CN103157692B - 一种锌基合金异形管材的制备方法 - Google Patents

一种锌基合金异形管材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锌基合金异形管材的制备方法，包括（1）采用高温压缩试验，建立本构方程和加工图，获得锌合金适宜加工的变形条件；（2）对锌合金分流组合模挤压进行有限元数值模拟，优化模具结构和挤压工艺；（3）锌合金锭坯在感应炉中加热后，选用优化的模具结构和挤压工艺参数进行热挤压，获得近终尺寸的异形管坯；（4）进行固定短芯杆拉拔，获得成品尺寸的异形管材；（5）进行清洗和热处理；（6）然后进行矫直，获得成品管材。本发明方法流程短、材料利用率高、成本低、附加值高，适合于大规模生产，制备的锌基合金异形管材能够替代部分黄铜异形管材，对于缓解我国铜资源紧张有一定的促进作用，具有一定的经济效益和社会效益。

Description

一种锌基合金异形管材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锌基合金异形管材的制备方法，属于有色金属加工成形领域。
背景技术
铜及铜合金作为重要的原材料，在电力、电子、通讯、航空、航天、交通等领域广泛地应用。随着国民经济的高速发展，我国已成为世界铜资源消费第一大国，但我国的铜资源十分贫乏，近年来自给率严重不足，已影响到我国铜工业和相关产业的持续健康发展。因此，研究开发其它新型金属材料来替代铜合金材料、节约铜资源，已迫在眉睫。
锌的矿物储量、产量和用量在有色金属中仅次于铝和铜。我国锌资源非常丰富，锌基合金制备工艺简单，能耗低，污染小。高性能锌合金材料具有比重轻(约6吨/m3，而铅黄铜约8.3吨/m3)、强度适中、硬度高、成本低的特点。其强度、硬度、摩擦等性能与铜合金相近。因此，研究开发新型锌合金，以廉价的锌代替昂贵的铜是一种较为理想的选择，也是缓解国内铜资源紧张的最有前途的解决方法，具有显著的经济效益和社会效益。
锌合金异形管材主要用于通讯连接器、制笔、卫浴和五金等行业，替代部分黄铜异形管材。目前，锌合金异形管材主要通过锌合金的实心型材机加工制造，存在材料利用率低，成本高，生产效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决锌基合金异形管材的制备加工技术中存在的问题，提供一种短流程、低成本的锌基合金异形管材的制备加工新方法。本发明以Zn-Al系列、Zn-Cu系列等锌合金为研究对象，采用分流组合模热挤压，制备出近终尺寸的异形管材，或直接生产管壁较厚的异形管材。挤压异形管坯经固定短芯杆拉拔，获得成品异形管材。锌合金铸锭的柱状晶和树枝晶在热挤压过程中被破碎，组织得到细化，显著提高材料的综合性能。利用该方法制备锌合金异形管材具有工序少，流程短，生产效率高，成本低等优点。制备的锌合金异形管材可替代部分黄铜异形管材。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种锌基合金异形管材的制备方法，包括如下步骤：
(1)将半连铸锌合金铸锭，机加工后，在Gleeble热模拟试验机上进行高温压缩试验，建立锌合金的本构方程和加工图，获得锌合金适宜加工的变形条件；
(2)在锌合金适宜加工的变形条件下，选择热挤压工艺参数；根据异形管材的尺寸，初步设计分流组合模；然后采用有限元数值模拟优化设计分流组合模的结构和挤压工艺；
(3)将半连铸锌合金铸锭在感应炉中加热，采用步骤(2)优化的分流组合模和挤压工艺进行挤压，获得近终尺寸的异形管坯或成品尺寸的异形管材；
(4)将步骤(3)所得的异形管坯进行固定短芯杆拉拔，获得成品尺寸的异形管材；
(5)将步骤(4)所得的异形管材进行清洗和热处理；
(6)然后进行矫直，获得成品管材。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的锌合金为Zn-Al系列、Zn-Cu系列等锌合金。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的锌合金为Zn-Al-Cu系列或Zn-Cu-Ti系列锌合金，Zn-Al-Cu系列锌合金中Al的含量为2～20wt.％，Cu的含量为0.1～2wt.％；Zn-Cu-Ti系列锌合金中Cu的含量为0.1～4wt.％，Ti的含量为0.1～2wt.％。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)中所述的高温压缩试验中，高温压缩的温度范围为200～420℃，温度间隔为40℃，应变速率范围为0.001～10s-1；所述的适宜加工的变形条件为热加工温度范围为200～380℃，应变速率范围为0.01～5s-1。
