专利名称：一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金及其制备方法
技术领域：
本发明公开了一种锌合金及其制备方法，特别是指一种含Cr的抗蠕变挤压锌合 金及其制备方法；属于金属合金材料制造技术领域。
背景技术：
较低的蠕变抗力是限制变形锌合金推广应用的主要瓶颈之一。为提高锌合金的抗 蠕变能力，国外有些研究者对锌合金的变形机制、合金化及工艺条件等方面进行了一定的 研究。变形锌合金直到进入上世纪60年代后，由于冶炼、加工技术的进步，改善锌合金物理 性能和综合性能的研究工作进展加快，尤其是高强度抗蠕变锌合金熔炼工艺、加工工艺的 掌握，打破了锌合金不能作为结构材料使用的限制。上世纪90年代后期，日本对冷锻、耐热 和铸造锌合金进行了一系列的研究，在材料的强度和抗蠕变性能上取得了一定的进展，但 综合性性能还有待改进，特别是在挤压锌合金这方面做的研究很少。国内锌铜系合金的研究几乎为空白，自上世纪90年代末以来，广州冶金研究所、 中南大学等对锌铜系合金进行了初步研究，但研究内容狭窄，研究不够系统和深入。1999年 广东冶金研究所为广州锌片厂连铸连轧生产线试制了几个牌号的锌铜钛合金产品，其抗蠕 变性能有所提高，但是不够显著。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理的含Cr的抗蠕 变挤压锌合金及其制备方法，所制备的锌合金是一种适合挤压的变形锌合金，具有优异的 抗蠕变性能和综合性能。本发明的目的是通过以下方式实现的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬0.05 3.0%;铜0.5 2. 5%;钛0.1 0.3%;其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。作为优选，合金各组分的质量百分比为铬0. 1 2. 8% ；铜0.6 2. 2%;钛0.15 0.25%;其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬0.05 3.0%;铜0.5 2. 5%;钛0.1 0.3%;
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铝0.1 1.0%;其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。作为优选，合金各组分的质量百分比为铬0.05 3.0%;铜0.5 2. 5%;钛0.1 0.3%;铝0.25 0.8%;其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。作为进一步优选，合金各组分的质量百分比为铬0.1 2. 8%;铜0.6 2. 2%;钛0.15 0.25%;铝0.25 0.8%;其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。所述含Cr的抗蠕变挤压锌合金的制备方法是合金采用覆盖保护方法进行熔炼， 铬、铜、钛分别以Cu-Cr、Zn-CiuZn-Ti中间合金形式加入，而锌、铝则分别以纯锌、纯铝形式 加入，熔炼温度为630 720°C，待合金熔液混合均勻后，在450 500°C浇铸成铸锭；铸锭 经360 380°C均勻化处理6 IOh后，在240 320°C挤压成形，挤压比为15 38 ；挤压 后在180 220°C退火1 3h。所述Zn-Ti中间合金的制备方法是将占Zn-Ti中间合金总质量4 8%的纯Ti 加入Zn熔液中熔炼，熔炼温度830 920°C，待Ti全部熔化并混合均勻后，保温25 35分 钟，然后浇铸成铸锭。本发明一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金的制备方法所述的熔炼是在中频感应电 炉中进行。本发明由于采用上述组分及制备方法，使铜、铬与锌形成CuZn4和CrZn17金属间化 合物第二相，这种金属间化合物第二相熔点高，硬度高，稳定性强，多分布于晶界处，在蠕变 过程中稳定晶界和阻碍位错运动，提高合金的蠕变抗力，达到抗蠕变的效果。其次，Ti也可 与锌生成硬的TiZn15第二相，弥散分布于基体，提高合金的抗蠕变性能。在240 320°C温 度下挤压的过程中第二相被破碎，使这些第二相能更细小且弥散分布，能有效提高合金抗 蠕变性能和综合性能。同时又添加了 Al，细化晶粒，同时促使第二相颗粒均勻分布，减少了 有害杂质的偏聚，从而有效抑制了材料的脆性倾向和腐蚀倾向，提高了合金的抗蠕变性能、 力学性能和耐腐蚀性能。另外，由于Cu、Cr和Ti等合金元素的加入，提高了合金的再结晶 温度，有效抑制了合金再结晶晶粒的长大，进一步提高了合金的抗蠕变性能。各组分在合金 中的作用机理详述于下Cr在常温下几乎不溶于锌，Cr能细化晶粒，强化合金，铬与锌可以生成硬而稳定 的金属间化合物CrZn17分布于晶界处，在蠕变过程中稳定晶界和阻碍位错运动，提高合金 的蠕变抗力，达到抗蠕变的效果；Cr提高了合金的再结晶温度，有效抑制了合金再结晶晶 粒的长大，进一步提高了合金的抗蠕变性能。实验证明，Cr含量太低晶粒细化不明显，而且 几乎没有CrZn17生成，对提高抗蠕变性能作用不大；但是含量(质量分数％)超过3.0%时，
