CN1974811A - 高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法，其生产工艺过程为：提供铝含量≥10wt％的锌基合金原料－熔炼－保温及挤压－拉拔－热处理－淬火；其中，保温及挤压温度在300～450℃范围内；热处理的温度在150～300℃范围内，时间在30～120min之间。使用本发明的方法，可以得到同时具有高强度和高韧性的任何尺寸的锌基合金线材或棒材，可以加工成各种机械零件，例如螺丝，螺帽，拉杆和导线等。

Description

高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法
技术领域
本发明涉及一种锌基合金线材或棒材的制造方法，特别是一种高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法。
背景技术
锌基合金是一种重要的有色金属合金，具有耐腐蚀，易加工，原料低廉等特性，在机械制造和防腐蚀材料等领域有广泛应用。锌基合金的熔点低，流动性好，一般的锌基合金的产品采用压铸工艺，即由液态直接加工成型，制造各种形状复杂的器件。然而，采用压铸工艺制造的锌基合金材料的冷却过程不均匀，使合金处于热力学非平衡状态，在使用过程中会存在过饱和固溶体的脱溶分解等过程，具有低的热稳定性和低的尺寸稳定性；在宏观上则表现为强度较低，面收缩率较低，并且延伸率一般低于15％，即韧性较低，使得材料在后续的机械加工过程中，存在很多难以解决的问题，从而限制了其在许多其他领域的应用。
高强度锌铝合金是近年来发展的一种新材料，其配方中铝的重量百分比一般大于10％，通过配方的改进其材料强度已经得到一定的提高。但是，就其制备方法而言，大部分的研究工作仍然局限于铸造工艺，使得材料的延伸率低，严重影响了高强度锌基合金的广泛应用。如美国Eastern Alloys有限公司通过对高铝的Zn-Al-Cu-Sb-Mg锌基合金大量的研究工作表明，铸造态锌基合金线材或棒材的抗拉强度可达480Mpa，而最大延伸率只有14％；Gen Haoren等人对牌号分别为ZA-27和ZAS35型的铸造锌基合金的热处理工艺改进使合金线材或棒材的强度可达到500Mpa，最大延伸率也只有11.5％(见Materials Science&EngineeringA，316(2001)109-114)。G.Purcek等对牌号为ZA-12的合金(Al：10％，Cu：0.84％，Mg：0.25％，Zn：余量，均为重量百分比)的综合测量结果表明，其强度为245MPa，延伸率为3％，面收缩率为5％，维氏硬度为100(见Journal of Materials ProcessingTechnology.1699(2005)242-248)。
高性能的合金往往具有优异的综合使用性能，任何一种性能的缺失都会大大降低材料的应用领域，合金的延伸率和面收缩率对其后续的零件和成品加工起到决定性的作用，因此，在已有配方的基础上有必要开发一种新的制造方法来提高材料的韧性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法。
本发明的技术方案为：该高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法，其生产工艺过程为：提供铝含量≥10wt％的锌基合金原料—熔炼—保温及挤压—拉拔—热处理—淬火；其中，保温及挤压温度在300～450℃范围内；热处理的温度在150～300℃范围内，时间在30～120min之间。
本发明使用金属塑性加工的手段，采用挤压和拉拔相结合的方法使锌基合金产生很大的塑性变形，在细化组织的同时产生大量的位错，在变形过程中阻止位错的滑移，使其合金的强度和韧性同时得到改善。在低温热处理过程中，通过相变诱发新的三元化合物的出现，增加平衡态组织的含量，并使基体组织进一步细化达到保持高强度的同时大大提高延伸率。
本发明使用的锌基母合金使用传统的感应熔炼，钢模或半连续铸造。在300～450℃温度范围内采用挤压的方法，将锌基母合金制成大于成品线材或棒材的胚料。将合金胚料采用拉拔与热处理相结合的方法，制成所需尺寸的线材或棒材。所述的拉拔工艺可以为单道或多道拉拔工艺，其中每道拉拔工艺导致的材料的截面积变形量在5％～50％的范围内。经过拉拔以后的线材或棒材经过低温(150～300℃)热处理30～120min后淬火即可保持高强度又具有很好的延伸率，其中，淬火工艺过程优选为水淬。
本发明高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法在所述的多道拉拔工艺之间还可以有退火过程，退火温度为350～420℃，退火时间为100～140min。
使用本发明的技术路线得到的高强度高韧性的锌基合金线材或棒材的最大抗拉强度可达600MPa，最大延伸率为22％。切削试验表明，切削形状为不连续的片状，表明具有很好的机加工性能。冷冲试验表明，将直径6mm的本发明锌基合金线材冷冲成直径9mm棒材没有发生开裂现象，冷冲的加工量可达50％，表明可以用于冷锻和冷冲等剧烈的冷加工。
