一种锌铝合金管成分设计及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种锌铝合金管成分设计及制备方法，其包括以下重量百分比的原料制成：36.00%~69.00%锌、31.00%~64.00%铝、0.01%~1.00%铜、0.01%~1.00%镁、0.01%~1.0%锡、0.01%~1.00%银、0.01%~2.00%钛、0.01%~0.50%硼、0.01%~0.70%铈、0.01%~0.20%镨；上述重量百分比之和为100%。所得锌铝合金管根据成分和性能的不同，可以用于制作模具、复杂形状管件、以及用于民爆行业制作延期体，取代目前存在严重环境污染和毒性的铅锑合金管。同时锌铝合金比重轻，比铜合金材料便宜，可明显降低成本，广泛应用于冶金、矿山、轻工、食品、化工、印刷、机械设备等领域。
【专利说明】
一种锌铝合金管成分设计及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于有色金属新材料加工成形领域，具体涉及一种锌铝合金管成分设计及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 锌铝合金不含有毒重金属，价格低廉，具有优良的使用性能和加工性能，某些性能 指标具有引人注目的优势。一是具有良好的铸造工艺性能，可用于砂型、金属型及压铸生 产;二是熔点低，熔化及加工过程能耗低，纯锌的熔点仅为419.5°C，熔化潜热为117.04J/g， 熔锌的能耗仅为熔铝能耗的1/4;三是再结晶温度低，变形加工基本无加工硬化，不需要中 间退火，可大大降低生产成本，提高生产效率；四是具有良好的流动性、表面光亮度，广泛用 于钢铁的镀层保护，锌在大气中形成Ζη0、Ζη(0Η) 2或ZnCO3等致密的腐蚀产物，紧密粘附在镀 层表面，有效防止镀层的进一步腐蚀;五是具有良好的耐磨减摩性能，可以替代青铜用作耐 磨材料;六是具有较好的阻尼性能，能使强烈的振动很快衰减，可用作减震阻尼材料;七是 受冲击无火花，可用于需防爆的工作场合。随着对锌铝合金的认识逐渐深入，锌铝合金的优 势受到越来越多的关注，在世界范围内掀起了研究开发锌铝合金的热潮。
[0003] 工业延时雷管的延期体制作技术中，广泛使用的是有毒的低硬度重金属铅锑合金 管。但铅锑合金管无论是在生产、使用环节，还是在矿山或土壤中残留，都存在严重的污染 和毒性，危害极其严重。随着国内外的环保意识的强化和环保法律法规的实施，铅锑等有毒 重金属污染物和产品将最终被淘汰和禁用。唐巍在硕士论文《Zn-22wt.%Al合金在雷管延期 体中的可行性应用研究》中探索用锌铝合金替代铅锑合金管，做出了前瞻性工作，田卫平在 期刊《稀土锌铝合金的发展》中提到，稀土元素的加入可以显著改善合金的物理和机械性 能，锌铝共析合金室温超塑性也有广泛研究，在此基础上通过不同成分锌铝基合金添加稀 土元素，以及对前期成型模具及工艺做出改进，探究其合金管加工成型性能，用于制作模 具、复杂形状管件、以及用于民爆行业制作延期体，取代目前存在严重环境污染和毒性的铅 锑合金管。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供一种锌铝合金管成分设计及制备方法。所得锌铝合金具有高塑 性、低硬度的优点，可以用于制作模具、复杂形状管件、以及用于民爆行业制作延期体，能够 替代现有延期体所采用的铅锑合金管，降低环境污染，提高成材率，有很大的市场前景。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种锌铝合金管，其包括以下重量百分比的原料制成：36.00%~69.00%锌、31.00%~ 64 · 00%铝、0 · 01%~1 · 00%铜、0 · 01%~1 · 00%镁、0 · 01%~1 · 0%锡、0 · 01%~1 · 00%银、0 · 01%~2 · 00% 钛、0 · 01%~0 · 50%硼、0 · 01%~0 · 70%铺、0 · 01%~0 · 20%镨；上述重量百分比之和为100%。
