CN111607718B - 一种锌合金铸件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锌合金铸件及其制备方法，属于合金加工领域。本发明通过对锌合金成分含量的合理配置，加入微量Zr，不仅提高了锌合金的硬度，还保证了锌合金具有优异的整体力学性能，分多次添加合金原料，一定程度上避免了直接加锌锭熔化时发生大幅度温度变化，导致合金材料出现气泡和成分不稳定现象，优化了压铸工艺参数，最大限度提高了锌合金的性能。

Description

一种锌合金铸件及其制备方法
发明领域
本发明涉及一种锌合金铸件及其制备方法，属于合金加工领域。
背景技术
金属锌是我国国明经济发展中十分重要的有色金属。锌基合金的研究和发展起源于二十世纪初，主要是Zn-4Al压铸合金，广泛应用于航空工业和汽车行业，到后来薄壁压铸技术的发展带动了锌压铸件的发展。锌基合金材质以锌为基加入其他元素，常加的元素有铝、铜、镁、镉、铅、钛等。虽然具有力学性能好、摩擦性能优良、耐磨性好等特点，但是其蠕动强度低，易发生自然时效引起的尺寸变化，因为锌基合金组织主要由Al和Cu的富锌固溶体和含Zn的富Al固溶体所组成，它们的溶解度随温度的下降而降低，但是由于压铸件的凝固速度极快，因此到室温时，固溶体的溶解度大大饱和，经过一段时间后，饱和现象解除，而使铸件的形状和尺寸起变化。
锌合金成分中有铅、镉、锡等有害杂质，在晶粒交界处聚集产生晶间腐蚀，金属基体的晶间腐蚀和破裂，与镀液中的晶间腐蚀加速了这一危害，造成受晶间腐蚀部位的膨胀，镀层顶起，使铸件表面起泡。尤其在潮湿环境中，晶间腐蚀会使铸件变形、开裂，甚至破坏。
锌合金压铸件在压铸过程中，压铸材料、压铸机、模具是压铸生产的三大要素，缺一不可。压铸工艺要将这三个要素综合运用，使能稳定地有节奏地和高效地生产出外观、内在质量好的的合格铸件。锌合金压铸件极易产生气孔、氧化夹渣物等缺陷。压铸时因为液态合金填充速度极快，型腔中气体很难完全排除，从而降低压铸件内在质量，且由于高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡，故一般压铸件不能进行热处理。
目前，现有的锌基合金存在硬度低，在压铸过程中常常会出现气泡和形态不稳定现象，使得锌合金铸件合格率不高，难以满足工业需求。
发明内容
针对上述锌合金铸件存在的现有问题，本发明提供一种锌合金铸件及其制备方法，用于提高锌合金铸件的硬度及压铸过程中出现气泡和铸件形态不稳定的技术问题。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种锌合金铸件，成分及质量百分比为：Al：4.0-4.4％、Mg：0.3-0.8％、Cu：0.5-1.2％、Zr：0.02-0.06％，余量为锌及不可避免的杂质。
锌合金铸件中Al可以在熔融时，降低合金的熔点，改变合金溶液的流动性，增强合金铸件的机械性能。Mg可以抑制晶间腐蚀，细化金属组织，增加硬度，当含量过高使会使合金铸件变脆，并且流动性降低。Cu可以细化晶粒，增加合金的抗拉强度及硬度，但是含量过高时，会使合金铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化。
本发明还提供上述锌合金铸件的压铸方法，所述方法包括如下步骤：
(1)先按锌合金铸件所述的成分及质量百分比配料；
(2)先将80％-90％质量的高纯度锌锭置于坩埚中加热升温至450-460℃，抽真空后将温度升至830-850℃加入Al-Cu中间合直至全部融化，降温至620-630℃，再加入工业纯镁，充惰性气体均匀混合；
(3)将熔体升温至700-720℃后，在坩埚合金液中加精炼剂精炼，然后加入剩余10％-20％质量的高纯度锌锭，搅拌、扒渣处理，接着加入Zr得锌合金混合溶液；
(4)将锌合金混合溶液投入压铸机压铸处理，得到锌合金铸件坯体；
(5)将锌合金铸件坯体放入冷却水中冷却后，进行均匀化退火处理，得到锌合金铸件。
在熔炼过程中，金属与气体的相互作用和金属液与坩埚的相互作用使组分发生变化，产生夹杂物和吸气。当熔炼温度过高时，铁质坩埚与锌液反应，坩埚表面发生铁的氧化反应生成Fe2O3等氧化物，此外铁元素还会与锌液反应生成锌渣，溶解在锌液中，分多次添加合金原料，可以避免直接加锌锭熔化时发生大幅度温度变化，导致合金材料出现气泡和成分不稳定现象。
