CN110607462B - 具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法 - Google Patents
具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种控制金属型温度提高ZZnAl4Y锌合金力学性能的方法，将熔融锌合金液浇铸到内腔尺寸分别为Φ10*100和Φ30*80毫米的预热金属型中。通过控制金属型温度和延长凝固时间，在改善锌合金显微组织的均匀性，提高该合金的抗拉强度、延伸率和冲击韧性等力学性能的可以减少工业生产成本。采用本发明能制备出显微组织均匀和力学性能较高的ZZnAl4Y锌合金，适合于该锌合金的工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及锌合金的制备技术，特指一种具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法。
背景技术
锌合金材料具有多种优良特性，如铸造性能好，可压铸生产形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑，可进行电镀、喷涂、喷漆等表面处理，且铸造能耗小、原料成本低、生产过程对环境无污染。Zn-Al合金因其良好的耐磨性、超塑性和抗蠕变性在摩托车化油器、汽车零配件、五金制品等领域的压铸生产中得到广泛的应用。低铝锌合金如ZZnAl4Y压铸锌合金广泛应用于日常胜过器械装备上，因为其低熔点、铸造性能好等特点。压铸锌合金产品有500多种以上，广泛应用在汽车、拖拉机、日用建筑五金、机电设备、仪表仪器、文体玩具等。压铸锌合金起源于20世纪初新泽西公司研发、开发的Zn-4Al-3Cu合金，以后就是围绕着Zn-4Al-3Cu合金进行一系列关于性能改良方面的研究、探索。经过后来一系列的改进，成功研制出一系列的Aamak合金。
迄今为止，Zn-Al合金已经发展到炉火纯青的地步，其中ZZnAl4Y锌合金在工业上得到了广泛应用。但是，国产ZZnAl4Y锌合金的品质较低，高质量的ZZnAl4Y锌合金大量依赖进口。国产ZZnAl4Y锌合金品质较低的主要原因是：1)合金中杂质含量过高；2)合金成分控制精度较低；3)合金组织均匀性较差；4)合金力学性能较低。因此，需采取一些创新技术来改良锌合金的品质，从而提高锌合金的组织均匀性和力学性能。
在传统的铸造工艺中，通常是采用金属型铸造细化合金组织，从而达到提高合金力学性能的目的。一般来说，普通的认知都认为金属型温度越低，冷却速度越快，使合金的显微组织越细小，力学性能更高。本发明与传统的认知完全不同，采用提高金属型温度的方法明显改善合金组织的均匀性，在大幅提高锌合金的力学性能的同时节省了后续热处理过程，节约了生产成本。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法，进而显著改善合金显微组织的均匀性，使合金的力学性能得到明显提高。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法，包括如下步骤：将经快速熔炼制得的ZZnAl4Y锌合金液浇铸到200～350℃的的金属型中，然后随铸型缓慢冷却至室温，制得所述具有均匀的显微组织和高力学性能的ZZnAl4Y锌合金。
进一步的，所述快速熔炼方法为：将ZZnAl4Y锌合金原料在680℃±5℃下进行快速熔炼，然后降温至620℃±5℃，对其进行除气除渣精炼后保温静置30分钟±3分钟。ZZnAl4Y锌合金凝固点锌合金的凝固点大约为390℃左右，熔炼后的浇注温度为620℃左右，本实施例金属型温度控制在200～350℃左右，其温差约为270℃～400℃，金属型对锌合金液的冷却作用大为减弱，因此锌合金液将从620℃缓慢冷却到其凝固点390℃，从而导致树枝状初生铝相的消失，进而转变为全部的球状初生铝相。同时，铸件断面内温差明显减小，从而得到更加均匀的初生铝相。与平衡冷却条件相比，非平衡凝固时，冷却速度越快，合金的凝固点越低。实施例中，由于锌合金液的冷却速度较慢，因此合金的凝固点降低较少。
进一步的，所述金属型预热温度为200℃、250℃、300℃或350℃。
在锌合金的普通铸造过程中，金属型一般不进行预热、预热温度较低或者冷却时间过短，锌合金液浇注到这种金属型时一般铸件的外层是细小的等轴晶、中间为柱状晶、中心为粗大等轴晶，铸件从外层至内部的显微组织很不均匀。本发明金属型预热温度在ZZnAl4Y锌合金液相线以下，且为200～350℃，取得的技术效果如下：
