm为252Mpa；
所述锌合金新材料伸长率A5为2.54%；
所述高性能锌合金新材料的制备方法，为以下步骤：
在考虑熔损下按比例加入原材料0号锌、纯铝、纯镁、Al-10Cr中间合金；其中，所述熔损的熔损比例为Mg：8%，Al：1%，Zn：0.5%；待锌熔化后，开启电磁搅拌装置，待原材料全部熔化后再搅拌半小时后，加入除渣剂ZnCl2，在600℃之间完成精炼和浇注，得所述高性能锌合金新材料。
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