CN108588488A

CN108588488A - 一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺

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Publication number: CN108588488A
Application number: CN201810536883.6A
Authority: CN
Inventors: 洪煌耀; 陈永禄; 曾天生; 李炳慰; 杨勇全; 柘林; 张洋
Original assignee: Quanzhou Lian Kitchen And Toilet Co Ltd
Current assignee: Quanzhou Lian Kitchen And Toilet Co Ltd
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2018-09-28

Abstract

本发明公开一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺，重力铸造锌合金，其各元素组分及所占重量百分比为：Al，4‑6wt％；Cu，0.3‑1wt％；Mg，0.05‑0.08wt％；Fe，0.02‑0.05wt％；RE，0.01‑0.03wt％；Ti，0.001‑0.003wt％；杂质，总量<0.15wt％；余量Zn。本发明基于提高合金流动性的成分设计思想(近共晶型锌铝合金)，通过熔体净化与组织微细化等熔体处理工艺手段，获得一种新型的铸造锌合金及熔铸工艺。

Description

一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺

技术领域

本发明涉及属于有色金属成分设计与熔铸技术领域，具体是指一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺。

背景技术

中国的锌资源储存量占世界总储量的46％，不仅能满足国内的需求，而且还可大量出口，开发锌合金具有广阔的前景。铸造锌合金具有良好的力学性能、耐磨耐蚀性能、密度较低、热导率和电导率适中、极限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性、碰撞时不产生火花、减振降噪性能和较低的成本，正越来越广泛地应用于各个领域，并带来显著的经济效益。当前，铸造锌合金主要用来生产汽车、拖拉机等机电部门的各种仪表壳体类铸件，或生产各种起重设备、机床、水泵等装备的轴承，也可代替铜合金生产各类卫浴五金配件、锁具、拉链、橱柜五金、金属装饰件等产品，在模具和玩具等行业也倍受青睐。

铸造锌合金常采用压力铸造或重力铸造生产铸件，在民生锌合金用品上，压铸用锌合金的应用比例较大。随着产品结构复杂程度和表面处理工艺要求日益提高，仅针对铸件内部曲线抽芯一项，压铸生产工艺已无法满足实际需求，亟需开发一种新型的重力铸造锌合金，满足如下要求：(1)铸型材质适应性强(砂型、石膏型或金属型等)；(2)铸造性能好，浇口简单，收缩率小，气孔少，强度高，冷却速度对力学性能无明显影响；(3)残、废料可循环使用，对过热和重熔不敏感；(4)可用常规方法精整(易抛光)，能电镀等。

鉴于此，本发明以重力铸造为工艺背景，对上述问题进行深入研究，提出一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺，本案由此产生。

发明内容

本发明的一个目的是在于提供一种重力铸造锌合金，基于提高合金流动性的成分设计思想(近共晶型锌铝合金)，通过熔体净化与组织微细化等熔体处理工艺手段，获得一种新型的铸造锌合金。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种重力铸造锌合金，其各元素组分及所占重量百分比为：

Al，4-6wt％；

Cu，0.3-1wt％；

Mg，0.05-0.08wt％；

Fe，0.02-0.05wt％；

RE，0.01-0.03wt％；

Ti，0.001-0.003wt％；

杂质，总量<0.15wt％；

余量Zn。

所述稀土元素RE以La+Ce混合稀土形式加入。

所述杂质元素主要包括Pb、Cd、Sn、Ni、Mn、Cr、Si、Mn，每单项杂质元素含量不超过0.02％。

本发明的另一目的在于提供一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其工艺步骤如下：

1)在有芯工频炉中先加入不超过熔炼总重量的1/3的锌合金废料进行升温熔融；

2)取样检测成分，控制熔液中各元素所占的重量百分比为：Al，4-6wt％；Cu，0.3-1wt％；Mg，0.05-0.08wt％；Fe，0.02-0.05wt％；RE，0.01-0.03wt％；Ti，0.001-0.003wt％；杂质，总量<0.15wt％；余量Zn；

