发明内容
本发明的目的之一包括提供一种锌合金,该锌合金具有理想的抗拉强度、延伸率和导电率,能够满足挤压加工的要求。
本发明的目的之二包括提供一种上述锌合金的制备方法,该方法简单,易操作,适于工业化生产。
本申请是这样实现的:
第一方面,本申请提供一种锌合金,按质量百分数计,该锌合金的化学组成包括4.5-7.5%的Cu、2-10.5%的Al、0.1-0.8%的Mg、0.05-0.12%的Ti、0.05-0.1%的Zr,余量为Zn和不可避免的杂质。
在可选的实施方式中,化学组成包括6.5-7.5%的Cu、2-10.5%的Al、0.1-0.8%的Mg、0.1-0.12%的Ti、0.05-0.1%的Zr,余量为Zn和不可避免的杂质。
在可选的实施方式中,化学组成的来源主要包括纯锌、纯铝、纯镁、铝钛中间合金、铝锆中间合金与铝铜中间合金。
在可选的实施方式中,化学组成还包括B和C中的至少一种。
在可选的实施方式中,按与Ti相同的质量百分数计,B的含量为0.01-0.1%,更优地,B与Ti的质量比为0.085-0.2。
在可选的实施方式中,按与Ti相同的质量百分数计,C的含量为0.01-0.1%,更优地,C与Ti的质量比为0.085-0.1。
在可选的实施方式中,B的来源主要包括铝硼中间合金。
在可选的实施方式中,C的来源主要包括铝碳中间合金。
在可选的实施方式中,锌合金的抗拉强度≥490MPa,延伸率≥23%,导电率≥28%IACS,硬度≥130Hv。
在可选的实施方式中,锌合金的抗拉强度为490-538MPa,延伸率为23.3-27.2%,导电率为28-29.2%IACS,硬度为130-160Hv。
在可选的实施方式中,锌合金为棒材形式。
第二方面,本申请提供如前述锌合金的制备方法,包括以下步骤:
将按化学组成配料后的原料依次进行制备锌合金。
在可选的实施方式中,进行制备锌合金包括熔炼、铸造、挤压、固溶处理以及时效处理。
在可选的实施方式中,熔炼的温度为550-600℃。
在可选的实施方式中,熔炼于电加热炉或燃气加热炉中进行。
在可选的实施方式中,当化学组成包括B和C中的至少一种时,熔炼是将除铜与B和/或C对应的原料以外的其它原料先于550-600℃的条件下熔化,随后再加入与B和/或C对应的原料再次熔化。
在可选的实施方式中,铸造的温度为530-580℃。
在可选的实施方式中,铸造采用半连续方法浇铸。
在可选的实施方式中,铸造前,还包括对熔炼所得的熔体进行除气精炼,优选地,除气精炼时间为5-30min。
在可选的实施方式中,除气精炼的方式是在530-580℃的温度下通入惰性气体。
在可选的实施方式中,除气精炼后保温10-45min再铸造。
在可选的实施方式中,挤压前,还包括将铸造得到的坯料进行预热。
在可选的实施方式中,预热温度为230-270℃,预热时间为1-3h。
在可选的实施方式中,固溶处理是于350-380℃的条件下保温2-8h,随后冷却。
在可选的实施方式中,固溶处理过程中的冷却方式为水冷。
在可选的实施方式中,时效处理是于100-150℃的条件下保温4-12h,随后冷却。
在可选的实施方式中,时效处理过程中的冷却方式为空冷。
本申请的有益效果包括:
本申请的锌合金的化学组成中Cu主要用于形成高强度、高硬度的CuZn4金属间化合物,起到提高强度的作用。Al主要用于改善合金流动性,提高合金强度和硬度。Mg主要用于在组织中形成MgZn2化合物,起到防止晶间腐蚀、提高合金强度的作用。Ti主要用于形成TiAl3以及TiZn5等高熔点化合物,起到细化组织、提高强度和硬度的作用。Zr主要用于在时效过程中与Cu、Al以及Zn结合,形成中间化合物,抑制合金再结晶,起到提高合金的导电率、强度和延伸率的作用。具有该特定化学组成的锌合金具有理想的抗拉强度、延伸率和导电率,能够满足挤压加工的要求。
通过以具有本申请特定的化学组成的原料进行配料和投料熔炼,并按本申请特定的制备工艺和条件进行制备,所得的锌合金不仅具有良好的抗拉强度、延伸率以及硬度,同时还具有良好的导电率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的锌合金及其制备方法进行具体说明。
本申请提出一种锌合金,按质量百分数计,该锌合金的化学组成包括4.5-7.5%的Cu、2-10.5%的Al、0.1-0.8%的Mg、0.05-0.12%的Ti、0.05-0.1%的Zr,余量为Zn和不可避免的杂质。
在一些可选地实施方式中,Cu的质量百分数可以为4.5%、5.5%、6.5%或7.5%,也可以为5%、6%或7%等,还可以为4.5-7.5%范围内的其它任意百分数值。
Al的质量百分数可以为2%、4%、6%、8%或10%,也可以为3.5%、5%、8.5%或10.5%等,还可以为2-10.5%范围内的其它任意百分数值。
