一種高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)高塑性Zn?Cu?Ti合金及其制備方法。該高強(qiáng)高塑性Zn?Cu?Ti合金，由以下重量百分比的組分組成：Cu 1.3％～1.6％，Ti 0.02％～0.06％，Mg 0.001％～0.003％，余量為Zn。本發(fā)明的Zn?Cu?Ti合金是將合金原料熔煉后，經(jīng)熱擠壓、單道次大變形量熱軋制備而成的；現(xiàn)有技術(shù)在制備變形鋅合金時(shí)，或采用多道次小變形量熱軋，或采用多次加熱退火工藝，工藝流程復(fù)雜，軋制效率低；該制備方法簡化了工藝流程，且所得Zn?Cu?Ti合金質(zhì)量好，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為≥251MPa，≥51.832％，相對(duì)于歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN988，抗拉強(qiáng)度和延伸率性能有大幅提高。
【專利說明】
一種高強(qiáng)高塑性Zn-Gu-T i合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于Zn-Cu-Ti合金領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是一個(gè)貧銅富鋅的國家，近年來，隨著我國銅加工的快速發(fā)展，國內(nèi)的銅資源 已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要，國內(nèi)原料銅的70%來自進(jìn)口，銅資源供給瓶頸日益明顯。發(fā)揮我 國鋅資源優(yōu)勢(shì)，開發(fā)高性能鋅合金材料，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及規(guī)?；瘧?yīng)用，在更廣泛的領(lǐng)域 實(shí)現(xiàn)"以鋅代銅"，可以進(jìn)一步降低國內(nèi)銅資源需求與供給矛盾，符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策。
[0003] Zn-Cu-Ti合金具有安全無毒(鋅是生物均衡和生長不可或缺的元素之一，雨水沖 刷鋅板的落水不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生任何不良影響）、自清潔、表面劃痕自修復(fù)(大大降低了 使用維護(hù)費(fèi)用）、1〇〇%被回收和循環(huán)利用的優(yōu)點(diǎn)，目前在排雨系統(tǒng)、建筑等領(lǐng)域不斷得到推 廣應(yīng)用。
[0004] 鋅合金品種中，鑄造鋅合金較脆，加工性能較差;高性能變形鋅合金已越來越得到 市場(chǎng)的青睞。目前，變形鋅合金的生產(chǎn)工藝為:配料-合金熔煉-連續(xù)鑄造-多道次雙機(jī)架 熱乳-卷取-冷乳-退火-剪邊(帶材)或矯直(板材)-檢驗(yàn)-包裝-入庫。CN104630560A 公開了一種具有高塑性的變形鋅合金及其制備方法和應(yīng)用；該變形鋅合金的組成為：Cu 0.1 %~5%，Ti 0.01 %~2%，余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)；其制備過程包括：1)通過熱頂 鑄造、半連續(xù)鑄造或水平連續(xù)鑄造生產(chǎn)圓形或者矩形鑄錠;2)鑄錠擠壓或者乳制，其擠壓或 乳制溫度為170~360°C;3)經(jīng)過至少兩次拉伸或者乳制和至少兩次熱處理后加工成成品， 其中熱處理溫度為120~380 °C，熱處理時(shí)間為1~1 Oh。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，變形鋅合金的生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，乳制效率低，所得產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度 和延伸率難以得到進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中，變形 鋅合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率低的問題。
[0007] 本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述Zn-Cu-Ti合金的制備方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，由以下重量百分比的組分組成：Cu 1.3%~ 1.6%，Ti 0.02%~0.06%，Mg 0.001%~0.003%，余量為Zn。