3)将占熔炼总重量的0.05％－0.15％的锌合金环保型精炼熔剂均匀撒在熔体表面，加入剩余的纯锌锭，待锌锭熔化量达70～80％时，用钟罩压入称量且预热好的纯铜线、纯铝锭，将熔体在470～490℃静置20～30min；

4)待合金完全熔化后，使用惰性气体进行熔体除气；除气结束后压入称量且预热好的纯镁锭、Zn-10RE中间合金、Al-5Ti中间合金，量少且密度小于锌的金属原料(如：Mg、Al-5Ti中间合金)可用钟罩压入熔体并水平搅拌，将熔体在450～460℃静置10min。

5)扒渣转浇包，在430～450℃时用铸铁模具浇铸成锭。

所述步骤1)中，锌合金废料为电镀废料时，在升温熔融过程中不要搅动熔体，待锌合金基体全部熔化后，其中镀层物质浮在锌合金熔液表面，让熔体在470～490℃静置15～20min，待浮渣出现，即刮除干净。

所述步骤2)中，主要合金元素烧损率参照如下范围执行：Al元素1～2％、Mg元素3～5％。

所述步骤3)中，精炼熔剂主要由包含Na⁺、K⁺、Ca⁺、Zn⁺、NH⁺、F^－、Cl^－等离子的多种盐类组成，并再添加1～4％的石墨粉。

所述步骤4)中，使用惰性气体进行熔体除气，具体操作如下：先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线***，喷头端部置于熔体液面以下2/3处，再将干燥后的N₂或Ar通过管道进入熔体，开启喷头旋转开关，惰性气体以细小气泡弥散分布于锌合金熔体中，除气过程持续10～15min。

所述步骤4)之后，还进行取样检测成分，并根据成分检测数据进行成分调整。

所述步骤4)之后，还进行流动性、结晶状态、抛光态铸锭杂质点数量与分布等检验，若满足要求，即可浇铸；反之，继续做精炼处理，直至满足精炼要求。

采用上述方案后，本发明为一种重力铸造锌合金及其熔铸工艺，相对于现有技术的有益效果在于：本发明基于提高合金流动性的成分设计思想(近共晶型锌铝合金)，通过熔体净化与组织微细化等熔体处理工艺手段，获得一种新型的铸造锌合金及熔铸工艺。该合金同样也可应用于压力铸造成型。其中工艺优化技术主要在于：

(1)采用去污、烘干的锌合金废料(不超过熔炼总重量的1/3)作为坩埚底预熔材料，可节约熔炼时间，并有利于控制锌合金熔体处于半熔融状态，增大熔体粘度，抑制低密度原料上浮，提高元素吸收率；

(2)在低温锌合金熔体中压入低熔点、低密度或量少的原料并保证充足的静置时间，可有效防止氧化烧损，有利于元素充分扩散反应，便于控制成分，节约生产成本；

(3)在适当的熔炼阶段分次添加精炼剂，可保证熔剂充分吸附锌合金熔体中的氧化夹渣，避免熔剂失效；结合惰性气体旋转喷吹技术，进一步综合净化锌合金熔体，提高有效组元的分布均匀性。

附图说明

图1为新型重力铸造锌合金的显微组织示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本案作进一步详细的说明。

本案涉及一种重力铸造锌合金，其各元素组分及所占重量百分比为：

Al，4-6wt％；Cu，0.3-1wt％；Mg，0.05-0.08wt％；Fe，0.02-0.05wt％；RE，0.01-0.03wt％；Ti，0.001-0.003wt％；杂质，总量<0.15wt％；余量Zn。

一优选实施例，一种重力铸造锌合金，其各元素组分及所占重量百分比为：Al，4.8wt％；Cu，0.35wt％；Mg，0.06wt％；Fe，0.03wt％；RE，0.02wt％；Ti，0.002wt％；杂质，总量<0.12wt％；余量Zn。

下面对本案重力铸造锌合金的成分特点作展开说明：

(1)基于强度和流动性的考虑，Al元素含量应保证锌合金处于近共晶型成分范围，使合金具有较高的抗拉强度、硬度和冲击韧度。在微观组织中，Al将以α－Al固溶体形式形成初生α枝晶和共晶α相，少量Al固溶于η－Zn固溶体中，可以细化晶粒，提高合金的强度，并能改善合金液的流动性，有利于合金表面形成氧化膜，起钝化防蚀作用，减弱合金的氧化倾向。为保证Cu元素的作用，应着重减少合金中的Fe元素含量(具体控制在0.02-0.05wt％)，避免产生Fe₂Al₃浮渣，造成Al元素含量下降。

