CN102277517A - 一种高强可焊锌合金及其管材的连续挤压制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强可焊锌合金，由下述组分组成：铝、铜、钛、镁、铬、稀土，余量为锌。其管材的制备工艺，包括下述步骤：配料、熔铸；连续挤压两道工序；本发明通过优化合金元素配比配制高强可焊锌合金，然后连续挤压成锌合金管。挤压过程无需对锌合金坯料加热，使锌合金通过连续大剪切变形直接在模具中以分流挤压方式一次成形。本发明组分配比合理、制备的合金材料具有良好的力学性能、易实现挤压成形、可焊性好，原材料价廉易得，锌合金管的制备工艺设计合理，可操作性强，加工效率高；并且解决了常规管材挤压工艺流程长、能耗高、材料利用率低、生产成本高等突出问题，具有良好的应用前景。

Description

一种高强可焊锌合金及其管材的连续挤压制备工艺

技术领域

本发明涉及一种高强可焊锌合金及其管材的连续挤压制备工艺，属于金属材料与成形技术领域。

背景技术

锌合金是以锌为基体加入其它元素生产的有色合金材料。在有色金属中锌的矿物储量、产量和用量仅次于铝和铜，居第三位。锌合金具有熔点低，铸造性能好，机械性能优异，生产工艺流程短，能耗小，原材料价格低廉等优点，成为目前国内外研究的热点，被誉为二十一世纪的新材料。实际上，锌合金管材与管件不仅可替代铜合金和不锈钢等在卫浴、机械连接、电子通讯、家电、建筑、文具、水暖、汽车、五金、装饰等领域获得广泛应用，而且结合其性能特点，潜在的应用领域正在被不断开发。

由于锌和多数锌合金具有密排六方(hcp)晶体结构，滑移系少，在室温塑性变形时，只有基面滑移系能够启动，变形抗力比较大，流动性和可焊性不好，实现其塑性成形相当困难。近年来，通过轧制、加热挤压和拉拔可以生产锌及锌合金板、棒、丝材，并已大量应用于电池壳、阳极板、印刷板和计算机、打印机零件、通讯、桥梁、高速公路护栏、船舶制造等技术领域。但锌合金管材的加工技术与应用目前仍未见任何相关报道。

锌合金管之所以未实现其广泛的应用价值，主要是受到其加工制备技术的限制。锌合金管一般采用热变形方式成形，如热挤压、热轧制等。在热变形条件下，锌合金的锥面滑移系和柱面滑移系都能得到启动；且锌合金层错能较低，在热变形中很容易发生动态再结晶，形成细小的动态再结晶晶粒，因此塑性变形能力得到显著改善。但采用常规的热穿孔挤压方法生产高强锌合金无缝管材的工艺仍然比较复杂，其挤压速度远远低于黄铜管；且穿孔力大，耗能高，模具使用寿命低；尤其挤压缩尾非常严重，挤压成材率很低。

Conform连续挤压是一种加工有色金属材料的高效率短流程技术，其技术原理是：通过槽轮的连续运动实现挤压筒的无限工作长度；坯料无需加热，依靠滚轮摩擦生热升温；变形力由与坯料相接触的挤压轮运动所施加的摩擦力提供，由此实现连续的挤压成形。与传统正、反挤压方式相比较，连续挤压技术具有以下优点：由于挤压腔与坯料之间的摩擦大部分得到有效利用，挤压变形的能耗大大降低；可以省略常规热挤压中坯料的加热工序，通过有效利用摩擦发热而节省能耗；可以实现真正意义上的无间断连续生产，获得长度达到数千米乃至更长的成卷制品，生产效率高，能够产生丰厚的经济效益；流变固态挤压的动态再结晶晶粒更加细小均匀；不存在缩尾问题，没有压余，材料利用率高。目前，采用Conform连续挤压技术已实现锌合金线、杆的挤压成形；对于管材加工，采用Conform连续挤压技术仅实现了软铝管的工程化应用，其技术优势在软铝管生产中已得到充分体现。