1、随着金属型温度的增加，由于冷却速度大幅降低，使锌合金液的开始凝固点提高，得到比较粗大的球状初生铝相，消除树枝晶初生铝相。同时，由于铸件自表层至中心的温度梯度明显减小，使铸件趋向于同时凝固，从而明显提高铸件自中心向外层的组织均匀性。在拉伸应力作用下，组织均匀性好的合金可以进行更加均匀的变形而不发生断裂，从而使合金的综合力学性能得到明显提高。
2、本发明的突出效果是，虽然合金凝固组织中的初生球状铝相明显粗大，但是由于其均匀性好，反而能够得到更高的力学性能。
3、由于金属型温度较高，铸件可在铸型中缓慢冷却，由于原子扩散充分使球状初生铝相变得更加圆润，相当于合金的均匀化退火作用，可进一步提高合金的延伸率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是对比实施例ZZnAl4Y锌合金试样横截面中心处的显微组织照片。
图2是对比实施例ZZnAl4Y锌合金试样1/2R处的显微组织照片。
图3是对比实施例ZZnAl4Y锌合金试样表面处的显微组织照片。
图4是实施例1ZZnAl4Y锌合金试样横截面中心处的显微组织照片。
图5是实施例1ZZnAl4Y锌合金试样1/2R处的显微组织照片。
图6是实施例1ZZnAl4Y锌合金试样表面处的显微组织照片。
图7是实施例2ZZnAl4Y锌合金试样横截面中心处的显微组织照片。
图8是实施例2ZZnAl4Y锌合金试样1/2R处的显微组织照片。
图9是实施例2ZZnAl4Y锌合金试样表面处的显微组织照片。
图10是实施例3ZZnAl4Y锌合金试样横截面中心处的显微组织照片。
图11是实施例3ZZnAl4Y锌合金试样1/2R处的显微组织照片。
图12是实施例3ZZnAl4Y锌合金试样表面处的显微组织照片。
图13是实施例4ZZnAl4Y锌合金试样横截面中心处的显微组织照片。
图14是实施例4ZZnAl4Y锌合金试样1/2R处的显微组织照片。
图15是实施例4ZZnAl4Y锌合金试样表面处的显微组织照片。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
以下实施例和对比实施例中制得的ZZnAl4Y锌合金试样1/2R处横截面的显微组织照片，其中ZZnAl4Y锌合金试样为圆柱体，R为圆柱体的横截面半径，1/2R处横截面即为距离圆柱体端部的1/2R处的横截面(横截面即垂直于圆柱体轴线的截面)。
对比实施例：
步骤1、锌合金原料配料：采用原材料为工业纯锌(99.9％)、工业纯铝(99.9％)。计算好各成分质量比，采用梅特勒XS105电子天平称量，其组成重量百分比为：工业纯锌95.9％、工业纯铝4.1％。
步骤2、锌合金熔炼
将配置好的锌合金原料和覆盖剂放入耐高温刚玉坩埚里，待炉内温度达到680℃时将坩埚放入炉内。待试样完全熔化后用耐高温石英棒充分搅拌熔液，防止成分偏析。停止供电将金属液温度降低至620℃，采用六氯乙烷对合金液进行精炼，然后保温静置30分钟。
步骤3、出炉浇铸
将锌合金液浇注到未预热温度的内腔尺寸分别为Φ10*100(拉伸和冲击试验样品)和Φ30*80(金相分析样品)金属型中，得到所需的合金试样。
拉伸试样采用标准试样(GB-T 228-2002金属拉伸试验)，原始标距尺寸为6.4×50mm，冲击试样为标准的夏口V型无缺口冲击试样(GB-T 229-2006金属材料夏比摆锤冲击试验方法)，尺寸为6.4×6.4×350mm。
锌合金显微组织如图1～3所示，组织中多为枝状晶、梅花状等非等轴晶，由截面中心至表面组织中初生铝相晶粒大小差异较大。合金的抗拉强度为245MPa，延伸率为2.5％；合金的冲击功为23J。
实施例1：
步骤1、锌合金原料配料配料：采用原材料为工业纯锌(99.9％)、工业纯铝(99.9％)。计算好各成分质量比，采用梅特勒XS105电子天平称量，其组成重量百分比为：工业纯锌95.9％、工业纯铝4.1％
步骤2、预热金属型
将内腔尺寸分别为Φ10*100(拉伸和冲击试验样品)和Φ30*80(金相分析样品)的金属型预热到200℃，作为铸型备用。
步骤3、锌合金熔炼
将步骤1中配置好的锌合金原料和覆盖剂放入耐高温刚玉坩埚里，待熔炼炉内温度达到680℃时将耐高温刚玉坩埚放入熔炼炉内。待试样完全熔化成金属液后用耐高温石英棒充分搅拌，防止成分偏析。停止供电将金属液温度降低至620℃，制得锌合金液，然后采用六氯乙烷对锌合金液进行精炼，然后保温静置30分钟。
步骤4、出炉浇铸
