CN101058859A - 一种高强度易切削锌基合金及其制备工艺 - Google Patents

一种高强度易切削锌基合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种高强度易切削锌基合金及其制备工艺，所述的合金包括：铜2.5－2.65％，镁0.45－0.60％，铝0.20－0.35％，镧0.01－0.06％，铈0.15－0.20％，余量为锌，以上均以重量百分比计。本发明是一种可有效地保证合金的强度与切削性能，原材料廉价易得，且绿色环保的可替代较昂贵的铅黄铜和不锈钢产品的高强度易切削锌基合金。本发明还提供了可很好制备上述高强度易切削锌基合金的工艺，该工艺简单，节约能源，可实现挤压成型。

Description

一种高强度易切削锌基合金及其制备工艺
技术领域
本发明属于合金新材料领域，更具体地说涉及一种替代铅黄铜作普通结构件的锌基合金材料及其制备工艺。
背景技术
从二十世纪三十年代以来，在全世界范围内就开始出现铜资源紧张的局势，导致铜原料价格越来越昂贵。我国铜资源先天不足，寻找铜的替代材料的研究迫在眉睫。而我国锌资源却非常丰富，且锌基合金制备工艺简单、能耗低、污染小，因此以锌代铜是一种较为理想的选择。目前广泛用于水暖卫浴以及装饰行业的黄铜材料一般都含有1％-5％的铅，铅易溶出，造成环境污染，危害人的健康。因此，以廉价易得、绿色环保的锌基合金取代含铅有毒的黄铜材料用作普通结构件，具有显著的经济和社会效益。
新开发的锌基合金要取代铅黄铜必须满足四个方面的基本要求：无铅(或低铅)、切削性能好、能实现挤压成型、有足够高的强度。强度要求较容易达到，通过原料控制和精炼，无铅(或低铅)的要求也不难满足，但实现锌基合金的挤压成型和保证其良好的切削加工性能则通常是很难同时满足的。锌是一种密排六方晶型的金属，滑移系少，塑性变形能力差，因此到目前为止我国尚未有实现锌基合金挤压生产的报道。而要实现锌基合金的推广应用，挤压加工是一种效率很高的方法；良好的切削性能是用户的必然要求，因为铅黄铜中加入铅的目的就是为了提高其切削性能。此外，作为普通结构材料，成本问题也是必须考虑的因素。
目前应用最广泛的锌基合金是Zn-Al系合金，该系合金具有极好的热成形性能，能对其进行超塑性大变形，且该系合金的比强度很高。但Zn-Al系合金的切削性能很差，且晶间腐蚀倾向严重，不能成为典型铅黄铜HPb59-1的替代材料。
应用最广泛的能替代铅黄铜作结构件的变形锌合金主要是Zn-Cu-Ti合金，它具有强度高、抗蠕变性能好等一系列优异性能。但由于该合金中加入了Ti，使得锌基合金的成本增加，很难在日用产品领域得到推广应用。
据文献报道(蔡强.锌合金[M].长沙：中南工业大学出版社，1987。孙连超，田荣璋.锌及锌合金物理冶金学[M].长沙：中南工业大学出版社，1994)，德国曾经研究开发出一种在280-350℃温度范围内能挤压成型的锌铜基合金，具有较好的综合性能，其主要化学成分为Zn-(3.7-4.0)％Cu-(0.2-0.3)％Mg-(0.05-0.2)％Al-(0.25-0.4)％Bi，应用于对高速切削质量要求极为严格的加工领域；并且通过在该合金中加入Pb(0.6-0.8)％和Ti(0.02-0.5)％，同时将Bi含量降低一半，可进一步改善其高速切削性能。但是该合金力学性能及尺寸稳定性差，美国的兵器部门在生产这种材料的挤压棒材时并未成功。
Zn-Pd系合金具有很好的切削性能，但该系合金不能实现挤压成型；且由于有毒元素Pd的存在，其加工和使用过程中易造成环境污染。
总之，除本发明外，能取代HPb59-1铅黄铜并实现工业化生产的锌基合金在国内尚未见公开报导。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种可有效地保证合金的强度与切削性能，原材料廉价易得，且绿色环保的可替代较昂贵的铅黄铜和不锈钢产品的高强度易切削锌基合金。
本发明的另一目的旨在提供可很好制备上述高强度易切削锌基合金的工艺，该工艺简单，节约能源，可实现挤压成型。
本发明的目的是通过下述方式实现的：
一种高强度易切削锌基合金，包括铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％，余量为锌，均以重量百分比计。
所述的合金还包括杂质0.1-0.3％，以重量百分比计。杂质为铁、铅等。
所述的高强度易切削锌基合金的制备工艺为：按重量百分比将铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％加入锌锭中熔炼，搅拌并扒渣；静置后在680-760℃浇铸；采用水冷钢模铸造；将得到的铸锭挤压成型，铸锭的加热温度为350℃-410℃，挤压比为12-18；最后将挤压成型的合金在温度为220-270℃下保温20-40分钟进行退火处理，出炉空冷。