[0010] 優(yōu)選的，上述高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，由以下重量百分比的組分組成：Cu 1.5%，Ti 0.05%，Mg 0.002%，余量為Zn。
[0011 ]本發(fā)明提供的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-T i合金，由Cu、T i、Mg、Zn組成，其中Zn的作用為基 礎(chǔ)金屬，Ti可以明顯改變Zn-Cu-Ti合金的抗蠕變性能，Cu的添加可以提高合金的強(qiáng)度，Mg的 添加可以提高Zn-Cu-Ti合金的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變性能，各組分配比合理，協(xié)同作用，所得 Zn-Cu-Ti合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到264.333MPa，斷后延伸率達(dá)到52.6286%，較BSEN 988的標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定值分別提高76 %、50 %以上。
[00?2] 上述高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)在惰性氣體保護(hù)下，按配方取原料恪化，得到恪體;將恪體于560~610°C熔煉， 澆注成型，得到半成品；
[0014] 2)將半成品于300°C~320°C進(jìn)行熱擠壓，得到板坯；
[0015] 3)將板坯進(jìn)行單道次熱乳，控制乳制變形量為65%~70%，冷卻，即得。
[0016] 步驟1)中，熔煉的時(shí)間為30min~40min。澆注的溫度為500°C~520°C。該步驟中， 熔煉、澆注過程均在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行;惰性氣體優(yōu)選為氬氣。原料可選用鋅錠、海綿鈦、 鎂錠、H62黃銅(Cu-Zn中間合金，或純銅）。
[0017] 可使用高純石墨坩堝在真空中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉。熔煉前充入氬氣排氧，并盡可 能使中頻感應(yīng)爐內(nèi)氧含量達(dá)到更低水平，并保證氬氣在整個(gè)熔煉過程中的持續(xù)通入，以便 在高純氬氣保護(hù)下，防止合金元素在空氣中氧化燒損。在560°C~610°C熔煉期間，向熔體內(nèi) 持續(xù)通入氬氣以防止氧化;熔煉后澆入鑄鐵模具，在氬氣流保護(hù)下冷卻到300°C。優(yōu)選的，將 冷卻至300°C的半成品直接進(jìn)行步驟2)的熱擠壓過程。
[0018] 步驟2)中，熱擠壓前預(yù)熱模具;控制模具的預(yù)熱溫度比擠壓溫度低20°C，擠壓進(jìn)程 的變形熱、摩擦熱可以補(bǔ)償該部分溫度差。熱擠壓過程的出模速度為〇. 5m~lm/min。
[0019] 步驟3)中，單道次熱乳的溫度為230°C~280°C;乳制的線速度為1~5m/min。將熱 擠壓得到的板坯表面涂抹少量黑鉛(乳制潤滑），迅速放入乳機(jī)進(jìn)行乳制變形。乳制過程中 的乳制方向均不改變，單道次(一次性)連續(xù)乳制，中間無加熱退火程序，也不進(jìn)行測(cè)溫，乳 制后，為保證塑性變形的均勻平整，直接進(jìn)行剪邊(帶材)或矯直(板材），空冷至室溫即可。
[0020] 本發(fā)明提供的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金的制備方法，步驟1)整個(gè)熔煉過程在惰性 氣體保護(hù)下進(jìn)行，可最大限度地排氧、脫氧，防止合金元素在空氣氧化燒損;通過步驟2)熱 擠壓過程，焊合了氣泡、空隙、縮孔、疏松等鑄態(tài)缺陷；使鑄態(tài)組織中夾雜物和粗大柱狀晶、 樹枝晶第二相破碎細(xì)化并改變它們的分布狀態(tài)，有效改善材料性能;步驟3)采用單道次大 變形量連續(xù)乳制替代傳統(tǒng)的多道次小變形量熱乳(單道次壓下量10%~20%)，無需傳統(tǒng)工 藝流程中的鋅合金板材的生產(chǎn)開坯環(huán)節(jié)，中間無加熱退火程序，大大優(yōu)化了工藝流程，提高 了乳制效率。
[0021] Zn-Cu-Ti合金晶體為密排六方晶格結(jié)構(gòu)，滑移系少，當(dāng)滑移無法提供五個(gè)獨(dú)立的 滑移系時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)孿生以實(shí)現(xiàn)均勻變形。孿生所需壓力較大，為防止孿晶附近出現(xiàn)斷口， 壓縮率不能太大，傳統(tǒng)的鋅合金板材的生產(chǎn)開坯乳制變形率為8%~10%，開坯后乳制單道 次壓下量通常只能達(dá)到10%~20%。