步骤(2)中采用有限元数值模拟优化设计分流组合模结构和挤压工艺，为分析挤压工艺参数和模具结构对锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，在此基础上确定合理的挤压工艺参数和模具结构。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)中所述的分流组合模的分流孔数为三孔、四孔或六孔，分流桥结构为固定式分流桥，分流桥截面形状为矩形或水滴形。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)中优化的挤压工艺为：挤压比为20～60，挤压温度为220～380℃，挤压速度为1mm/s～15mm/s，模具预热温度为180～380℃。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压工艺参数和分流组合模结构，为步骤(2)优化的挤压工艺参数和模具结构。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中所述的固定短芯杆拉拔，退火间变形量为50％～85％，道次加工率为10％～38％。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(5)中所述的清洗为常规清洗，清除油腻；根据客户要求，热处理为退火或固溶时效处理。所述的热处理中，退火温度为140℃～300℃；所述的固溶时效处理中，固溶处理温度为280～380℃，采用水淬，时效温度为60～140℃。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(6)中所述的矫直为张力矫直。成品管材的形状为外六角内圆、外四方形内圆和外六角内四方等，壁厚为1mm～6mm。
本发明提供了一种锌基合金异形管材流程短、成本低和材料利用率高的加工新方法，解决了通过机加工实心型材制备异形管材生产工序多，材料利用率低等问题。制备的锌基合金异形管材能够替代部分黄铜异形管材，对于缓解我国铜资源紧张有一定的促进作用，具有一定的经济效益和社会效益。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
实施例1
制备锌基合金异形管材，包括如下步骤：
(1)将半连铸Zn-8Al-0.5Cu锌合金铸锭机加工成高温压缩试样，进行高温压缩，高温压缩的温度范围为200～360℃，温度间隔为40℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定该合金适宜热加工的温度范围为200～320℃，应变速率的范围为0.01～1.3s-1。
(2)Zn-8Al-0.5Cu锌合金异形管材为外方内圆形，边长为36mm，内径为30mm。按照该产品的尺寸规格初步设计分流组合模，采用商用有限元软件，建立了异形管材挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，确定Zn-8Al-0.5Cu锌合金异形管材分流组合模为孔道式分流组合模，分流孔的数目为四孔、舌模的舌芯直径为Ф31mm，模孔的边长为40mm，挤压比为22，挤压速度为3mm/s，挤压温度为260℃。
(3)半连铸生产的Zn-8Al-0.5Cu锌合金铸锭直径为Ф150mm，采用感应加热将合金铸锭加热到260℃，模具和挤压筒的预热温度为240℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用步骤(2)优化的工艺参数进行挤压。
(4)采用固定短芯杆拉拔减壁和精整，道次加工率为16％，退火间变形量为50％，中间退火温度为280℃，保温1h。
(5)对获得的异形管材进行常规清洗，清除油腻；然后进行热处理，退火温度为220℃，保温1h。
(6)在张力矫直机上进行张力矫直，获得满足客户要求的外方内圆Zn-8Al-0.5Cu锌合金异形管材。
实施例2
制备锌基合金异形管材，包括如下步骤：
(1)将半连铸Zn-4Al-0.8Cu锌合金铸锭机加工成高温压缩试样，进行高温压缩，温度范围为200～360℃，温度间隔为40℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定锌合金适宜加工的变形条件，该合金适宜热加工的温度范围为200～340℃，应变速率的范围为0.01～1.6s-1。
(2)Zn-4Al-0.8Cu锌合金异形管材为外六方内圆形，边长为16mm，内径为20mm。按照该产品的尺寸规格初步设计分流组合模，采用商用有限元软件，建立了异形管材挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，确定Zn-4Al-0.8Cu锌合金异形管材分流组合模为孔道式分流组合模，分流孔的数目为三孔、舌模的舌芯直径为Ф22mm，六方模孔的边长为18mm，挤压比为24.5，挤压速度为4mm/s，挤压温度为280℃。