本发明的主要优点表现在：(1)合金配方原料价廉易得；(2)熔炼温度低，可节约能源；(3)加工工艺简单，易于控制，可实现工业化生产；(4)切削性能良好(接近于HPb59-1铅黄铜)；(5)热加工性能好，可实现挤压成型；(6)挤压后抗拉强度高；(7)耐腐蚀性能良好，没有
Figure A20071003506300041
间腐蚀倾向；(8)尺寸稳定性高；(9)最重要的是不含铅，是绿色环保材料，可替代较昂贵的铜和不锈钢直接用于制作手表链等日用品和工业产品。
通过本发明的推广应用，实现以锌代铜，可在一定程度上缓解铜资源的紧张局势。
本发明的高强度易切削锌基合金挤压型材的主要性能指标：
抗拉强度：σb＝375-390MPa
伸长率：δ＝1.5-3.0％
硬度：110-115HBS
热处理后该锌基合金挤压型材的主要性能指标：
抗拉强度：σb＝400-410MPa
伸长率：δ＝2.5-3.5％
硬度：125-130HBS
经检测和使用表明，本发明的锌基合金挤压型材的切削性能达到HPb59-1铅黄铜切削性能指数的80-90％；耐腐蚀性良好，无晶间腐蚀倾向；尺寸稳定性高。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的挤制的锌基合金表链型材。
具体实施方式
实施例1
原材料采用一般的商用锌锭，加入的稀土为Ce+La混合稀土，其它合金元素均以纯金属形式加入。采用石墨坩埚熔炼，硼砂精炼，按重量比铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％，余量为锌的比例依次加入工业用铸锭锌、铜、铝、镁、混合稀土；加入稀土后，搅拌并扒渣；静置5-10分钟，然后浇铸，浇铸温度为680-760℃；采用水冷钢模铸造。为保证铸锭表面质量，浇注之前对模具内表面进行清理，并在模具内表面涂上石膏粉。
将所得的尺寸为40mm×100mm铸锭，在内径为45mm挤压筒内挤压成型，挤压筒和挤压模预热温度分别为200℃和300℃；铸锭的加热温度为350℃-410℃；挤出速度为10-25mm/s；挤压比为12-18。
将挤压成型的合金在电阻炉加热，加热温度为220-270℃，保温时间为20-40min，出炉空冷。
把本发明的锌基合金按上述工艺进行熔铸、挤压和热处理，获得的表链型材平直、表面光亮、组织致密、强度和硬度高，成材率达到70-80％。
对挤出的表链型材(如图1)进行后续的切断和钻孔加工(链上进行钻孔以便进行链间的连接)，钻削过程中发热较少，切屑碎小，切屑粘钻头现象不严重，整个过程中也没有出现扭断钻头的现象，满足加工要求。
经适当的表面处理后，该锌基合金表链的耐腐蚀性能超过铅黄铜表链。该表链表面质量好；外表美观；不含铅，绿色环保且对人体无伤害；此种表链使用6个月后，表面仍然光亮，肉眼观察不到任何腐蚀痕迹，且尺寸稳定。可以很好满足用户要求。
实施例2
本发明的第二个实施例是卫浴间挂件用型材。将本发明制备而成的合金型材进行切断和钻削加工，合金性能满足加工要求。经适当的表面处理后，该锌基合金挂件表面质量好，外表美观，使用3个月后，表面仍然光亮，肉眼观察不到任何腐蚀痕迹，尺寸稳定，满足用户要求。

Claims (4)

1、一种高强度易切削锌基合金，其特征在于，所述的合金包括：铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％，余量为锌，以上均以重量百分比计。
2、根据权利要求1所述的一种高强度易切削锌基合金，其特征在于，还包括杂质0.1-0.3％，以重量百分比计。
3、根据权利要求2所述的一种高强度易切削锌基合金，其特征在于，所述的杂质包括铁、铅。
4、一种高强度易切削锌基合金的制备工艺，其特征在于：按重量百分比将铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％加入锌锭中熔炼，搅拌并扒渣；静置后在680-760℃浇铸；采用水冷钢模铸造；将得到的铸锭挤压成型，铸锭的加热温度为350℃-410℃，挤压比为12-18；最后将挤压成型的合金在温度为220-270℃下保温20-40分钟进行退火处理，出炉空冷。
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Open date: 20071024

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Termination date: 20150605

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