[0006] 其设计和制备过程包括以下步骤： (1)合金成分、相结构和力学性质计算设计。基于晶体学结构信息和热力学性质建立适 当的热力学模型；然后运用热力学软件对热力学模型中的参数进行优化，得到相关体系的 热力学数据库;在此基础上，进一步计算各种形式的相图、相结构和占位分数，热力学函数， (2) 将步骤(1)中预测出合金组元在各个晶格中的占位分数，运用第一性原理方法计算 和优化设计合金的弹性、硬度和延伸率等力学性能； (3) 将步骤(2)优化的原料成分配比，熔炼得到多元锌铝合金铸锭;其中合金棒的制备 过程，配料相对误差不超过0.3%，浇注模具材质选热作模具钢或者石墨，特别注意除气、除 杂保证熔体干净，直接浇铸冷却得到合金棒，亦可通过结晶器下引模式冷凝获得高质量的 合金棒； (4) 将步骤(3)所得多元锌铝合金铸锭均匀化热处理，得到成分和物相均匀，组织细密 的合金； (5) 将步骤(4)所得合金进行车削加工，获得合金棒； (6) 将步骤(5)所得合金棒采用三孔分流模具进行挤压加工，得到挤压态锌铝合金管 材； (7) 将步骤(6)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，得到低硬度、高塑性的锌铝 合金管。
[0007] 所述步骤(4)的均匀化热处理过程具体包括:在300~380°C下，保温时间40~50小 时;然后在〇~15°C之间的冰水混合物中淬火，进一步将淬火态的合金锭置于热处理炉中，在 180~280°C下去应力退火0.5~1小时，然后随炉冷却。
[0008] 所述步骤(6)中的锌铝合金棒的分流挤压工艺条件为:合金棒料温度150~250°C， 模具温度150~250°C，挤压筒温度180~240°C，挤压比20~50,挤压速度10~40mm/min。
[0009] 所述步骤(7)的挤压态锌铝合金管材的精密热处理过程具体为:将所得锌铝合金 管材，置于热处理炉中，在150~250°C下去应力退火6~15小时，然后随炉冷却。
[0010]本发明中涉及的分流挤压模具，制品规格为Φ (16~18)x(2~4)，下模焊合室高度为 8~20mm〇
[0011] 本发明的有益效果在于:本发明所得的一种高塑性、低硬度锌铝合金管，根据成分 和性能的不同，可以用于制作模具、复杂形状管件、特别是用于民爆行业制作延期体，取代 目前存在严重环境污染和毒性的铅锑合金管，推动延期体无铅化进程，达到环保的目的。加 入稀土金属铈、镨可使铸态组织细化，强度和延伸率得到改善；同时高铝锌合金可减少的锌 消耗量，而且强度性能与使用特性均可提高。同时锌铝合金比重轻，比铜合金材料便宜，可 明显降低成本，广泛应用于冶金、矿山、轻工、食品、化工、印刷、机械设备等领域。
【附图说明】
[0012] 图1:为本发明实施例1、2、3、4、5、6合金成分设计时所参考的Zn-Al二元相图。
[0013]图2:为本发明实施例1中锌铝基合金铸态显微组织低倍扫描电子显微镜照片。 [0014]图3:为本发明实施例1中锌铝基合金铸态显微组织高倍扫描电子显微镜照片。 [0015]图4:为本发明实施例1中锌铝基合金挤压态显微组织低倍扫描电子显微镜照片。 [0016]图5:为本发明实施例1中锌铝基合金挤压态显微组织高倍扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0017] 实施例！ 一种锌铝合金管成分设计及制备方法，设计出附图1中Zn-Al二元相图的B成分，其含有 以下重量百分比的成分：68.6%锌、31%铝、0.03%铜、O . 02%镁、O . 03%锡、O . 01%银、O . 1%钛、 0 · 01% 硼、0 · 05%铈，0 · 15%镨； 其制备过程包括以下步骤： (1) 按照以上所设计出的原料配比，将原料置于熔炼炉中熔炼，并在热作模具中进行浇 铸造，得到多元锌铝合金铸锭;其中合金棒的制备过程，配料相对误差不超过0.3%，浇注模 具材质选热作模具钢或者石墨，特别注意除气、除杂保证恪体干净，冷却得到合金棒； (2) 将步骤(1)所得合金铸锭均匀化热处理，得到成分和物相均匀，组织细密的合金;所 述均匀化热处理过程具体包括:在300°C下，保温时间40小时;然后在8°C冰水中淬火，进一 步将淬火态的合金锭置于热处理炉中，在250°C下去应力退火0.5小时，然后随炉冷却，取样 