一种耐蚀锌合金及其制备方法与流程

文档序号:12645848阅读:391来源:国知局

本发明属于有色金属材料技术领域,具体涉及一种耐蚀锌合金及其制备方法。



背景技术:

锌合金熔点低、力学性能好、加工能耗低、原材料廉价易得,可以有效地节约材料和生产成本。目前,锌合金已在五金日用、机械配件、建材装饰、电子元件、仪器仪表、纪念币等方面获得广泛应用,同时锌合金在很多方面还具有潜在的应用前景。

在锌合金中,变形锌铜钛合金作为结构材料被应用广泛。通常使用的变形锌铜钛合金的含铜量为0.5%~1.5%,含钛量为0.1%~0.5%。锌铜钛合金中Cu和Ti共同作用使得其具有优良物理特性和力学特性,主要表现为:较高抗蠕变性,蠕变变形量达到1%所需要的时间为纯锌的近500倍;热膨胀系数比纯锌降低约30%;抗拉强度媲美α黄铜退火态,比纯锌提高超过50%;成型和机加工特性优良。然而,锌铜钛合金制品在实际使用过程中,尤其是应用于五金、卫浴、装饰等含Cl-的潮湿环境里,此合金易出现晶间腐蚀、点蚀等情况,造成表面质量下降,尺寸不稳定,抗老化性能降低,严重限制了其应用范围。虽然可以采用镀覆方法对锌合金加以保护,提高其耐蚀性能,但由于加工和使用过程中总有一些因素可能造成镀覆层的损伤脱落,使锌基体暴露于腐蚀介质中,形成局部腐蚀。因此,提高锌合金本身的耐腐蚀性能才是促进锌合金应用的关键,也一直是行业高度关注的一个重要技术问题。

相关研究表明,在锌基体中添加不同的合金元素并调整其添加范围,可提高锌合金的耐蚀性。行业中常见的添加元素有铝、铜、镁、钛、镍、锰、铬和稀土元素等。而含Be耐蚀锌合金在现有技术中还未有记载。



技术实现要素:

本发明主要是为了解决变形锌铜钛合金在含Cl-潮湿环境中具有较低耐腐蚀性能的问题,提供一种耐蚀锌合金成分及其熔炼制备方法。所述耐腐蚀锌合金,由锌、铜、镍、钛、铍、稀土和不可避免的杂质组成,通过调节和优化Zn与Cu、Ti、Ni、Be、La、Ce等合金元素之间的配比,在保证多元锌合金的力学性能的同时,使其耐腐蚀性能也得到提高。

本发明一种耐蚀锌合金,所述耐蚀锌合金中含有铍。

本发明一种耐蚀锌合金,其特征在于:所述耐蚀锌合金中,铍的质量百分含量为0.01~0.05%。

本发明一种耐蚀锌合金,其特征在于:所述耐蚀锌合金中含有Ni,所述耐蚀锌合金中,Ni的质量百分含量为0.50~1.00%。

本发明一种耐蚀锌合金,所述耐蚀锌合金中含有铜、镍、钛、铍、稀土元素和锌。

作为优选方案,本发明一种耐蚀锌合金,以质量百分比计包括下述组分:

铜0.50~1.00%,

镍0.50~1.00%,

钛0.05~0.20%,

铍0.01~0.05%,

镧0.001~0.01%,

铈0.002~0.01%,

杂质含量≤0.05%;

余量为所述锌。

作为进一步的优选方案,本发明一种耐蚀锌合金,以质量百分比计包括下述组分:

铜0.50~0.75%,如0.50%、0.52%、0.55%、0.58%、0.6%、0.62%、0.64%、0.68%、0.71%、0.73%、0.75%均可作为进一步的优选方案;

镍0.50~0.75%,如0.50%、0.53%、0.58%、0.61%、0.62%、0.64%、0.66%、0.68%、0.71%、0.73%、0.75%均可作为进一步的优选方案;

钛0.05~0.10%,如0.05%、0.06%、0.07%、0.082%、0.091%、0.1%均可作为进一步的优选方案;

铍0.01~0.02%,如0.01%、0.011%、0.012%、0.013%、0.014%、0.015%、0.016%、0.017%、0.018%、0.019%、0.02%均可作为进一步的优选方案;