如上所述的一种锌合金铸件的压铸方法，步骤(2)中精炼剂为氯化锌。由于氯化锌的密度比合金密度小，加入时要用钟罩压下以使精炼剂与合金充分反应。精炼剂一般要用纸包好再压入，精炼结束后用扒渣勺将炉渣去除。
如上所述的一种锌合金铸件的压铸方法，步骤(3)Zr元素以Zn-Zr中间合金形式加入。Zr元素的加入以Zn-Zr中间合金的形式加入，能够在短时间内迅速熔化释放锆元素，在锌合金中加入微量Zr，可以生成硬质相，能够提升合金的硬度，但是Zr的加入会使晶粒出现粗化现象，减少了合金晶界面积，使得位错滑移的阻力减少，当Zr含量过高时，合金硬度反而会下降。
如上所述的一种锌合金铸件的压铸方法，步骤(4)压铸前先对锌合金混合液降温至315-450℃，压铸时的比压为13-20Mpa，压射速度为25-35m/s，填充时间为0.8-1s。压铸前对锌合金进行降温是因为在后续浇注过程中，如果温度过高，收缩大铸件容易产生裂纹、晶粒粗大，甚至还会造成粘模；温度过低，容易产生冷隔、表面出现花纹、浇注不足等缺陷。压射冲头推动合金液绕过浇料口低压低速运行，防止金属液从浇料口溢出，有利于气体排出，然后随着压力上升，速度加快，金属液充满压室至内浇口处，由于内浇口处截面面积大幅缩小，流动阻力剧增，要保持足够的填充速度，需要更高的压射压力。当金属液完全充满型腔，填充结束，压射冲头停止运动，压射速度迅速减至零，压力剧增。其中，填充速度过大会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加，从而导致力学性能下降；填充速度过小时，会使铸件轮廓不清楚，甚至不能成型。
如上所述的一种锌合金铸件的压铸方法，步骤(5)均匀化退火处理为将锌合金铸件坯体加热至300-350℃，保温2-3h，水冷至室温。均匀化退火后合金组织更加均匀，减轻晶粒尺寸内化学成分的不均匀性，使得合金铸件延长率和塑性有所提高。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过对锌合金成分含量的合理配置，加入微量Zr，不仅提高了锌合金的硬度，还保证了锌合金具有优异的整体力学性能，分多次添加合金原料，一定程度上避免了直接加锌锭熔化时发生大幅度温度变化，导致合金材料出现气泡和成分不稳定现象，优化了压铸工艺参数，最大限度提高了锌合金的性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
一种锌合金铸件，成分及质量百分比为：Al4.0％、Mg0.5％、Cu0.5％、Zr0.05％，余量为锌及不可避免的杂质。
先将90％重量的高纯度锌锭置于坩埚中加热升温至460℃，抽真空后将温度升至830℃加入Al-Cu中间合直至全部融化，降温至630℃，再加入工业纯镁，充惰性气体均匀混合，得预合金液。
将预合金液升温至720℃后，加入合金液总重量0.3％氯化锌精炼剂精炼，然后加入剩余10％重量的高纯度锌锭，搅拌、扒渣处理。
在坩埚合金液中加Zn-Zr中间合金均匀混合，得锌合金混合液，锌合金混合液各元素质量百分比为：Al4.0％、Mg0.5％、Cu0.8％、Zr0.05％，余量为锌及不可避免的杂质。
先对锌合金混合液降温至320℃，将锌合金混合溶液投入压铸机压铸处理，压铸时的比压为17Mpa，压射速度为28m/s，填充时间为0.8s，得到锌合金块。
(5)将锌合金块放入冷却水中冷却，得到锌合金铸件。
(6)对锌合金铸件加热至325℃，保温2.5h，水冷至室温。
实施例2：
一种锌合金铸件，成分及质量百分比为：Al4.8％、Mg0.6％、Cu0.6％、Zr0.04％，余量为锌及不可避免的杂质。
先将90％重量的高纯度锌锭置于坩埚中加热升温至460℃，抽真空后将温度升至830℃加入Al-Cu中间合直至全部融化，降温至630℃，再加入工业纯镁，充惰性气体均匀混合。
将预合金液升温至700℃后，加入合金液总重量0.3％氯化锌精炼剂精炼，然后加入剩余10％重量的高纯度锌锭，搅拌、扒渣处理。
在坩埚合金液中加Zn-Zr中间合金均匀混合，得锌合金混合液，锌合金混合液各元素质量百分比为：Al4.0％、Mg0.6％、Cu0.6％、Zr0.04％，余量为锌及不可避免的杂质。