Mg的质量百分数可以为0.1%、0.3%、0.5%或0.7%,也可以为0.2%、0.4%、0.6%或0.8%等,还可以为0.1-0.8%范围内的其它任意百分数值。
Ti的质量百分数可以为0.05%、0.08%、0.1%或0.12%等,也可以为0.05-0.12%范围内的其它任意百分数值。
Zr的质量百分数可以为0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%或0.1%,还可以为0.05-0.1%范围内的其它任意百分数值。
在可选的实施方式中,化学组成包括6.5-7.5%的Cu、2-10.5%的Al、0.1-0.8%的Mg、0.1-0.12%的Ti、0.05-0.1%的Zr,余量为Zn和不可避免的杂质。
在可选的实施方式中,上述化学组成的来源主要包括纯锌、纯铝、纯镁、铝钛中间合金、铝锆中间合金与铝铜中间合金,依次对应Zn、Al、Mg、Ti、Zr和Cu。
在可选的实施方式中,本申请提供的锌合金的化学组成还可包括B和C中的至少一种。
可参考地,按与Ti相同的质量百分数计,B的含量可以为0.01-0.1%,如0.01%、0.05%、0.08%或0.1%等,优选地,B与Ti的质量比可以为0.085-0.2(如0.085、0.1或0.2等)。
可参考地,按与Ti相同的质量百分数计,C的含量也可以为0.01-0.1%,如0.01%、0.05%、0.08%或0.1%等,优选地,C与Ti的质量比可以为0.085-0.1(如0.085、0.09或0.1等)。
在可选的实施方式中,B的来源主要可包括(为)铝硼中间合金。C的来源主要包括(为)铝碳中间合金。
值得说明的是,在具体的方案中,可以将Cu、Al、Mg、Ti、Zr、B以及C在上述范围内任意组合。
在本申请中,上述化学成分的作用包括:
Cu主要用于形成高强度、高硬度的CuZn4金属间化合物,起到提高强度的作用。Cu含量低于4.5wt.%时抗拉强度提高不明显,大于7.5wt.%时,容易形成疏松等缺陷,合金延伸率下降。
Al主要用于改善合金流动性,提高合金强度和硬度。
Mg主要用于在组织中形成MgZn2化合物,起到防止晶间腐蚀、提高合金强度的作用。当镁含量高于0.8wt.%时合金容易产生脆化现象,故本申请中将Mg含量控制在0.1-0.8%wt.%。
Ti主要用于形成TiAl3以及TiZn5等高熔点化合物,起到细化组织、提高强度和硬度的作用。值得说明的是,Ti含量低于0.05wt.%容易导致对应的锌合金力学性能提高不明显,高于0.12wt.%时会导致对应的锌合金的抗拉强度和延伸率下降,故本申请中将Ti的含量控制在0.05-0.12wt.%。
Zr主要用于在时效过程中与Cu、Al以及Zn结合,形成中间化合物,抑制合金再结晶,起到提高合金的导电率、强度和延伸率的作用。
进一步地,在上述元素的基础上,添加B和/或C主要用于形成AlB2、TiB2及TiC等异质核心,可细化合金组织,提高合金的强度和导电率。
在一些实施方式中,本申请提供的锌合金的抗拉强度≥490MPa,延伸率≥23%,导电率≥28%IACS,硬度≥130Hv。
可参考地,本申请提供的锌合金的抗拉强度可以为490-538MPa,如490MPa、521MPa、538MPa或540MPa。延伸率可以为23.3-27.2%,如23.3%、25.1%、25.6%或27.2%。导电率可以为28-29.2%IACS,如28%IACS、28.3%IACS、28.5%IACS或29.2%IACS。硬度可以为130-160Hv,如130Hv、146Hv、155Hv或160Hv。
在可选的实施方式中,锌合金可以但不仅限于为棒材形式。
此外,本申请还提供一种如前述锌合金的制备方法,例如可包括以下步骤:将按化学组成配料后的原料进行制备锌合金。可参考地,进行制备锌合金例如可依次包括熔炼、铸造、挤压、固溶处理以及时效处理。
在可选的实施方式中,熔炼的温度为550-600℃,如550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃等。熔炼温度设置为上述范围可避免熔炼温度过高,造成Zn、Mg等元素的挥发和烧损。
在可选的实施方式中,熔炼可以于电加热炉或燃气加热炉中进行。
在可选的实施方式中,当化学组成包括B和C中的至少一种时,熔炼是将除铜与B和/或C对应的原料以外的其它原料先于550-600℃的条件下熔化,随后再加入与B和/或C对应的原料再次熔化。
例如,在熔炼前,先将纯锌、纯铝、纯镁、铝铜中间合金、铝钛中间合金以及铝锆中间合金加入加热炉中熔炼待上述原料材料完全熔化后再加入铝硼中间合金和/或铝碳中间合金继续熔炼。
在一些优选的实施方式中,可以是将纯锌、纯铝以及铝铜中间合金先投入加热炉中,熔化后再依次投入纯镁、铝钛中间合金以及铝锆中间合金,熔化后再加入铝碳中间合金和/或铝硼中间合金继续熔炼。