观察其显微组织，如附图2、图3所示； (3) 将步骤(2)所得合金进行车削加工，获得合金棒； (4) 将步骤(3)所得合金棒采用三孔分流模具进行挤压加工，得到挤压态锌铝合金管 材;所述步骤(4)中的分流挤压加工条件为:合金棒温度200°C，模具温度230°C，挤压筒温度 240°C，挤压比20,挤压速度10mm/min ; (5) 将步骤(4)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，其过程具体为:将所得挤压 态锌铝合金管材，置于热处理炉中，在150°C下去应力退火9小时;得到高塑性、低硬度锌铝 合金管Zn-31A1-RE-150;取样，并制备成力学试样，测量其延伸率和维氏硬度，其显微组织， 如附图4、图5所示。
[0018] 实施例2 锌铝合金管成分，制备过程(1)、（2)、（3)和(4)如实施例1; 5)将步骤(4)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，其过程具体为:将所得挤压态 锌铝合金管材，置于热处理炉中，在250°C下去应力退火9小时;得到高塑性、低硬度锌铝合 金管Zn-31Al-RE-250;取样，并制备成力学试样，测量其延伸率和维氏硬度。
[0019] 实施例3 一种锌铝合金管成分设计及制备方法，按照附图1中Zn-Al二元相图的C成分配比，其含 有以下重量百分比的成分:56.6%锌、43%错、0.03%铜、O. O 2%镁、0.03%锡、0.01 %银、0.1 %钛、 O · 01% 硼、O · 05%铈，O · 15%镨； 其制备过程包括以下步骤： (1) 按照以上原料配比，将原料置于铸造设备中进行铸造，得到多元锌铝合金铸锭;其 中合金棒的制备过程，配料相对误差不超过〇. 3%，浇注模具材质选热作模具钢或者石墨，特 别注意除气、除杂保证熔体干净，冷却得到合金棒； (2) 将步骤(1)所得合金铸锭均匀化热处理，得到成分和物相均匀，组织细密的合金;所 述均匀化热处理过程具体包括:在300°C下，保温时间40小时;然后在8°C冰水中淬火，进一 步将淬火态的合金锭置于热处理炉中，在250°C下去应力退火0.5小时，然后随炉冷却。
[0020] (3)将步骤(2)所得合金进行车削加工，获得合金棒； (4)将步骤(3)所得合金棒采用三孔分流模具进行挤压加工，得到挤压态锌铝合金管 材;所述步骤(4)中的分流挤压加工条件为:合金棒温度200°C，模具温度230°C，挤压筒温度 240°C，挤压比20,挤压速度10mm/min; (5)将步骤(4)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，其过程具体为:将所得挤压 态锌铝合金管材，置于热处理炉中，在150°C下去应力退火9小时;得到高塑性、低硬度锌铝 合金管Zn-43A1-RE-150;取样，并制备成力学试样，测量其延伸率和维氏硬度。
[0021] 实施例4 锌铝合金管成分，制备过程(1)、（2)、（3)和(4)如实施例3; 5)将步骤(4)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，其过程具体为:将所得挤压态 锌铝合金管材，置于热处理炉中，在250°C下去应力退火9小时;得到高塑性、低硬度锌铝合 金管Zn-43Al-RE-250;取样，并制备成力学试样，测量其延伸率和维氏硬度。
[0022] 实施例5 一种锌铝合金管成分设计及制备方法，按照附图1中Zn-Al二元相图的A成分配比，其含 有以下重量百分比的成分：35.6%锌、64%错、0.03%铜、0.02%镁、0.03%锡、0.01%银、0.1%钛、 O · 01% 硼、O · 05%铈，O · 15%镨； 其制备过程包括以下步骤： (1) 按照以上原料配比，将原料置于铸造设备中进行铸造，得到多元锌铝合金铸锭;其 中合金棒的制备过程，配料相对误差不超过〇. 