5金属间化合物CrZn17过多偏聚于晶界，合金的塑性大大降低。因此我们把Cr含量(质量分 数％ )定在0. 05 3. 0%时，合金的抗蠕变性能和综合性能最好。Cu的作用主要表现在以下几个方面一是Cu固溶于Zn基体中产生固溶强化，二 是，形成金属间化合物ε相(CuZn4),产生第二相强化。常温下Cu在锌中的固溶度非常小， 由相图可知，当铜含量(质量分数％)超过1.25%时，铜会与锌生成ε相(CuZn4)分布于 晶界，使合金具有优异的抗蠕变性能和良好的综合性能；当铜含量太低时，合金强化效果不 明显，而且不会生成ε相(CuZn4)或者生成太少，因此对抗蠕变性能几乎没有影响；当铜含 量过高时，晶界处生成的ε相(CuZn4)太多而导致合金塑性急剧下降，经过大量试验分析， 最后把铜含量(质量分数％)定在0.5 2.5%之间，这样才能保证合金在具有好的抗蠕变 性能的同时也能获得好的综合性能。试验中还发现，当晶界ε相过多时，会促使晶间腐蚀， 使合金的抗蚀性能变差。Al可以细化晶粒，还起到固溶强化的作用，使合金的抗拉强度和抗蠕变强度明显 提高，对提高合金的耐腐蚀性能也有一定的作用。合金在熔炼过程中，Al能较大程度的提 高锌液的流动性，从而改善其铸造性能，而且铝在熔液表面形成一层致密的氧化层，并能造 渣，可以防止合金氧化，对提高合金的铸造性能有很大的好处。本发明合金中Al的添加量 (质量分数％)为0.1 1.0%。Ti可以与锌反应生成金属间化合物TiZn15，分布于晶界处，对提高合金的抗蠕变 性能有很好的补充作用；另外，Ti作为一种变质剂加入，主要是细化基本相，并改善脆性化 合物，杂质及夹杂等第二相的形态及分布。本发明Ti的添加量(质量分数％ )为ο. 1 0. 3%。综上所述，本发明组分配比合理，所制备的锌合金是一种适合挤压的变形锌合金， 具有优异的抗蠕变性能和综合性能，特别适用于卫浴水暖，五金以及汽车制造业零部件等 领域，是一种非常具有应用前景的材料。
具体实施例方式以下结合具体实施例1-9对本发明作进一步详细说明。本发明实施例中含Cr抗蠕变挤压锌合金的生产工艺流程如下原材料准备及配料-------制备中间合金------合金熔铸------均勻化处
理------铸锭挤压------退火------检验成品。具体可以表述如下采用覆盖保护方法在中频感应炉中熔炼抗蠕变锌合金，铬、 铜、钛分别以Cu-Cr、Zn-Cu, Zn-Ti中间合金形式加入，而锌、铝则分别以单质形式加入，熔 炼温度为630 720°C，使铬、铜、钛和铝在锌熔液快速熔化并混合均勻后，在450 500°C 下铸造成锌合金铸锭。铸锭经360 380°C均勻化处理6 10h，然后在240 320°C下挤压 成圆棒，挤压比为15 38，挤压后在180 220°C退火1 3h，最后检验成品。其中Zn-Ti 中间合金的制备方法是将占Zn-Ti中间合金总质量4 8%的纯Ti加入Zn熔液中熔炼， 熔炼温度为830 920°C，待Ti全部熔化并混合均勻后，保温30分钟，合金在中频感应炉中 熔炼；Cu-Cr中间合金的制备方法是将占Cu-Cr中间合金总质量3 7%的纯Cr加入Cu 熔液中熔炼，熔炼温度为1150 1250°C，合金在中频感应炉中熔炼。本发明实施例1-9的含Cr的抗蠕变挤压锌合金成分如表1，按本发明工艺方法将实施例1-9的合金熔成铸锭并挤压成圆棒，具体制备工艺参数如表2 ；此外，以Zn-Cu-Ti合 金作为对比例，对比例合金具体成分如表1，合金制备工艺参数如表2。对实施例及对比例合金进行蠕变性能和室温力学性能检测。蠕变试验在RWS50电 子蠕变松弛试验机上进行，将试样放置在保持恒温(可自动调节温度)的加热炉内，保证 上、中、下三段温度波动控制在士l°c，实现恒温加载。试验机通过电子控制调节保持恒载， 在升温前，对试样施加不超过总试验力10%的初始力，试验机在使用范围内力值相对误差 不大于士 1%，示值相对变动度不大于1.0%。应变测量采用固定在试件上的特殊引长夹 具，将夹具的端部从炉中引出，然后采用两个轴向引伸计双侧测量夹具的位移，试验前用适 当增量的力检查引伸计的装卡质量，必要时对引伸计进行调整，使两侧读数的平均值与任 一侧读数之差除以平均值的百分比不大于15%。用计算机对整个试验过程进行控制与数据 采集，实时记录轴力、变形等。蠕变加载应力为70Mpa，温度是室温25°C。实施例1_9制备 的合金及对比例合金性能指标如表3。表1实施例及对比例合金组成(质量分数％ ) 表2合金制备工艺参数 表3合金性能检测结果