在可选的实施方式中,铸造的温度为530-580℃,如530℃、540℃、550℃、560℃、570℃或580℃等。铸造温度设置为上述范围同样也为了避免熔炼温度过高,造成Zn、Mg等元素的挥发和烧损。
铸造也可以于电加热炉或燃气加热炉中进行,优选与熔炼所用的加热炉对应。
在可选的实施方式中,铸造采用半连续方法浇铸。
在可选的实施方式中,铸造前,还包括对熔炼所得的熔体进行除气精炼,优选地,除气精炼时间可以为5-30min。较佳地,除气精炼的方式是在530-580℃的温度下通入惰性气体。进一步地,除气精炼后保温10-45min再铸造,以利于渣和气体的上浮。可参考地,可采用高纯氮气(气体纯度不低于99.995%)或高纯氩气(气体纯度不低于99.995%)进行除气精炼。
在可选的实施方式中,挤压前,还包括将铸造得到的坯料进行预热。
在可选的实施方式中,预热温度可以为230-270℃,如230℃、240℃、250℃、260℃或270℃等,预热时间可以为1-3h,如1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。预热可于箱室炉中进行。值得说明的是,本申请中将预热温度设置为最高不超过270℃,能够避免温度过高引起合金发生共析反应。
在可选的实施方式中,固溶处理是于350-380℃,如350℃、360℃、370℃或380℃的条件下保温2-8h,如2h、5h或8h等,随后冷却。可参考地,该过程中的冷却方式优选采用水冷,以加快合金的冷却速度,保证固溶处理效果。
在可选的实施方式中,时效处理是于100-150℃,如100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃的条件下保温4-12h,如4h、8h、10h或12h等随后冷却。可参考地,该过程中的冷却方式为空冷。
上述固溶处理和时效处理均可于热处理炉,前者可于淬火炉中进行,后者可于时效炉中进行。
本申请中通过以具有上述化学组成的原料进行配料和投料熔炼,并按上述制备工艺和条件进行制备,所得的锌合金不仅具有良好的抗拉强度和延伸率,同时还具有良好的导电率。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Ti中间合金、Al-10%Zr中间合金、Al-3%B中间合金。合金的具体成分见表1。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入电加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-10%Ti以及Al-10%Zr中间合金,将温度升至600℃,待熔体完全熔化后加入Al-3%B中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氮气精炼时间5分钟,保温10分钟后以半连续方法浇铸,铸造温度为580℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为270℃,保温时间为1小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入热处理炉中进行固溶处理,固溶处理温度是375℃,保温时间是2h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉中进行时效处理,时效处理温度是150℃,保温时间是4h,冷却方式为空冷。
所得的锌合金的金相图如图1所示,由图1可以看出:微观组织由枝晶和大量细小的强化析出相组成,这些析出相起到提高锌合金强度和硬度的作用。
实施例2
本实施例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-5%Ti中间合金、Al-5%Zr中间合金、Al-3%B中间合金。合金的具体成分见表1。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入气加热炉内,熔化后再依次投入纯镁和Al-5%Ti中间合金以及Al-5%Zr中间合金,将温度升至580℃,待熔体完全熔化后加入Al-3%B中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氮气精炼时间15分钟,保温30分钟后浇铸,铸造温度为550℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为250℃,保温时间为3小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是380℃,保温时间为8h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是100℃,保温时间是12h,冷却方式为空冷。
