CN114262819A - 一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，它涉及一种制备高强韧锌铜钛合金板材的方法。本发明的目的是要解决现有制备Zn‑Cu‑Ti板材的方法繁杂，成本高，在后续的产品加工过程中，受到板材综合力学性能不佳的影响，塑性高的Zn‑Cu‑Ti板材成形的产品强度差，在实际使用的过程中会发生产品形状、尺寸的改变，而强度高的板材塑性低，在后续生产加工过程中，板材会发生冲爆、开裂和撕裂的问题。方法：一、设计合金成分；二、熔炼；三、热挤压；四、对称大变形异位轧制，制得锌铜钛合金板材。本发明制备材料的强韧性好，对称大变形异位轧制，获得均匀、致密的组织。本发明可获得高强韧锌铜钛合金板材。

Description

一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜 钛合金板材的方法

技术领域

本发明涉及一种制备高强韧锌铜钛合金板材的方法。

背景技术

汽车散热器是汽车冷却系统中重要组成部件，以水为载体导热，散热，从而起到调控发动机缸体工作温度的功能。因此水箱材料需满足良好的导热性、焊接性、耐蚀性、耐久性等特性。目前汽车散热器分为铝制或铜制水箱，但铝合金存在制造工艺复杂、耐蚀性差等问题，而铜合金价格昂贵、质量大等问题。相比于铝和铜合金，锌铜钛合金熔点低、熔炼以及成型加工简单且耗能低、原材料便宜且可100％回收循环使用，水箱综合造价可降低三分之二；锌铜钛合金是一种高塑性抗蠕变耐腐蚀合金，延伸率可达到40～60％、冲压性能好、可塑性强、满足各种复杂形状要求，具有通过腐蚀形成钝化层抑制进一步腐蚀的特性，水箱寿命长达5～7年。

传统的Zn-Cu-Ti合金板材的生产流程为：配料→合金熔炼(500℃～580℃)→连续铸造(440℃～480℃)→双机架热轧(200℃～300℃)→卷取→冷轧(80℃～90℃)→退火(180℃～220℃)(保温时间2h～3h)→剪边、矫直→检验→包装→入库。

为避免轧制过程中的撕裂、边裂等轧制缺陷，Zn-Cu-Ti合金板材一般采用多道次、小变形量的冷轧工艺。由于繁杂的Zn-Cu-Ti板材生产流程不利于材料成本的降低。同时，在后续的产品加工过程中，往往又受到板材综合力学性能不佳所带来的困扰：塑性高的Zn-Cu-Ti合金板材在加工的过程中成形性能好，但加工成形的产品强度差，在实际使用的过程中会发生产品形状、尺寸的改变，严重降低了Zn-Cu-Ti合金产品的使用寿命。而强度高的板材塑性低，在后续生产加工过程中，板材会发生冲爆、开裂和撕裂等现象。

发明内容

本发明的目的是要解决现有制备Zn-Cu-Ti板材的方法繁杂，成本高，在后续的产品加工过程中，受到板材综合力学性能不佳的影响，塑性高的Zn-Cu-Ti板材成形的产品强度差，在实际使用的过程中会发生产品形状、尺寸的改变，而强度高的板材塑性低，在后续生产加工过程中，板材会发生冲爆、开裂和撕裂的问题，而提供一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法。

一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，是按以下步骤完成的：

一、设计合金成分：

合金成分按照质量百分比由1.0％～2.0％Cu、0.05％～0.15％Ti、0.1～1％稀土元素和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％；

二、熔炼：

按照步骤一中的合金成分称取高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土，熔炼前对熔炼炉进行抽真空，使用高纯氩气清洗炉膛并充入高纯氩气作为保护性气体，将高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土加入到熔炼炉中，在氮气气氛保护下将熔炼炉升温至580℃～650℃，再在580℃～650℃下保温，最后对熔体进行除渣、搅拌、静置保温，得到精炼后的熔体；

三、热挤压：

将精炼后的熔体在温度为500℃～520℃下浇注到模具中，得到圆形铸锭；将圆形铸锭去除缺陷、锯头，再车去铸锭外皮2mm厚度，得到铸棒，最后将铸棒热挤成厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯；

四、对称大变形异位轧制：

将厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯进行切割，再将其表面涂抹上轧制润滑剂，再将板坯放入箱式电阻炉内随炉升温，待箱式电阻炉达到预定的温度后保温2h，然后将板坯取出，使轧制方向与热挤压挤出方向垂直后送入两辊异步轧机中进行两道次轧制，制得锌铜钛合金板材。