将步骤3中精炼后的锌合金液浇注到步骤2中的不同尺寸的铸型中，并在室温条件下随铸型自然冷却至室温，得到ZZnAl4Y锌合金试样。
步骤4中内腔尺寸为Φ10*100的两个铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样分别用作拉伸和冲击试验样品，拉伸试样采用标准试样(GB-T 228-2002金属拉伸试验)，原始标距尺寸为6.4×50mm，冲击试样为标准的夏口V型无缺口冲击试样(GB-T 229-2006金属材料夏比摆锤冲击试验方法),尺寸为6.4×6.4×350mm。
内腔尺寸为Φ30*80的铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样用作金相分析样品，其显微组织如图4～6所示，由截面表面至中心组织中初生铝相晶粒逐渐由梅花状等非等轴晶变为球状等轴晶，表面至中心组织中初生铝相的晶粒大小存在差异。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的显微组织优于对比实施例。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的抗拉强度为269MPa，延伸率为3.2％，冲击功为25J，本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的力学性能较对比实施例有较大提高。
实施例2：
步骤1、锌合金原料配料：采用原材料为工业纯锌(99.9％)、工业纯铝(99.9％)。计算好各成分质量比，采用梅特勒XS105电子天平称量，其组成重量百分比为：工业纯锌95.9％、工业纯铝4.1％。
步骤2、预热金属型
将内腔尺寸分别为Φ10*100(拉伸和冲击试验样品)和Φ30*80(金相分析样品)的金属型预热到250℃，作为铸型备用。
步骤3、锌合金熔炼
将步骤1中配置好的锌合金原料和覆盖剂放入耐高温刚玉坩埚里，待熔炼炉内温度达到680℃时将坩埚放入熔炼炉内。待试样完全熔化成金属液后用耐高温石英棒充分搅拌，防止成分偏析。停止供电将金属液温度降低至620℃，制得锌合金液，然后采用六氯乙烷对锌合金液进行精炼，然后保温静置30分钟。
步骤4、出炉浇铸
将步骤3中精炼后的锌合金液浇注到步骤2中的预热好的金属型中随铸型缓慢冷却至室温，得到ZZnAl4Y锌合金合金试样。
步骤4中内腔尺寸为Φ10*100的两个铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样分别用作拉伸和冲击试验样品，拉伸试样采用标准试样(GB-T 228-2002金属拉伸试验)，原始标距尺寸为6.4×50mm，冲击试样为标准的夏口V型无缺口冲击试样(GB-T 229-2006金属材料夏比摆锤冲击试验方法),尺寸为6.4×6.4×350mm。
内腔尺寸为Φ30*80的铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样用作金相分析样品，其显微组织如图7～9所示，由截面表面至中心组织中初生铝相晶粒逐渐由梅花状等非等轴晶变为球状等轴晶，表面至中心组织中初生铝相的晶粒大小仍存在较大差异，但是本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的显微组织从表面至中心的均匀性优于实施例1。合金的抗拉强度为273MPa。延伸率为3.3％。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的冲击功为25J，本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的力学性能较实施例1略有提高。
实施例3：
步骤1、锌合金原料配料：采用原材料为工业纯锌(99.9％)、工业纯铝(99.9％)。计算好各成分质量比，采用梅特勒XS105电子天平称量，其组成重量百分比为：工业纯锌95.9％、工业纯铝4.1％。
步骤2、预热金属型
将内腔尺寸分别为Φ10*100(拉伸和冲击试验样品)和Φ30*80(金相分析样品)的金属型预热到300℃，作为铸型备用。
步骤3、锌合金熔炼
将步骤1中配置好的锌合金原料和覆盖剂放入耐高温刚玉坩埚里，待熔炼炉内温度达到680℃时将坩埚放入熔炼炉内。待试样完全熔化成金属液后用耐高温石英棒充分搅拌，防止成分偏析。停止供电将金属液温度降低至620℃，制得锌合金液，然后采用六氯乙烷对锌合金液进行精炼，然后保温静置30分钟。
步骤4、出炉浇铸