(2)Cu元素可部分固溶于α相和η相，主要形成ε(CuZn₄)相，对亚稳β相的转变起到抑制作用，提高强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和合金液的流动性，并有利于减少晶间腐蚀。但该Cu元素含量限定不超过1％，超过1％后易使锌合金使老化现象加重，并使铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化，降低合金的可延伸性。

(3)Mg元素可固溶于η相和亚稳β相中，抑制β相转变，细化合金组织，从而增加合金的强度，减少晶间腐蚀，防止“老化”，还可改善合金的抗磨损性能。但该Mg元素含量应控制在0.08％以内，大于0.08％时，易产生热脆、韧性下降、流动性下降，并易在合金熔融状态下氧化损耗。

(4)Fe元素主要来源于回收废料，有利于晶粒细化，并减少宏观柱状晶区，保证基体组织的致密性；但铁与铝发生反应易造成铝元素的损耗并形成浮渣，在铸件中形成硬质点，影响后加工和抛光，并可增加合金的脆性。

(5)稀土元素RE可以对锌合金起到熔体净化、基体组织细化和杂质相变质(尤其是残留基体中的Fe₂Al₃相)的综合作用，有利于残、废料混熔的制备方式，提高锌合金的冶金质量；优选地以混合稀土形式(La+Ce)加入，可降低制备成本。

(6)Ti元素主要起细化基体组织的作用，但在制备过程中要求分散性好，避免生成高熔点杂质物相。

(7)杂质元素主要包括Pb、Cd、Sn、Ni、Mn、Cr、Si、Mn等，应严格控制其上限，综合含量低于0.15％，单项杂质元素含量不超过0.02％。

本发明还对应提供一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其工艺步骤如下：

1)在有芯工频炉中先加入不超过熔炼总重量的1/3的锌合金废料进行升温熔融。

一具体实施例，按每炉熔炼1000kg新型重力铸造锌合金计算，加入300kg的锌合金废料；

其中，锌合金废料可考虑常见的压铸锌合金废料(如国标3号或5号锌合金)。如果添加的是电镀废料，则在升温熔融过程中不要搅动熔体，由于镀层物质(Ni、Cd、Cr等)熔点高，一旦锌合金基体全部熔化后，该类物质会浮在锌合金熔液表面，可让熔体在470～490℃静置15～20min，待浮渣出现，即刮除干净。

2)取样检测成分，成分检测结果、锌合金成分要求及元素烧损率，称量各元素所需的合金材料重量。控制熔液中各元素所占的重量百分比为：Al，4-6wt％；Cu，0.3-1wt％；Mg，0.05-0.08wt％；Fe，0.02-0.05wt％；RE，0.01-0.03wt％；Ti，0.001-0.003wt％；杂质，总量<0.15wt％；余量Zn。其中，主要合金元素烧损率参照如下范围执行：铝元素1～2％、镁元素3～5％。

对应具有实施例，将1kg的锌合金环保型精炼熔剂均匀撒在熔体表面。精炼熔剂主要由包含Na⁺、K⁺、Ca⁺、Zn⁺、NH⁺、F^－、Cl^－等离子的多种盐类组成，并再添加1～4％的石墨粉。

4)待合金完全熔化后，使用惰性气体进行熔体除气；除气结束后压入称量且预热好的纯镁锭、Zn-10RE中间合金(富La/Ce的混合稀土)、Al-5Ti中间合金，量少且密度小于锌的金属原料(如：Mg、Al-5Ti中间合金)可用钟罩压入熔体并水平搅拌，将熔体在450～460℃静置10min。

使用惰性气体进行熔体除气，具体操作如下：先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线***，喷头端部置于熔体液面以下2/3处，再将干燥后的N₂或Ar通过管道进入熔体，开启喷头旋转开关，惰性气体以细小气泡弥散分布于锌合金熔体中，除气过程持续10～15min。