本发明的原理及优点：

一、本发明提出将热挤压与对称大变形异位轧制技术结合的制备方法，这项技术的实质其实是围绕着“细化晶粒，提高合金成形性能”这一主题，细化晶粒是改善合金成形性能的一个极佳途径；首先，细化晶粒不但可以提高合金塑性变形的协调能力，降低基体组织局部应力集中的累积，防止裂纹的萌生与发展；其次，细晶还有利于非基面滑移的启动；

其具有以下优点：(1)、制备工序短，热挤压与对称大变形异位轧制技术结合，轧制道次大幅减少，不需冷轧，制备成本降低；

(2)、制备材料的强韧性好；

(3)、三向压应力开坯，对称大变形异位轧制，获得均匀、致密的组织。

二、本发明将热挤压与对称大变形异位轧制工艺结合，一方面，以热挤压代替传统热轧进行开坯，这是由于热挤压时，铸态组织各处所受总的塑性变形较均匀，板材具有的织构较弱，为单道次热轧变形量的增大提供了可能；另一方面，通过提高合金的热轧变形量，增大合金基体的局部应力集中及形变储存能，促进孪晶及动态再结晶的萌生与发展；通过孪晶对基体的切割作用及大量的动态再结晶细化合金基体组织，进而提高合金板材的综合力学性能。

附图说明

图1为传统对称轧制的示意图；

图2为本发明采用的对称大变形异位轧制的示意图；

图3为实施例1步骤三得到的厚度为5mm、宽度为50mm的板坯的组织形貌图；

图4为实施例1步骤四得到的锌铜钛合金板材的组织形貌图；

图5为实施例1中步骤四中使轧制方向与热挤压挤出方向垂直的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

具体实施方式一：本实施方式一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法是按以下步骤完成的：

一、设计合金成分：

合金成分按照质量百分比由1.0％～2.0％Cu、0.05％～0.15％Ti、0.1～1％稀土元素和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％；

二、熔炼：

按照步骤一中的合金成分称取高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土，熔炼前对熔炼炉进行抽真空，使用高纯氩气清洗炉膛并充入高纯氩气作为保护性气体，将高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土加入到熔炼炉中，在氮气气氛保护下将熔炼炉升温至580℃～650℃，再在580℃～650℃下保温，最后对熔体进行除渣、搅拌、静置保温，得到精炼后的熔体；

三、热挤压：

将精炼后的熔体在温度为500℃～520℃下浇注到模具中，得到圆形铸锭；将圆形铸锭去除缺陷、锯头，再车去铸锭外皮2mm厚度，得到铸棒，最后将铸棒热挤成厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯；

四、对称大变形异位轧制：

将厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯进行切割，再将其表面涂抹上轧制润滑剂，再将板坯放入箱式电阻炉内随炉升温，待箱式电阻炉达到预定的温度后保温2h，然后将板坯取出，使轧制方向与热挤压挤出方向垂直后送入两辊异步轧机中进行两道次轧制，制得锌铜钛合金板材。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的稀土元素为La、Nd和Sc中的一种或几种的混合物。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中在580℃～650℃下保温的时间为2h～4h。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的静置保温的时间为10min～20min。其它步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中熔炼前对熔炼炉进行抽真空至3×10^-3Pa。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中所述的热挤压的工艺参数为：将铸棒加热至280℃～300℃，在280℃～300℃下保温0.5h～2h，将模具预热至150℃～200℃，在挤压比为10～30和挤压速度为1m/min～1.5m/min的条件下挤压，得到厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯。其它步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤四中所述的轧制润滑剂为石墨。其它步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的箱式电阻炉预定的温度为250℃～300℃。其它步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤四中两辊异步轧机的轧辊中心错位量：0.5～4mm，轧辊异速比：1.01～1.11，轧制的温度：250～300℃，单道次下压量为20～60％，轧制的速度为0.5～1m/min。其它步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤四中所述的锌铜钛合金板材的屈服强度为201MPa～246MPa，抗拉强度为252MPa～285MPa，延伸率为45％～58％。其它步骤与具体实施方式一至九相同。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1：一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法是按以下步骤完成的：

一、设计合金成分：

合金成分按照质量百分比由1.5％Cu、0.05％Ti、0.1％La、0.1％Sc和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％；