先对锌合金混合液降温至380℃，将锌合金混合溶液投入压铸机压铸处理，压铸时的比压为16Mpa，压射速度为28m/s，填充时间为0.9s，得到锌合金块。
(5)将锌合金块放入冷却水中冷却，得到锌合金铸件。
(6)对锌合金铸件加热至320℃，保温2h，水冷至室温。
实施例3：
一种锌合金铸件，成分及质量百分比为：Al5.4％、Mg0.8％、Cu0.7％、Zr0.02％，余量为锌及不可避免的杂质。
先将90％重量的高纯度锌锭置于坩埚中加热升温至460℃，抽真空后将温度升至830℃加入Al-Cu中间合直至全部融化，降温至630℃，再加入工业纯镁，充惰性气体均匀混合，得预合金液。
将预合金液升温至710℃后，加入合金液总重量0.3％的氯化锌精炼剂精炼，然后加入剩余10％重量的高纯度锌锭，搅拌、扒渣处理。
在坩埚合金液中加Zn-Zr中间合金均匀混合，得锌合金混合液，锌合金混合液各元素质量百分比为：Al5.4％、Mg0.8％、Cu0.7％、Zr0.02％，余量为锌及不可避免的杂质。
先对锌合金混合液降温至360℃，将锌合金混合溶液投入压铸机压铸处理，压铸时的比压为18Mpa，压射速度为28m/s，填充时间为1s，得到锌合金块。
(5)将锌合金块放入冷却水中冷却，得到锌合金铸件。
(6)对锌合金铸件加热至330℃，保温3h，水冷至室温。
对比例1：
与实施例1的区别仅在于，不添加Zr元素。
对比例2：
与实施例1的区别仅在于，Zr元素在锌合金铸件中质量百分比为1％。
对比例3：
与实施例1的区别仅在于，将高纯度锌锭一次性加入坩埚中熔融。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，工业纯Mg、Zn-Zr中间合金和Al-Cu中间合金抽真空后一同加入。
对比例5
与实施例1的区别仅在于，Zn-Zr中间合金与工业纯镁一同加入。
实施例 屈服强度(MPa) 伸长率(％) 布氏硬度(HB)
实施例1 100.5 1.9 105
实施例2 100.2 1.8 103
实施例3 100.3 1.7 102
对比例1 93 2.1 95
对比例2 90 0.8 85
对比例3 98 1.5 99
对比例4 95 1.7 96
对比例5 97 1.6 97
从上述结果，可以看出，本发明中过对锌合金成分含量的合理配置，加入微量Zr，不仅提高了锌合金的硬度，还保证了锌合金具有优异的整体力学性能，但是Zr的加入超出本申请限定范围会使晶粒出现粗化现象，减少了合金晶界面积，使得位错滑移的阻力减少，合金整体力学性能反而会下降。本申请还优化了压铸工艺参数，通过多次加料的方式，最大限度提高了锌合金的性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (4)

1.一种锌合金铸件,其特征在于，所述锌合金铸件成分及质量百分比为：Al：4.0-5.4%、Mg：0.3-0.8%、Cu：0.5-0.7%、Zr：0.02-0.06%，余量为锌及不可避免的杂质元素；
所述锌合金铸件的制备方法包括如下步骤：
（1）按照所述的锌合金铸件成分及质量百分比配料；
（2）先将80%-90%质量的高纯度锌锭置于坩埚中加热升温至450-460℃，抽真空后将温度升至830-850℃加入Al-Cu中间合金直至全部融化，降温至620-630℃，再加入工业纯镁，充惰性气体均匀混合；
（3）将熔体升温至700-720℃后，在坩埚合金液中加精炼剂精炼，然后加入剩余10%-20%质量的高纯度锌锭，搅拌、扒渣处理，接着加入Zr得锌合金混合溶液；
（4）将锌合金混合溶液投入压铸机压铸处理，得到锌合金铸件坯体；
（5）将锌合金铸件坯体放入冷却水中冷却后，进行均匀化退火处理，得到锌合金铸件。
2.根据权利要求1所述的一种锌合金铸件，其特征在于，步骤（3）中精炼剂为氯化锌。
3.根据权利要求1所述的一种锌合金铸件，其特征在于，步骤（3）Zr元素以Zn-Zr中间合金形式加入。
4.根据权利要求1所述的一种锌合金铸件，其特征在于，步骤（4）压铸前先对锌合金混合液降温至315-450℃，压铸时的比压为13-20Mpa，压射速度为25-35m/s，填充时间为0.8-1s。
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