本發(fā)明的Zn-Cu-Ti合金的制備方法，采用熱擠壓配合 單道次大變形量連續(xù)乳制工藝，在提高Zn-Cu-Ti合金抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率的基礎(chǔ)上，簡 化了工藝流程，適于變形鋅合金的工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的Zn-Cu-Ti合金的XRD圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的Zn-Cu-Ti合金的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以下實(shí)施例中，0#鋅錠購自株洲冶 煉集團(tuán)有限公司，〇#海綿鈦(純度為99.7% )、1#鎂錠(純度為99.95% )及H62黃銅(Cu-Zn中 間合金)為市售常規(guī)品種;熔煉時(shí)Zn燒損量按2 %計(jì)，Mg燒損量按20 %計(jì)，Ti燒損量按5 %計(jì)， Cu燒損量不計(jì)。
[0025] 實(shí)施例1
[0026]本實(shí)施例的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，由以下重量百分比的組分組成:Cu 1.5%， Ti 0.05%，Mg 0.002%，余量為Zn。
[0027]本實(shí)施例的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金的制備方法，采用以下步驟：
[0028] 1)將0#鋅錠、0#海綿鈦、1#鎂錠及H62黃銅按合金成分進(jìn)行配料，得到合金原料;將 合金原料放入真空中頻感應(yīng)爐內(nèi)的高純石墨坩堝中，升溫使合金原料完全熔化，得到熔體； 將熔體于560°C下熔煉30min，熔體溫度達(dá)到500°C時(shí)，澆入Φ 70X210mm鑄鐵模具，冷卻至 300°C，得到半成品;熔煉、澆注、冷卻過程均在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；
[0029] 2)將半成品進(jìn)行于300°C進(jìn)行熱擠壓，得到70X 15mm板坯；該過程中，所用模具的 溫度為280°C，出模速度為0.7m/min;
[0030] 3)將板坯表面涂抹少量黑鉛用于乳制潤滑，放入乳機(jī)進(jìn)行單道次熱乳，乳制的溫 度為250°C，線速度為lm/min，變形量為70% ;乳制后剪邊，空冷至室溫，即得Zn-Cu-Ti合金 帶材。
[0031] 實(shí)施例2
[0032]本實(shí)施例的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，由以下重量百分比的組分組成:Cu 1.3%， Ti 0.02%，Mg 0.001%，余量為Zn。
[0033]本實(shí)施例的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金的制備方法，采用以下步驟：
[0034] 1)將0#鋅錠、0#海綿鈦、1#鎂錠及H62黃銅按合金成分進(jìn)行配料，得到合金原料;將 合金原料放入真空中頻感應(yīng)爐內(nèi)的高純石墨坩堝中，升溫使合金原料完全熔化，得到熔體； 將熔體于580°C下熔煉40min，熔體溫度達(dá)到510°C時(shí)，澆入Φ 70 X 210mm鑄鐵模具，冷卻至 300°C，得到半成品;熔煉、澆注、冷卻過程均在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；
[0035] 2)將半成品進(jìn)行于320°C進(jìn)行熱擠壓，得到70X 15mm板坯；該過程中，所用模具的 溫度為280°C，出模速度為0.5m/min;
[0036] 3)將板坯表面涂抹少量黑鉛用于乳制潤滑，放入乳機(jī)進(jìn)行單道次熱乳，乳制的溫 度為240°C，線速度為4m/min，變形量為65% ;乳制后矯直，空冷至室溫，即得Zn-Cu-Ti合金 板材。
[0037] 實(shí)施例3
[0038]本實(shí)施例的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，由以下重量百分比的組分組成:Cu 1.6%， Ti 0.06%，Mg 0.003%，余量為Zn。
[0039] 本實(shí)施例的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金的制備方法，采用以下步驟：
[0040] 1)將0#鋅錠、0#海綿鈦、1#鎂錠及H62黃銅按合金成分進(jìn)行配料，得到合金原料;將 合金原料放入真空中頻感應(yīng)爐內(nèi)的高純石墨坩堝中，升溫使合金原料完全熔化，得到熔體； 將熔體于610°C下熔煉30min，熔體溫度達(dá)到520°C時(shí)，澆入Φ 70 X 210mm鑄鐵模具，冷卻至 300°C，得到半成品;熔煉、澆注、冷卻過程均在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；