然而，连续挤压成形的管材属于有缝管。采用Conform连续挤压加工管材时，坯料一般将并被分为2-4股挤入模腔，然后在一定温度和压力下，几股金属在模具焊合室内又被重新焊合成整体，挤出模口，形成有缝管。挤制管材的纵面上将留下几条纵向焊缝。焊缝的存在不仅会降低管材的力学性能，而且影响其耐腐蚀性。纵向焊缝的形成是个非常复杂的过程，被挤压金属本身的焊合性能，以及在模具中的流变行为、焊合面上的接触压力、变形温度、焊合时间、应变速率等热力学条件都将影响固态焊合过程的进行，并影响最终形成的纵向焊缝质量。因此，要实现锌合金管的连续高效挤压成形，必须找到一种焊合性能良好的锌合金，以及合理的挤压工艺与挤压模具。

迄今为止，尚未有对高强可焊锌合金及其管材连续挤压技术的公开报道，该项技术在国内外均为空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种组分配比合理、制备的合金材料具有良好的力学性能、易实现挤压成形、可焊性好的高强可焊锌合金及其管材的连续挤压制备工艺。

本发明一种高强可焊锌合金，由下述组分按重量百分比组成：

铝8～12％；

铜0.5～3％；

钛0.05～0.5％；

镁0.02～0.2％；

铬0.03～0.15％；

稀土0.1～0.25％；余量为锌和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。

本发明一种高强可焊锌合金中，所述稀土为含La重量百分比为75-90％的富镧稀土。

本发明一种高强可焊锌合金管材的连续挤压制备工艺，包括下述步骤：

第一步：配料、熔铸

按设计的锌合金组分配比取铝、铜、钛、镁、铬、稀土、锌金属，将上述组分熔铸成锌合金棒；

第二步：连续挤压

将第一步所得锌合金棒经表面清洗、干燥后送入旋转式连续挤压机内挤压，挤压模具采用阶梯型模口结构，控制挤压轮面与槽封块弧面之间的接触长度为220～300mm，运转间隙小于0.3mm，挤压轮转速为6～20转/分钟，使挤压出口的锌管温度达到180～300℃，出口速度达到6～18米/分钟。

本发明一种高强可焊锌合金管材的连续挤压制备工艺中，所述锌合金棒为圆棒或方棒，所述圆棒的直径或方棒的边长为8～12mm。

本发明由于采用上述组分配比，制备的锌合金具有良好的可焊性、塑性和耐腐蚀性，以及较高的强度，其产生上述优点的机理简述于下：

Al能较大程度地提高锌液的流动性，从而改善合金的铸造性能，适量的Al还能显著提高Zn的强度以及塑性；Cu对Zn合金不但具有强化作用，而且还能大大提高合金的抗晶间腐蚀能力，改善Zn合金的耐蚀性，但Cu的加入增加了合金的尺寸不稳定性，因此该合金中Cu的加入量以1～3％为宜；微量的Mg可以改善合金的老化现象，起到固溶强化、提高耐磨性能和力学性能、防止晶间腐蚀、降低合金的阻尼性能的作用，研究发现，Zn合金中的Al、Mg的质量比例对锌合金管的塑性成形与固态焊合性能有重要影响。Al、Mg在锌基体中易形成一些脆性相，如Mg₁₇Al₁₂相等，当挤压速度较快时，很容易造成挤压材表面开裂；焊缝处若存在较多的脆性相，将严重降低焊缝强度及耐蚀性；Ti能细化锌合金晶粒，提高合金抗蠕变性能以及合金的硬度。适量的Cr能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性，提高锌合金流动性；富La稀土的加入可以显著细化锌合金晶粒，去除合金中的气体和有害杂质，减少裂纹源，从而提高锌合金的强度和加工性能，尤其是固态焊合性能。