镧0.003~0.006%,如0.003%、0.004%、0.005%、0.006%均可作为进一步的优选方案;

铈0.005~0.01%,如0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%均可作为进一步的优选方案;

杂质含量≤0.05%;

余量为所述锌。

本发明一种耐蚀锌合金的制备方法,包括下述步骤:

步骤一

按设计组分配取铜源、镍源、钛源、铍源、稀土源、锌源;

步骤二

将配取的铜源、镍源、钛源、铍源、稀土源、锌源加入熔炼炉内熔炼,浇铸得到铸锭;

步骤三

于320~390℃对步骤二所得铸锭进行保温,保温后,出炉空冷,得到耐蚀锌合金。

本发明一种耐蚀锌合金的制备方法,

步骤一中所述铜源为电解铜和铍青铜、铍源为铍青铜,所述电解铜进一步优选为纯度在99.9%以上的电解铜;所述铍青铜,进一步优选为QBe2铍青铜。

步骤一中所述镍源、钛源为Zn-Ni-Ti三元中间合金、优选为Zn-10Ni-2Ti三元中间合金;进一步优选为采用真空熔炼制备的Zn-10Ni-2Ti三元中间合金。

步骤一中所述锌源为纯锌和Zn-Ni-Ti三元中间合金,所述Zn-Ni-Ti三元中间合金优选为Zn-10Ni-2Ti三元中间合金;进一步优选为采用真空熔炼制备的Zn-10Ni-2Ti三元中间合金。

步骤一中所述稀土源为镧、铈混合稀土。作为优选,所述镧、铈混合稀土中Ce为65wt.%,La为34wt.%,余量为其它稀土元素。为了工业化生产,镧、铈混合稀土为市购Ce+La混合稀土。

本发明一种耐蚀锌合金的制备方法,当所述铜源为电解铜和铍青铜,所述铍源为铍青铜,所述镍源、钛源为Zn-Ni-Ti三元中间合金,所述锌源为纯锌和Zn-Ni-Ti三元中间合金,所述稀土源为镧、铈混合稀土时,先将配取的电解铜、铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金置于高纯度石墨坩埚底部,再将配取的纯锌置于电解铜、铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金之上,然后将石墨坩埚放入中频感应炉,先升温至纯锌熔化,再升温至900~1000℃,待电解铜、铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金完全溶化后搅拌均匀,降温至800~850℃,再将配取的镧、铈混合稀土用锌箔包好,放入熔炼炉内,熔炼,静置,待熔体温度降至680~720℃后浇铸在钢质模具中,得到铸锭。所述锌箔用纯锌制备。所述纯锌为工业纯锌。

本发明一种耐蚀锌合金的制备方法,步骤三中,将步骤二所得铸锭放入加热炉内,于320~390℃、优选为350℃,保温2~3小时、优选为2.5小时,保温后,出炉空冷,得到耐蚀锌合金。

本发明一种耐蚀锌合金的制备方法,其熔炼方式为非真空熔炼。

原理和优势

本发明涉及的一种耐蚀锌合金是在工业纯Zn基础上添加适量铜、镍、钛、铍和稀土元素而形成的一种具有良好耐腐蚀性能的锌合金,该合金制品可用于五金、卫浴、装饰等含Cl-潮湿环境中。五金用的变形锌合金材料,不仅要求成型和机加工特性优良,在潮湿环境中更要求良好的耐腐蚀性能。

本发明往锌合金中加入适量的Be,在熔炼时可减少熔渣、提高纯洁度、改善流动性;得到合金后,所加Be可在合金表面可形成一层致密保护性氧化薄膜,可减少室温下Zn合金表面氧化和腐蚀。同时合金中的Be还能使脆性杂质Fe的金属间化合物形貌发生改变,从而改善合金的强度和塑性。

本发明选择加入适量的Ni元素,通过Ni、Be协同作用,可抑制电化学腐蚀的阴极反应,改变腐蚀产物,形成致密的碱式氯化产物薄膜,该薄膜导电性较差,从而阻断锌合金的进一步腐蚀。

本发明中,适量稀土元素的加入可以细化基体组织,减少枝晶数量和枝晶间距;稀土还可与偏聚于晶界处的杂质作用从而减轻偏析。稀土Ce能很明显细化铸态组织,提高合金力学性能和抗局部腐蚀性能;La可以细化锌合金的初生相α相,改善相的形貌和分布,提高合金的塑性和强度性能。对合金进行350℃/2.5h的热处理,可以使合金成分偏析降低,组织更为稳定,因此耐腐蚀性能得到提高。