5)扒渣转浇包，在430～450℃时用铸铁模具浇铸成锭。

所述步骤4)中，所述步骤4)之后及步骤5)之前，还进行取样检测成分，并根据成分检测数据进行成分调整。进一步，还进行流动性、结晶状态、抛光态铸锭杂质点数量与分布等检验，若满足要求，即可浇铸；反之，继续做精炼处理，直至满足精炼要求。

本案所得到的重力铸造锌合金铸锭的显微组织如图1所示，该组织具有以下特征：

(1)该锌合金组织由富锌的β固溶体和富铝的α固溶体组成。若冷却速度较快，合金不发生共析转变，组织为β固溶体和(β+α)共晶组织，α固溶体处于过饱和状态。在随后的冷却过程中，过饱和α固溶体易发生偏析转变，进一步分解为富铝的α1相和富锌的β相，在分解过程中伴随体积膨胀，在铸件内形成巨大的内应力，促进晶间腐蚀，合金变脆，即“老化”。

(2)由于合金中加入适量的Mg、Cu等合金元素，可有效延缓共析反应过程，因此，该锌合金组织为白色且圆钝的β相和该物相之间点状分布的共晶产物(β+α)相。

(3)由于RE和Ti的共同作用，β树枝晶向细球状晶变化，平均尺寸小于45μm，提高基体强度、耐磨性和晶间抗蚀能力。β相的，共晶组织中的α相呈细小点状分布，强化基体。

新型重力铸造锌合金的硬度(普通铁模)约为86～94HB。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本发明权利要求的范围。

Claims

1.一种重力铸造锌合金，其特征在于，各元素组分及所占重量百分比为：

Al，4-6wt％；

Cu，0.3-1wt％；

Mg，0.05-0.08wt％；

Fe，0.02-0.05wt％；

RE，0.01-0.03wt％；

Ti，0.001-0.003wt％；

杂质，总量<0.15wt％；

余量Zn。

2.如权利要求1所述的一种重力铸造锌合金，其特征在于，所述稀土元素RE以La+Ce混合稀土形式加入。

3.如权利要求1所述的一种重力铸造锌合金，其特征在于，所述杂质元素主要包括Pb、Cd、Sn、Ni、Mn、Cr、Si、Mn，每单项杂质元素含量不超过0.02％。

4.一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，工艺步骤如下：

4)待合金完全熔化后，使用惰性气体进行熔体除气；除气结束后压入称量且预热好的纯镁锭、Zn-10RE中间合金、Al-5Ti中间合金，量少且密度小于锌的金属原料用钟罩压入熔体并水平搅拌，将熔体在450～460℃静置10min。

5)扒渣转浇包，在430～450℃时用铸铁模具浇铸成锭。

5.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，所述步骤1)中，锌合金废料为电镀废料，在升温熔融过程中不要搅动熔体，待锌合金基体全部熔化后，其中镀层物质浮在锌合金熔液表面，让熔体在470～490℃静置15～20min，待浮渣出现，即刮除干净。

6.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，所述步骤2)中，主要合金元素烧损率参照如下范围执行：Al元素1～2％、Mg元素3～5％。

7.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，所述步骤3)中，精炼熔剂主要由包含Na⁺、K⁺、Ca⁺、Zn⁺、NH⁺、F^－、Cl^－等离子的多种盐类组成，并再添加1～4％的石墨粉。

8.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，所述步骤4)中，使用惰性气体进行熔体除气，具体操作如下：先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线***，喷头端部置于熔体液面以下2/3处，再将干燥后的N₂或Ar通过管道进入熔体，开启喷头旋转开关，惰性气体以细小气泡弥散分布于锌合金熔体中，除气过程持续10～15min。

9.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，所述步骤4)之后，还进行取样检测成分，并根据成分检测数据进行成分调整。

10.如权利要求4所述的一种重力铸造锌合金的熔铸工艺，其特征在于，所述步骤4)之后，还进行流动性、结晶状态、抛光态铸锭杂质点数量与分布等检验，若满足要求，即可浇铸；反之，继续做精炼处理，直至满足精炼要求。