本发明高强可焊锌合金的成分经过试验验证并优化设计，确定了Al、Cu、Mg、Ti、Cr、稀土元素含量的最佳范围，尤其是Al/Mg比值的最佳值，从而尽量减少Mg₁₇Al₁₂等脆性相的产生，使该合金具有良好的可焊性、塑性和耐腐蚀性，以及较高的强度。

本发明高强可焊锌合金，严格控制锌合金中Al、Mg元素的质量百分比是提高锌合金的固态焊合性能的关键性技术。另一项关键技术是挤压工艺与模具。锌合金连续挤压过程中，变形抗力高，流动性较差，要实现其分流挤压，必须合理控制挤压温度、速度和压力，并且选择更利于金属流动的挤压模具结构。一般情况下，连续挤压过程中的热力学参数主要通过控制挤压轮旋转速度来实现；而挤压模具模口设计成阶梯结构，更有利于锌合金从模口挤出，并可有效促进其二次焊合。

本发明与传统技术相比，具有以下优越性：

(1)本发明提供的锌合金管可代替其他合金管，尤其是资源紧缺、价格昂贵的铜合金管应用于各领域，应用前景广阔。

(2)本发明提供的锌合金管制备过程中，利用变形锌合金坯料与带沟槽的旋转挤压轮之间产生强烈压力和摩擦产生的热量提供锌合金的热挤压能量，无需对坯料加热，节省能耗。

(3)本发明提供的锌合金管强度高，焊合性能良好，焊缝不影响管材的强度与耐蚀性。

(4)本发明提供的锌合金管采用连续挤压的方法制成，可操作性强，加工效率高，能根据实际需要制备得到各种规格的锌合金管。

综上所述，本发明组分配比合理、制备的合金材料具有良好的力学性能、易实现挤压成形、可焊性好，原材料价廉易得，锌合金管的制备工艺设计合理，可操作性强，加工效率高；并且解决了常规管材挤压工艺流程长、能耗高、材料利用率低、生产成本高等突出问题，具有良好的应用前景。是一种适用于建筑、水暖、卫浴等方面的绿色环保高强可焊锌合金材料。

附图说明

附图1为锌合金管阶梯形模口挤压模具的主视图。

附图2为附图1的A-A剖视图。

附图3为实施例所制备的连续挤压高强可焊锌合金管。

图中：1-内模、2-阶梯模口、3-外模。

具体实施方式

附图非限制性公开了本发明的具体实施实例，下面结合图对本发明作进一步说明。

实施实例一：

一种高强可焊锌合金成分优化设计及其管材制备方法，其步骤如下：

将锌、铝、铜、镁、钛、铬和稀土等原材料，按以下重量百分比在溶解炉中熔炼：Al 10％；Cu 3.0％；Ti 0.5％；Mg 0.02％，Cr 0.03％；稀土0.15％；其余为锌和不可避免的杂质(杂质含量≤0.15％)。熔炼后水平连铸成直径为9mm的锌合金圆杆；将锌合金圆杆坯清洗后经送料轮送入旋转式连续挤压机内挤压，控制挤压轮面与槽封块弧面之间的接触长度220mm～300mm，运转间隙小于0.3mm，使变形锌合金坯料与带沟槽的旋转挤压之间产生挤压力和摩擦，产生热量，连续挤压出D12.5mm×1.5mm锌合金管。挤压机参数为：挤压轮转速12转/分钟，控制摩擦做功所产生热量使挤压出口锌管的温度在250℃左右，出口速度为6～10米/分钟；采用阶梯式模口结构挤压模具。