本发明与现有锌铜钛合金相比具有下列优点和效果:

(1)制备工艺简便:采用在纯锌中加入铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金,并且用锌箔包覆稀土元素,进行分级混合熔炼,操作方便,可保证成分均匀稳定。

(2)耐蚀性能优良:加入Ni和Be均能形成致密薄膜,可以阻碍腐蚀介质与材料表面的接触,抑制腐蚀的进一步发展。分别在自来水和3.5wt.%NaCl溶液中进行电化学实验,本发明的合金的腐蚀电位均变正,腐蚀电流密度显著变小,意味着腐蚀速率大大降低。

(3)综合性能好:通过添加适量稀土元素,使合金组织细化,因此,合金在耐腐蚀性能得到明显的提高的同时,还具有良好的力学性能。测试结果显示,本发明的合金在铸态下经350℃/2.5h的均匀化热处理,抗拉强度达120MPa以上,伸长率达8%以上;经一定道次的热变形和170~220℃/6h退火处理后,抗拉强度可达220MPa以上,伸长率达35%以上。

具体实施方式

以下通过实施例,对本发明的技术方案作进一步具体说明。需要说明的是,以下实施例和对比例仅用于解释本发明,而不应视为对本发明的权利要求的范围的限制。

实施例与对比例

本发明先将配取的电解铜、铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金置于高纯度石墨坩埚底部,再将配取的纯锌置于电解铜、铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金之上,然后将石墨坩埚放入中频感应炉,先升温至纯锌熔化,再升温至900~1000℃,待电解铜、铍青铜、Zn-Ni-Ti三元中间合金完全溶化后搅拌均匀,降温至800~850℃,再将配取的镧、铈混合稀土用锌箔包好,放入熔炼炉内,熔炼,静置,待熔体温度降至680~720℃后浇铸在钢质模具中,得到铸锭。然后对合金进行350℃/2.5h均匀化热处理。最后对合金取样进行电化学腐蚀实验。

各实施例和对比例的合金成分见表1,电化学腐蚀实验数据见表2。

表1各实施例和对比例的合金成分(wt.%)

表2各实施例与对比例产品电化学腐蚀性能参数

由表2中的数据可见,采用本发明优化的合金化配比,实施例1、2、3均取得了较好的耐腐蚀性能。对比例1因合金配比缺少Ni,其腐蚀电位负于实施例1和实施例2,更容易受到腐蚀;在腐蚀开始后,腐蚀电流密度大大增加,对比例1在自来水中的腐蚀速率约为实施例1的8.9倍,在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀速率则为6.8倍。由上述对比可知,Ni元素的添加可以提高锌合金的耐腐蚀性能,这是由于Ni元素抑制了电化学阴极反应,促进碱式氯化锌薄膜的形成,进一步阻碍锌合金的腐蚀。

对比例2的合金配比缺少Be,腐蚀电位变负,在自来水中的腐蚀速率约为实施例1的7.8倍,在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀速率则为5.9倍。由上述对比可知,Be元素的添加可以提高锌合金的耐腐蚀性能,这是因为Be可在合金表面可形成一层致密保护性氧化薄膜,可减少室温下Zn合金表面氧化和腐蚀。

对比例3的合金配比缺少稀土元素,腐蚀电位变负,在自来水中的腐蚀速率约为实施例1的3.7倍,在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀速率则为4.1倍。稀土元素在锌合金中主要起细化晶粒和净化熔体的作用。

对比例4的合金配比缺少Ni、Be,腐蚀电位变负,且其在自来水中的腐蚀速率约为实施例1的8.9倍,在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀速率则为7.6倍,由实施例1和对比例1、2、4主要说明了Ni与Be可能存在协同作用。

通过实施例1与实施例2、3的对比发现,组分优化后,实施例1所得产品的耐腐蚀性能优于实施例2和实施例3。

可见,本发明的耐蚀锌合金的腐蚀电位较正,不易发生腐蚀,在腐蚀发生后,其腐蚀速率小,大大减速了材料因腐蚀而老化的过程,从而为新产品开发提供了有效的技术途径。

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