(3)半连铸生产的Zn-4Al-0.8Cu锌合金铸锭直径为Ф118mm，采用感应加热将合金铸锭加热到280℃，模具和挤压筒的预热温度为260℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用步骤(2)优化的工艺参数挤压。
(4)采用固定短芯杆拉拔减壁和精整，道次加工率为18％，退火间变形量为55％，中间退火温度为280℃，保温1h。
(5)对获得的异形管材进行常规清洗，清除油腻；然后进行热处理，固溶温度为360℃，保温1.5h，水淬火后于140℃人工时效12h。
(6)在张力矫直机上进行张力矫直，获得满足客户要求的外六方内圆的Zn-4Al-0.8Cu锌合金异形管材。
实施例3
制备锌基合金异形管材，包括如下步骤：
(1)将半连铸Zn-4Cu-0.1Ti锌合金铸锭机加工成高温压缩试样，进行高温压缩。高温压缩的温度范围为220～420℃，温度间隔为40℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定锌合金适宜加工的变形条件，该合金适宜热加工的温度范围为240～380℃，应变速率的范围为0.01～4.2s-1。
(2)Zn-4Cu-0.1Ti锌合金异形管材为外六方内圆形，外六方边长为10mm，内圆直径为12mm。按照该产品的尺寸规格初步设计分流组合模，采用商用有限元软件，建立了异形管材挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，确定Zn-4Cu-0.1Ti锌合金异形管材分流组合模为孔道式分流组合模，分流孔的数目为三孔、舌模的舌芯直径为14mm，六角模孔的边长为12mm，挤压比为35.6，挤压速度为4mm/s，挤压温度为300℃。
(3)半连铸生产的Zn-4Cu-0.1Ti锌合金铸锭直径为Ф98mm，采用感应加热将合金铸锭加热到300℃，模具和挤压筒的预热温度为280℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用步骤(2)优化的工艺参数挤压。
(4)采用短芯杆固定拉拔减壁和精整，道次加工率为16％，退火间变形量为50％，中间退火温度为180℃，保温2h。
(5)对获得的异形管材进行常规清洗，清除油腻；然后进行热处理，退火温度为150℃，保温2h。
(6)在张力矫直机上进行张力矫直，获得满足客户要求的外六方内圆形Zn-4Cu-0.1Ti锌合金异形管材。
实施例4
制备锌基合金异形管材，包括如下步骤：
(1)将半连铸Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金铸锭机加工成高温压缩试样，进行高温压缩。高温压缩的温度范围为220～420℃，温度间隔为40℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定锌合金适宜加工的变形条件，该合金适宜热加工的温度范围为240～380℃，应变速率的范围为0.01～4.5s-1。
(2)Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金异形管材为外六方内四方形，外六方边长为10mm，内四方边长为12mm。按照该产品的尺寸规格初步设计分流组合模，采用商用有限元软件，建立了异形管材挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，确定Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金异形管材分流组合模为孔道式分流组合模，分流孔的数目为三孔、舌模的舌芯边长为14mm，六角模孔的边长为12mm，挤压比为44，挤压速度为5mm/s，挤压温度为310℃。
(3)半连铸生产Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金铸锭的直径为Ф118mm，采用感应加热将合金铸锭加热到310℃，模具和挤压筒的预热温度为290℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用步骤(2)优化的工艺参数挤压。
(4)采用固定短芯杆拉拔减壁和精整，道次加工率为16％，总加工率为65％(退火间变形量为65％)，不需要中间退火，直接拉拔到成品尺寸。
(5)对获得的异形管材进行常规清洗，清除油腻；然后进行热处理，退火温度为150℃，保温2h；
(6)在张力矫直机上进行张力矫直，获得满足客户要求的外六方内四方形Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金异形管材。