实施例及对比例合金抗拉强度 /MPa伸长率 /%蠕变速率(ε, Vs"1实施例 1: Zn-Cr-Cu-Ti287.329.49.23χ10-9实施例 2: Zn-Cr-Cu-Ti280.130.68.89χ10-9实施例 3: Zn-Cr-Cu-Ti261.236.43.14χ10_9实施例 4: Zn-Cr-Cu-Ti268.135.23.35χ10-9实施例 5: Zn-Cr-Cu-Ti270.331.73.31χ10-9实施例 6: Zn-Cr-Cu-Ti255.337.66.42χ10-9实施例 7: Zn-Cr-Cu-Ti-Al276.930.62.11χ10_9实施例 8: Zn-Cr-Cu-Ti-Al285.428.81.08χ10_9实施例 9: Zn-Cr-Cu-Ti-Al282.429.31.62χ10_9对比例Zn-Cu-Ti242.330.21.22χ10-8 比较表3本发明实施例1-9及对比例合金的性能检测结果，可以看出，本发明含Cr 的抗蠕变挤压锌合金比对比例Zn-Cu-Ti合金具有更加优异的抗蠕变性能和综合性能。这 表明本发明组分配比合理，所制备的锌合金是一种适合挤压的变形锌合金，具有优异的抗 蠕变性能和综合性能，特别适用于卫浴水暖，五金以及汽车制造业零部件等领域，是一种非 常具有应用前景的材料。
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权利要求
一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬0.05～3.0％；铜0.5～2.5％；钛0.1～0.3％；其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0.05％。
2.根据权利要求1所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬 0. 05 3. 0% ； 铜 0. 5 2. 5% ； 钛 0. 1 0. 3% ； 铝 0. 1 1. 0% ；其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。
3.根据权利要求1所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬 0. 1 2. 8% ； 铜 0. 6 2. 2% ； 钛 0. 15 0. 25% ；其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。
4.根据权利要求2所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬 0. 05 3. 0% ； 铜 0. 5 2. 5% ； 钛 0. 1 0. 3% ； 铝 0. 25 0. 8% ；其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。
5.根据权利要求2所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，按质量百分比由下述组分组成铬 0. 1 2. 8% ； 铜 0. 6 2. 2% ； 钛 0. 15 0. 25% ； 铝 0. 25 0. 8% ；其余为锌和不可避免的杂质，杂质的总含量不大于0. 05%。
6.制备如权利要求1或2所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金的方法，包括下述步骤(1)合金采用覆盖保护方法进行熔炼，铬、铜、钛分别以Cu-Cr、Zn-Cu,Zn-Ti中间合金 形式加入，而锌、铝则分别以纯锌、纯铝形式加入，熔炼温度为630 720°C，待合金熔液混 合均勻后，在450 500°C浇铸成铸锭；(2)铸锭经360 380°C均勻化处理6 IOh后，在240 320°C挤压成形，挤压比为 15 38 ；(3)挤压后，在180 220°C退火1 3h。
7.根据权利6所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金的制备方法，其特征在于所述 Zn-Ti中间合金是将占Zn-Ti中间合金总质量4 8 %的纯Ti加入Zn熔液中熔炼，熔炼温 度830 920°C，待Ti全部熔化并混合均勻后，保温25 35分钟，再浇铸成铸锭。
8.根据权利6或7所述的一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金的制备方法，其特征在于所 述熔炼是在中频感应炉中进行。
全文摘要
一种含Cr的抗蠕变挤压锌合金，属金属材料制造技术领域。合金按质量百分比由下述组分组成铬0.05～3.0％、铜0.5～2.5％、钛0.1～0.3％，其余为锌及总量不大于0.05％的杂质。合金组分按质量百分比还可以含有铝0.1～1.0％。其制备方法是采用覆盖保护法进行熔炼，合金元素分别以纯锌、纯铝和Cu-Cr、Zn-Cu、Zn-Ti中间合金的形式加入，熔炼温度为630～720℃，待合金熔液混合均匀后，在450～500℃浇铸，铸锭经360～380℃均匀化处理6～10h后，在240～320℃进行挤压成形，挤压比为15～38，然后在180～220℃退火1～3h。本发明组分配比合理，所制备的锌合金是一种适合挤压的变形锌合金，具有优异的抗蠕变性能和综合性能。
文档编号C22C1/03GK101914704SQ201010246298
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者刘彦, 孙泉胜, 李威, 毛海军, 王艳, 肖来荣, 胡加瑞 申请人:中南大学