将步骤3中精炼后的锌合金液浇注到步骤2中的预热的两种尺寸的金属型中随铸型缓慢冷却至室温，得到ZZnAl4Y锌合金试样。
步骤4中内腔尺寸为Φ10*100的两个铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样分别用作拉伸和冲击试验样品，拉伸试样采用标准试样(GB-T 228-2002金属拉伸试验)，原始标距尺寸为6.4×50mm，冲击试样为标准的夏口V型无缺口冲击试样(GB-T 229-2006金属材料夏比摆锤冲击试验方法),尺寸为6.4×6.4×350mm。
内腔尺寸为Φ30*80的铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样用作金相分析样品，其浇铸出来合金的显微组织如图10～12所示，由截面表面至中心组织中初生铝相晶粒大多呈均匀球状等轴晶，表面至中心组织中初生铝相的晶粒大小存在差异程度明显减小。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的显微组织从表面至中心的明显优于实施例2。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的抗拉强度为293MPa。延伸率为3.7％，冲击功为27J，本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的力学性能较实施例2明显提高。
实施例4：
步骤1、锌合金原料配料：采用原材料为工业纯锌(99.9％)、工业纯铝(99.9％)。计算好各成分质量比，采用梅特勒XS105电子天平称量，其组成重量百分比为：工业纯锌95.9％、工业纯铝4.1％。
步骤2、预热金属型
将内腔尺寸分别为Φ10*100(拉伸和冲击试验样品)和Φ30*80(金相分析样品)的金属型预热到350℃，作为铸型备用。
步骤3、锌合金熔炼
将步骤1中配置好的锌合金原料和覆盖剂放入耐高温刚玉坩埚里，待熔炼炉内温度达到680℃时将坩埚放入熔炼炉内。待试样完全熔化成金属液后用耐高温石英棒充分搅拌，防止成分偏析。停止供电将金属液温度降低至620℃，制得锌合金液，然后采用六氯乙烷对合金液进行精炼，然后保温静置30分钟。
步骤4、出炉浇铸
将步骤3中精炼后的锌合金液浇注步骤2中到预热后的两种尺寸的金属型中随铸型缓慢冷却至室温，得到ZZnAl4Y锌合金试样。
步骤4中内腔尺寸为Φ10*100的两个铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样分别用作拉伸和冲击试验样品，拉伸试样采用标准试样(GB-T 228-2002金属拉伸试验)，原始标距尺寸为6.4×50mm，冲击试样为标准的夏口V型无缺口冲击试样(GB-T 229-2006金属材料夏比摆锤冲击试验方法),尺寸为6.4×6.4×350mm。
内腔尺寸为Φ30*80的铸型中制得的ZZnAl4Y锌合金试样用作金相分析样品，其显微组织如图13～15所示，组织为多为球状等轴晶，由截面中心至表面组织中初生铝相晶粒大小差异减小，但是尺寸明显大于实施例3。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的抗拉强度为288MPa，延伸率为3.6％，冲击功为26J。本实施例制得的ZZnAl4Y锌合金的力学性能较实施例3有所下降。
上述实施例1至4、及对比实施例中的拉伸试验结果详见表1，冲击试验结果见表2。
表1 ZZnAl4Y锌合金的拉伸实验测试数据
表2 ZZnAl4Y锌合金的冲击试验测试数据
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法，其特征在于：所述方法包括将经快速熔炼制得的ZZnAl4Y锌合金液浇铸到预热温度为200~350℃的金属型中，然后随铸型冷却至室温，制得所述ZZnAl4Y锌合金；
所述金属型的预热温度在ZZnAl4Y锌合金液相线以下，ZZnAl4Y锌合金液浇铸温度为620℃；
所述快速熔炼方法为：将ZZnAl4Y锌合金原料在680℃±5℃下进行快速熔炼，然后降温至620℃±5℃，对其进行除气除渣精炼后保温静置30分钟±3分钟。
2.如权利1所述具有均匀显微组织和较高力学性能的ZZnAl4Y锌合金制备方法，其特征在于：所述金属型预热温度为200℃、250℃、300℃或350℃。
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