实施例5
制备锌基合金异形管材，包括如下步骤：
(1)与实施例4的步骤(1)相同。
(2)Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金异形管材为外圆内六方形，外圆直径为12mm，内六方边长为6mm，采用商用有限元软件，建立了异形管材挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，确定Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金异形管材分流组合模为孔道式分流组合模，分流孔的数目为六孔，舌模的舌芯边长为Ф10mm，外圆直径为24mm，挤压比为40.8，挤压速度为6mm/s，挤压温度为310℃。
(3)半连铸生产的Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金铸锭直径为Ф98mm，采用感应加热将合金铸锭加热到310℃，模具和挤压筒的预热温度为290℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用步骤(2)优化的工艺参数挤压。
(4)采用固定短芯杆拉拔减壁，道次加工率为18％，退火间变形量为65％，中间退火温度为150℃，保温2h；
(5)对获得的异形管材进行常规清洗，清除油腻；然后进行热处理，退火温度为150℃，保温2h；
(6)在张力矫直机上进行张力矫直，获得满足客户要求的外圆内六角Zn-0.8Cu-0.1Ti锌合金异形管材。
实施例1-5中，成品异形管材的壁厚范围为1mm～6mm。

Claims (9)

1.一种锌基合金异形管材的制备方法，包括如下步骤：
(1)将半连铸锌合金铸锭，机加工后，进行高温压缩试验，建立锌合金的本构方程和加工图，获得锌合金适宜加工的变形条件；
(2)在锌合金适宜加工的变形条件下，选择热挤压工艺参数；根据异形管材的尺寸，初步设计分流组合模；采用有限元数值模拟优化设计分流组合模结构和挤压工艺；
(3)将半连铸锌合金铸锭在感应炉中加热，采用步骤(2)优化的分流组合模和挤压工艺进行挤压，获得近终尺寸的异形管坯或成品尺寸的异形管材；
(4)将步骤(3)所得的异形管坯进行固定短芯杆拉拔，获得成品尺寸的异形管材；
(5)将步骤(4)所得的异形管材进行清洗和热处理；
(6)然后进行矫直，获得成品管材。
2.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：所述的锌合金为Zn-Al系列或Zn-Cu系列锌合金。
3.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：所述的锌合金为Zn-Al-Cu系列或Zn-Cu-Ti系列锌合金，Zn-Al-Cu系列锌合金中Al的含量为2～20wt.％，Cu的含量为0.1～2wt.％；Zn-Cu-Ti系列锌合金中Cu的含量为0.1～4wt.％，Ti的含量为0.1～2wt.％。
4.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的高温压缩试验中，高温压缩的温度范围为200～420℃，温度间隔为40℃，应变速率为0.001～10s-1；所述的适宜加工的变形条件为热加工温度范围为200～380℃，应变速率范围为0.01～5s-1。
5.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的分流组合模的分流孔数为三孔、四孔或六孔，分流桥结构为固定式分流桥，分流桥截面形状为矩形或水滴形。
6.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中优化的挤压工艺为：挤压比为20～60，挤压温度为220～380℃，挤压速度为1～15mm/s；模具预热温度为180～380℃。
7.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的固定短芯杆拉拔，退火间变形量为50％～85％，道次加工率为10％～38％。
8.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述的热处理为退火或固溶时效处理；退火温度为140℃～300℃；固溶处理温度为280～380℃，采用水淬，时效温度为60～140℃。
9.根据权利要求1所述的锌基合金异形管材的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的矫直为张力矫直，所述成品管材的形状为外六角内圆、外四方形内圆或外六角内四方，壁厚为1mm～6mm。
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