二、熔炼：

按照步骤一中的合金成分称取高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土La和稀土Sc，熔炼前对熔炼炉进行抽真空至3×10^-3Pa，使用高纯氩气清洗炉膛并充入高纯氩气作为保护性气体，将高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土加入到熔炼炉中，在氮气气氛保护下将熔炼炉升温至600℃，再在600℃下保温2h，最后对熔体进行除渣、搅拌、在540℃下静置保温10min，得到精炼后的熔体；

三、热挤压：

将精炼后的熔体在温度为520℃下浇注到模具中，得到圆形铸锭；将圆形铸锭去除缺陷、锯头，再车去铸锭外皮2mm厚度，得到铸棒，最后将铸棒热挤成厚度为5mm、宽度为50mm的板坯；

步骤三中所述的热挤压的工艺参数为：将铸棒加热至300℃，在300℃下保温2h，将模具预热至200℃，在挤压比为20和挤压速度为1m/min的条件下挤压，得到厚度为5mm、宽度为50mm的板坯；

四、对称大变形异位轧制：

将厚度为5mm、宽度为50mm的板坯进行切割，再将其表面涂抹上石墨，再将板坯放入箱式电阻炉内随炉升温至300℃，待箱式电阻炉达到300℃后保温2h，然后将板坯取出，使轧制方向与热挤压挤出方向垂直后放入两辊异步轧机进行两道次轧制，制得锌铜钛合金板材；

步骤四中两辊异步轧机的轧辊中心错位量：0.5mm，轧辊异速比：1.05，轧制的温度：280℃，单道次下压量为40％，轧制的速度为0.8m/min。

图3为实施例1步骤三得到的厚度为5mm、宽度为50mm的板坯的组织形貌图；

从图3可知，热挤压开坯后组织，塑性变形均匀，晶粒细小且分布均匀，适用大变形轧制加工。

图4为实施例1步骤四得到的锌铜钛合金板材的组织形貌图；

从图4可知，热挤压+大变形异位轧制后组织，第二相破碎成细小颗粒，均匀分布在基体中，具有弥散强化作用。

图5为实施例1中步骤四中使轧制方向与热挤压挤出方向垂直的结构示意图。

实施例2：一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法是按以下步骤完成的：

一、设计合金成分：

合金成分按照质量百分比由1％Cu、0.1％Ti、0.2％La、0.3％Nd和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％；

二、熔炼：

按照步骤一中的合金成分称取高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土La和稀土Nd，熔炼前对熔炼炉进行抽真空至3×10^-3Pa，使用高纯氩气清洗炉膛并充入高纯氩气作为保护性气体，将高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土加入到熔炼炉中，在氮气气氛保护下将熔炼炉升温至580℃，再在580℃下保温4h，最后对熔体进行除渣、搅拌、在520℃下静置保温15min，得到精炼后的熔体；

三、热挤压：

将精炼后的熔体在温度为510℃下浇注到模具中，得到圆形铸锭；将圆形铸锭去除缺陷、锯头，再车去铸锭外皮2mm厚度，得到铸棒，最后将铸棒热挤成厚度为7mm、宽度为150mm的板坯；

步骤三中所述的热挤压的工艺参数为：将铸棒加热至280℃，在280℃下保温0.5h，将模具预热至175℃，在挤压比为30和挤压速度为1.25m/min的条件下挤压，得到厚度为7mm、宽度为150mm的板坯；

四、对称大变形异位轧制：

将厚度为7mm、宽度为150mm的板坯进行切割，再将其表面涂抹上石墨，再将板坯放入箱式电阻炉内随炉升温至300℃，待箱式电阻炉达到300℃后保温2h，然后将板坯取出，使轧制方向与热挤压挤出方向垂直后放入两辊异步轧机进行两道次轧制，制得锌铜钛合金板材；

步骤四中两辊异步轧机的轧辊中心错位量：2mm，轧辊异速比：1.01，轧制的温度：250℃，单道次下压量为60％，轧制的速度为0.5m/min。

实施例3：一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法是按以下步骤完成的：

一、设计合金成分：

合金成分按照质量百分比由2％Cu、0.15％Ti、0.5％La、0.5％Sc和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％；

二、熔炼：

按照步骤一中的合金成分称取高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土La和稀土Sc，熔炼前对熔炼炉进行抽真空至3×10^-3Pa，使用高纯氩气清洗炉膛并充入高纯氩气作为保护性气体，将高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土加入到熔炼炉中，在氮气气氛保护下将熔炼炉升温至650℃，再在650℃下保温3h，最后对熔体进行除渣、搅拌、在560℃下静置保温15min，得到精炼后的熔体；