[0041] 2)將半成品進(jìn)行于310°C進(jìn)行熱擠壓，得到70X 15mm板坯；該過程中，所用模具的 溫度為280°C，出模速度為0.8m/min;
[0042] 3)將板坯表面涂抹少量黑鉛用于乳制潤滑，放入乳機(jī)進(jìn)行單道次熱乳，乳制的溫 度為260°C，線速度為5m/min，變形量為70% ;乳制后剪邊，空冷至室溫，即得Zn-Cu-Ti合金 帶材。
[0043] 試驗(yàn)例1
[0044] 檢測(cè)實(shí)施例1~3所得Zn-Cu-Ti合金的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率，具體試驗(yàn)方法參照 BS EN 988:1997的規(guī)定進(jìn)行，結(jié)果如表1所示。
[0045] 表1實(shí)施例1~3的Zn-Cu-Ti合金的性能檢測(cè)結(jié)果
[0047]由表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，本發(fā)明的Zn-Cu-Ti合金抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為多 251MPa，彡51.832%，相對(duì)于BS EN988的標(biāo)準(zhǔn)（彡150MPa，彡35% )，抗拉強(qiáng)度和延伸率性能 有大幅提尚。
[0048] 試驗(yàn)例2
[0049] 本試驗(yàn)例對(duì)實(shí)施例1的Zn-Cu-Ti合金進(jìn)行XRD、SEM和能譜(EDS)分析，結(jié)果如圖1、 圖2和表2所示。
[0050]表2實(shí)施例1的Zn-Cu-Ti合金(圖2)鑄態(tài)組織不同位置的能譜分析(at % )
[0052] 由圖1實(shí)施例1的Zn-Cu-Ti合金XRD圖可以看出，Zn-Cu-Ti合金主要由η相（Zn)、 TiZni6相、γ 相(Cu5Zn8)、ε相(CuZn5)、Mg2Zmi相五種物相組成。
[0053] 由圖2及表2可以看出，Zn-Cu-Ti合金由黑色的η相(Zn)基體（圖中A點(diǎn)）、粗大骨骼 狀ε相(CuZn5)、少量γ相(Cu 5Zn8)(圖中B點(diǎn)）、纖維狀或針片狀TiZn16共晶組織（圖中C點(diǎn)）組 成。各相之間結(jié)合緊密，無氣泡、空隙、縮孔、疏松等鑄態(tài)缺陷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高強(qiáng)高塑性Zn-CU-Ti合金，其特征在于，由以下重量百分比的組分組成：Cu 1.3%~1.6%，Ti 0.02%~0.06%，Mg 0.001%~0.003%，余量為Zn。2. 如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金，其特征在于，由以下重量百分比的組 分組成:Cu 1.5%，Ti 0.05%，Mg 0.002%，余量為Zn。3. -種如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高塑性Zn-Cu-Ti合金的制備方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 在惰性氣體保護(hù)下，按配方取原料熔化，得到熔體;將熔體于560~610°C熔煉，澆注 成型，得到半成品； 2) 將半成品于300°C~320°C進(jìn)行熱擠壓，得到板坯； 3) 將板坯進(jìn)行單道次熱乳，控制乳制變形量為65 %~70 %，冷卻，即得。4. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中，熔煉的時(shí)間為30~40min。5. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中，澆注的溫度為500°C~520°C。6. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，熱擠壓過程的出模速度為 0 · 5m ~lm/min〇7. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中，單道次熱乳的溫度為230°C~ 280。。。8. 如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，乳制的線速度為1~5m/min。9. 如權(quán)利要求3~8所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體為氬氣。
【文檔編號(hào)】C22C18/02GK105950913SQ201610562258
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月15日
【發(fā)明人】宋克興, 冀盛亞, 莫長春, 李紅霞, 張學(xué)賓, 霍福鵬, 張維娜, 李曉孟, 楊少丹
【申請(qǐng)人】河南科技大學(xué)