实施例3
本实施例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Ti中间合金、Al-10%Zr中间合金、Al-0.1%C中间合金。合金的成分见表1。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入电加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-10%Ti以及Al-10%Zr中间合金,将温度升至550℃,待熔体完全熔化后加入Al-0.1%C中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氩气精炼时间20分钟,保温45分钟后浇铸,铸造温度为530℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为230℃,保温时间2小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是360℃,保温时间是5h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是120℃,保温时间是6h,冷却方式为空冷。
所得的锌合金的DSC曲线如图2所示,该图中从左至右的4个峰依次定义为1号峰、2号峰、3号峰以及4号峰。
其中,1号峰的综合分析结果如下:
面积:16.07J/g;峰值:288.0℃;起始点:280.0℃;终止点:297℃;宽度:11.6℃(37.000%);高度:0.128mW/mg。
2号峰的综合分析结果如下:
面积:1.852J/g;峰值:356.3℃;起始点:354.5℃;宽度:3.7℃(37.000%);高度:0.0473mW/mg。
3号峰的综合分析结果如下:
峰值:370.9℃;高度:-0.02021mW/mg。
4号峰的综合分析结果如下:
面积:68.2J/g;峰值:401.9℃;起始点:384.5℃;终止点:406.6℃;宽度:16.2℃(37.000%);高度:0.3914mW/mg。
实施例4
本实施例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-5%Ti中间合金、Al-5%Zr中间合金、Al-0.4%C中间合金。合金的成分见表1。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入气加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-5%Ti以及Al-5%Zr中间合金,将温度升至570℃,待熔体完全熔化后加入Al-0.4%C中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氩气精炼时间30分钟,保温30分钟后浇铸,铸造温度为540℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为260℃。保温时间3小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是365℃,保温时间是5h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是125℃,保温时间是8h,冷却方式为空冷。
所得的锌合金的金相图如图3所示,由图3可以看出:析出相晶粒度不大于5微米,细小的强化相有利于提高锌合金的强度和硬度。
实施例5
本实施例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Ti中间合金、Al-10%Zr中间合金、Al-3%B中间合金。合金的成分见表1。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入电加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-10%Ti以及Al-10%Zr中间合金,将温度升至550℃,待熔体完全熔化后加入Al-3%B中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氩气精炼时间20分钟,保温45分钟后浇铸,铸造温度为530℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为230℃,保温时间2小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是360℃,保温时间是5h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是120℃,保温时间是6h,冷却方式为空冷。