三、热挤压：

将精炼后的熔体在温度为500℃下浇注到模具中，得到圆形铸锭；将圆形铸锭去除缺陷、锯头，再车去铸锭外皮2mm厚度，得到铸棒，最后将铸棒热挤成厚度为10mm、宽度为100mm的板坯；

步骤三中所述的热挤压的工艺参数为：将铸棒加热至290℃，在290℃下保温1h，将模具预热至175℃，在挤压比为10和挤压速度为1.5m/min的条件下挤压，得到厚度为10mm、宽度为100mm的板坯；

四、对称大变形异位轧制：

将厚度为10mm、宽度为100mm的板坯进行切割，再将其表面涂抹上石墨，再将板坯放入箱式电阻炉内随炉升温至300℃，待箱式电阻炉达到300℃后保温2h，然后将板坯取出，使轧制方向与热挤压挤出方向垂直后放入两辊异步轧机进行两道次轧制，制得锌铜钛合金板材；

步骤四中两辊异步轧机的轧辊中心错位量：4mm，轧辊异速比：1.11，轧制的温度：300℃，单道次下压量为20％，轧制的速度为1m/min。

对比例1：传统的Zn-Cu-Ti合金板材的生产流程具体如下：

配料(合金成分按照质量百分比由1.5％Cu、0.05％Ti、0.1％La、0.1％Sc和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％)→合金熔炼(500℃～580℃)→连续铸造(440℃～480℃)→双机架热轧(200℃～300℃)→卷取→冷轧(80℃～90℃)→退火(180℃～220℃)(保温时间2h～3h)→剪边、矫直→检验→包装→入库。

将实施例1～3制备的锌铜钛合金板材和对比例1制备的传统的Zn-Cu-Ti合金板材的力学性能列于表1；

表1

Claims (10)

1.一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法是按以下步骤完成的：

一、设计合金成分：

合金成分按照质量百分比由1.0％～2.0％Cu、0.05％～0.15％Ti、0.1～1％稀土元素和余量Zn组成，其中杂质质量分数≤0.2％；

二、熔炼：

按照步骤一中的合金成分称取高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土，熔炼前对熔炼炉进行抽真空，使用高纯氩气清洗炉膛并充入高纯氩气作为保护性气体，将高纯锌、高纯铜、ZnTi中间合金和稀土加入到熔炼炉中，在氮气气氛保护下将熔炼炉升温至580℃～650℃，再在580℃～650℃下保温，最后对熔体进行除渣、搅拌、静置保温，得到精炼后的熔体；

三、热挤压：

将精炼后的熔体在温度为500℃～520℃下浇注到模具中，得到圆形铸锭；将圆形铸锭去除缺陷、锯头，再车去铸锭外皮2mm厚度，得到铸棒，最后将铸棒热挤成厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯；

四、对称大变形异位轧制：

将厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯进行切割，再将其表面涂抹上轧制润滑剂，再将板坯放入箱式电阻炉内随炉升温，待箱式电阻炉达到预定的温度后保温2h，然后将板坯取出，使轧制方向与热挤压挤出方向垂直后送入两辊异步轧机中进行两道次轧制，制得锌铜钛合金板材。

2.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤一中所述的稀土元素为La、Nd和Sc中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤二中在580℃～650℃下保温的时间为2h～4h。

4.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤二中所述的静置保温的时间为10min～20min。

5.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤二中熔炼前对熔炼炉进行抽真空至3×10^-3Pa。

6.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤三中所述的热挤压的工艺参数为：将铸棒加热至280℃～300℃，在280℃～300℃下保温0.5h～2h，将模具预热至150℃～200℃，在挤压比为10～30和挤压速度为1m/min～1.5m/min的条件下挤压，得到厚度为5mm～10mm、宽度为50mm～150mm的板坯。

7.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤四中所述的轧制润滑剂为石墨。

8.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤四中所述的箱式电阻炉预定的温度为250℃～300℃。

9.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤四中两辊异步轧机的轧辊中心错位量：0.5～4mm，轧辊异速比：1.01～1.11，轧制的温度：250～300℃，单道次下压量为20～60％，轧制的速度为0.5～1m/min。

10.根据权利要求1所述的一种利用热挤压与对称大变形异位轧制技术制备高强韧锌铜钛合金板材的方法，其特征在于步骤四中所述的锌铜钛合金板材的屈服强度为201MPa～246MPa，抗拉强度为252MPa～285MPa，延伸率为45％～58％。

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