本发明的优点在于：使用本发明的方法，可以得到同时具有高强度和高韧性的任何尺寸的锌基合金线材或棒材，其线材和棒材在保持高的抗拉强度、维氏硬度的基础上，其延伸率、面收缩率均有很大的提高。其线材和棒材可以加工成各种机械零件，例如螺丝，螺帽，拉杆和导线等。
附图说明
图1为本发明的对比例牌号为ZA-27的锌基合金在400℃挤压后的金相照片。
图2为本发明实施例1牌号为ZA-27的锌基合金经过拉拔后，200℃热处理1小时后水淬的金相照片。
具体实施方式
对比例
按照牌号为ZA-27的锌基合金配方(Al：26.5％，Cu：2.2％，Mg：0.05％，Zn：余量，均为重量百分比)投配料，采用传统的感应熔炼，经过400℃一个小时保温后，挤压成直径12.5mm的棒材。由图1可以看出，由于挤压态没有经过后续的拉拔和低温热处理工艺，组织比较粗大，肉眼可见黑白相间的合金相组织；经测试该材料的延伸率只有3％。
实施例1
按照牌号为ZA-27的锌基合金配方(Al：26.5％，Cu：2.2％，Mg：0.05％，Zn：余量，均为重量百分比)投配料，采用传统的感应熔炼，经过300℃一个小时保温后，挤压成直径12.5mm的棒材；经过1次拉拔到11mm，在400℃二个小时退火后，第2次拉拔到9.5mm，又经过400℃二个小时退火后，第3次拉拔到8.1mm，最后经过200℃热处理1个小时后水淬，得到所需线材。经测试，线材抗拉强度为420MPa，维氏硬度为118，延伸率为22％，面收缩率为62％。如图2所示，相对于对比例的合金，此挤压态的合金经过拉拔和低温热处理后，组织明显细化，在放大100倍的金相照片上，难以分辨相组织，这表明组织细化后延伸率可明显提高。
实施例2
按照牌号为ZA-27的锌基合金配方(Al：28.5％，Cu：2.0％，Mg：0.03％，Zn：余量，均为重量百分比)投配料，采用传统的感应熔炼，经过400℃半个小时保温后，挤压成12.5mm直径的棒材，经过一次拉拔到10.3mm后，截面积变形量为50％，在其后的150℃热处理60分钟后水淬。与实施例1不同的是实施例2只采用一道拉拔工艺，没有退火过程，并且热挤压温度不同。该棒材抗拉强度为460MPa，维氏硬度为128，延伸率为20％，面收缩率为60％。
实施例3
按照牌号为ZA-12的锌基合金配方(Al：10％，Cu：1.0％，Mg：0.05％，Zn：余量，均为重量百分比)投配料，采用传统的感应熔炼，经过450℃半个小时保温后热挤压成直径8mm的棒材，经过每次5％的截面积变形率，6次拉拔成直径7mm的线材，经过300℃半个小时热处理后水淬。与实施例1、2不同的是合金的配方(牌号)发生改变，并且热挤压温度和最后热处理温度也不同。该线材抗拉强度为408MPa，维氏硬度为105，延伸率为15％，面收缩率58％。
实施例4
按照文献Materials Science&Engineering A，316(2001)109-114公开的Zn-Al-Cu-Sb-Mg组成的锌基合金配方(Al：35％，Cu：1.6％，Mg：0.05％，Sb：1％，Zn：余量，均为重量百分比)投配料，采用传统的感应熔炼，经过380℃半个小时保温后，挤压成直径8mm的线材，经过每次30％的截面积变形量，拉拔成直径6mm的线材。其中每次拉拔中间经过400℃、2小时的消除应力退火，将拉拔后的线材经过250℃半个小时的热处理后水淬。与实施例1，2，3不同的是锌基合金的配方不同，变形量和热处理温度也有所不同。该线材抗拉强度为410Mpa，维氏硬度为108，延伸率为18％，面收缩率为55％。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，只要是采用铝含量≥10wt％的锌基合金原料，按照本发明的制造方法，都可以得到高强度高韧性的线材或棒材。在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法，其生产工艺过程为：提供铝含量≥10wt％的锌基合金原料—熔炼—保温及挤压—拉拔—热处理—淬火；其中，保温及挤压温度在300～450℃范围内；热处理的温度在150～300℃范围内，时间在30～120min之间。
2、根据权利要求1所述的高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法，其特征在于：所述的拉拔工艺为单道或多道拉拔工艺，每道拉拔工艺的截面积变形量在5％～50％之间。
3、根据权利要求2所述的高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法，其特征在于：在所述的多道拉拔工艺之间还有退火过程，退火温度为350～420℃，退火时间为100～140min。
4、根据权利要求1所述的高强度高韧性的锌基合金线材或棒材制造方法，其特征在于：所述淬火指水淬。
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