实施例6
本实施例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Ti中间合金、Al-10%Zr中间合金、Al-0.1%C中间合金、Al-3%B中间合金。合金的成分见表1。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入电加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-10%Ti以及Al-10%Zr中间合金,将温度升至550℃,待熔体完全熔化后加入Al-0.1%C中间合金和Al-3%B中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氩气精炼时间20分钟,保温45分钟后浇铸,铸造温度为530℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为230℃,保温时间2小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是360℃,保温时间是5h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是120℃,保温时间是6h,冷却方式为空冷。
表1实施例1-6的合金成分
对比例
对比例1
本对比例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Ti中间合金、Al-10%Zr中间合金、Al-3%B中间合金。合金的成分见表2。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入电加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-10%Ti以及Al-10%Zr中间合金,将温度升至650℃,待熔体完全熔化后加入Al-3%B中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氩气精炼时间20分钟,保温45分钟后浇铸,铸造温度为600℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为230℃,保温时间2小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是365℃,保温时间是5h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是125℃,保温时间是6h,冷却方式为空冷。
对比例2
本对比例的锌合金采用以下原材料熔炼:纯锌、纯铝、纯镁、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Ti中间合金、Al-10%Zr中间合金、Al-0.1%C中间合金、Al-3%B中间合金。合金的成分见表2。
该锌合金的制备过程如下:
熔炼:将纯锌、纯铝以及Al-50%Cu中间合金投入电加热炉内,熔化后再依次投入纯镁、Al-10%Ti以及Al-10%Zr中间合金,将温度升至630℃,待熔体完全熔化后加入Al-0.1%C中间合金和Al-3%B中间合金,并搅拌均匀,采用高纯氩气精炼时间20分钟,保温45分钟后浇铸,铸造温度为610℃。
挤压:将铸坯在箱室炉内预热,预热温度为230℃,保温时间2小时,随后挤压加工成棒料。
固溶处理:将挤压后得到的棒料放入淬火炉中进行固溶处理,固溶处理温度是365℃,保温时间是5h,冷却方式为水冷。
时效处理:将固溶后的棒料放入时效炉进行时效处理,时效处理温度是130℃,保温时间是6h,冷却方式为空冷。
表2对比例1和2的合金成分
试验例
对实施例1-6和对比例1-2制备得到的铝合金进行性能测试,其中,抗拉强度的测试标准参照《GB/T16865-2013》,延伸率的测试标准参照《GB/T16865-2013》,导电率的测试标准参照《GB/T3048.2-2007》,硬度的测试标准参照《GB/T4340.1-2009》,其结果如表3所示。
表3实施例1-6和对比例1-2的合金性能表
由此可以看出,本申请提供的锌合金在具有较高的抗拉强度、延伸率以及硬度的同时还具有良好的导电性能。
综上所述,本申请提供的具有特定化学组成的锌合金具有理想的抗拉强度、延伸率和导电率,能够满足挤压加工的要求。其制备方法简单,易操作。通过以具有本申请特定的化学组成的原料进行配料和投料熔炼,并按本申请特定的制备工艺和条件进行制备,所得的锌合金不仅具有良好的抗拉强度和延伸率,同时还具有良好的导电率。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。