本实施例制成的高强锌合金管表面光滑，无明显裂纹，通过扩口试验和拉伸试验皆表明，焊缝不影响锌合金管的强度，其抗拉强度σ_b＝412MPa，伸长率δ＝5.75％。

实施实例二：

一种高强可焊锌合金成分优化设计及其管材制备方法，其步骤如下：

将锌、铝、铜、镁、钛、铬和纯铈等原材料，按以下重量百分比在溶解炉中熔炼：Al 8％；Cu 2.0％；Ti 0.2％；Mg 0.1％，Cr 0.1％；稀土0.1％；其余为锌和不可避免的杂质(杂质含量≤0.15％)；熔铸成直径为10.5mm的锌合金圆杆；清洗表面、风干后经送料轮送入旋转式连续挤压机内挤压，控制挤压轮面与槽封块弧面之间的接触长度220mm～300mm，运转间隙小于0.3mm，使变形锌合金坯料与带沟槽的旋转挤压之间产生挤压力和摩擦，产生热量，连续挤压出D10mm×1mm锌合金管。挤压机参数为：挤压轮转速18转/分钟，控制摩擦做功所产生热量使挤压出口锌管的温度在250℃左右，制品出口速度为9～15米/分钟，采用阶梯式模口结构挤压模具。

本实施例制成的高强锌合金管表面光滑，无明显裂纹，通过扩口试验和拉伸试验皆表明焊缝不影响锌合金管的强度，其抗拉强度σ_b＝397MPa，伸长率δ＝7.83％。

实施实例三：

一种高强可焊锌合金成分优化设计及其管材制备方法，其步骤如下：

将锌、铝、铜、镁、钛、铬和纯铈等原材料，按以下重量百分比在溶解炉中熔炼：Al 12％；Cu 0.5％；Ti 0.05％；Mg 0.2％，Cr 0.15％；稀土0.25％；其余为锌和不可避免的杂质(杂质含量≤0.15％)；熔铸成直径为12mm的锌合金圆杆；清洗表面、风干后经送料轮送入旋转式连续挤压机内挤压，控制挤压轮面与槽封块弧面之间的接触长度220mm～300mm，运转间隙小于0.3mm，使变形锌合金坯料与带沟槽的旋转挤压之间产生挤压力和摩擦，产生热量，连续挤压出D12.5mm×1.5mm锌合金管。挤压机参数为：挤压轮转速16转/分钟，控制摩擦做功所产生热量使挤压出口锌管的温度在250℃左右，制品出口速度为8～13米/分钟，采用阶梯式模口结构挤压模具。

本实施例制成的高强锌合金管表面光滑，无明显裂纹，通过扩口试验和拉伸试验皆表明焊缝不影响锌合金管的强度，其抗拉强度σ_b＝368MPa，伸长率δ＝9.54％。

本发明提供了一种高强可焊锌合金及其管材连续挤压的思路与方法。上述实施例仅为本发明的优选实施方式，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高强可焊锌合金，由下述组分按重量百分比组成：

铝8～12％；

铜0.5～3％；

钛0.05～0.5％；

镁0.02～0.2％；

铬0.03～0.15％；

稀土0.1～0.25％；余量为锌和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。

2.根据权利要求1所述的一种高强可焊锌合金，其特征在于：所述稀土为含La重量百分比为75-90％的富镧稀土。

3.制备如权利要求1或2所述的一种高强可焊锌合金管材的连续挤压制备工艺，包括下述步骤：

第一步：配料、熔铸

按设计的锌合金组分配比取铝、铜、钛、镁、铬、稀土、锌金属，将上述组分熔铸成锌合金棒；

第二步：连续挤压

将第一步所得锌合金棒经表面清洗、干燥后送入旋转式连续挤压机内挤压，挤压模具采用阶梯型模口结构，控制挤压轮面与槽封块弧面之间的接触长度为220mm～300mm，运转间隙小于0.3mm，挤压轮转速为6～20转/分钟，使挤压出口的锌管温度达到180～300℃，出口速度达到6～18米/分钟。

4.根据权利要求3所述的一种高强可焊锌合金管材的连续挤压制备工艺，其特征在于：所述锌合金棒为圆棒或方棒，所述圆棒的直径或方棒的边长为8～12mm。

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