3%，浇注模具材质选热作模具钢或者石墨，特 别注意除气、除杂保证熔体干净，冷却得到合金棒； (2) 将步骤(1)所得合金铸锭均匀化热处理，得到成分和物相均匀，组织细密的合金;所 述均匀化热处理过程具体包括:在300°C下，保温时间40小时;然后在8°C冰水中淬火，进一 步将淬火态的合金锭置于热处理炉中，在250°C下去应力退火0.5小时，然后随炉冷却； (3) 将步骤(2)所得合金进行车削加工，获得合金棒； (4) 将步骤(3)所得合金棒采用三孔分流模具进行挤压加工，得到挤压态锌铝合金管 材;所述步骤(4)中的分流挤压加工条件为:合金棒温度200°C，模具温度230°C，挤压筒温度 240°C，挤压比20,挤压速度10mm/min ; (5) 将步骤(4)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，其过程具体为:将所得挤压 态锌铝合金管材，置于热处理炉中，在150°C下去应力退火9小时;得到高塑性、低硬度锌铝 合金管Zn-64A1-RE-150;取样，并制备成力学试样，测量其延伸率和维氏硬度。
[0023] 实施例6 锌铝合金管成分，制备过程(1)、（2)、（3)和(4)如实施例5; 5)将步骤(4)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，其过程具体为:将所得挤压态 锌铝合金管材，置于热处理炉中，在250°C下去应力退火9小时;得到高塑性、低硬度锌铝合 金管Zn-64Al-RE-250;取样，并制备成力学试样，测量其延伸率和维氏硬度。
[0024] 上述实施例所得锌铝合金管的硬度和延伸率如表1所示： 表1、不同工艺条件下得到的含不同组分的锌铝合金管的硬度、延伸率和抗拉强度。
[0025]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1. 一种锌铝合金管，其特征在于：所述锌铝合金管由以下重量百分比的原料制成： 36 · 00%~69 · 00%锌、31 · 00%~64 · 00%铝、0 · 01%~1 · 00%铜、0 · 01 %~1 · 00%镁、0 · 01%~1 · 0%锡、 0 · 01%~1 · 00%银、0 · 01%~2 · 00%钛、0 · 01%~0 · 50%硼、0 · 01%~0 · 70%铈、0 · 01%~0 · 20%镨；上述重 量百分比之和为100%。2. -种如权利要求1所述锌铝合金管的成分设计及制备方法，其特征在于:包括如下步 骤： (1) 基于晶体学结构信息和热力学性质建立适当的热力学模型，其中各物相的信息和 性质由热分析和显微组织分析等关键实验以及第一性原理等理论计算方法所得到;然后运 用热力学软件对热力学模型中的参数进行优化，得到相关体系的热力学数据库;在此基础 上，进一步计算各种形式的相图、相结构和占位分数，热力学函数； (2) 将步骤(1)中预测出合金组元在各个晶格中的占位分数，运用第一性原理方法计算 和优化设计合金的弹性、硬度和延伸率等力学性能； (3) 将步骤(2)优化的原料成分配比，熔炼得到多元锌铝合金铸锭； (4) 将步骤(3)所得的多元锌铝合金铸锭均匀化热处理，得到成分和物相均匀，组织细 密的合金； (5) 将步骤(4)所得合金进行车削加工，获得合金棒； (6) 将步骤（5)所得合金棒采用三孔分流模具进行挤压加工，得到挤压态锌铝合金管 材； (7) 将步骤(6)所得挤压态锌铝合金管材进行精密热处理，得到锌铝合金管。3. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:步骤(4)中所述的均匀化热处理具体 过程为:在300~380°C下，保温时间40~50小时;然后在0~15°C之间的冰水混合物中淬火;进 一步将淬火态的合金锭置于热处理炉中，在180~280°C下去应力退火0.5~1小时，然后随炉 冷却。4. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:步骤(6)中的锌铝合金棒的分流挤压 工艺条件为:合金棒温度150~250 °C，模具温度150~250 °C，挤压筒温度180~240 °C，挤压比20 ~50，挤压速度10~40mm/min。5. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:步骤(7)中的挤压态锌铝合金管材的 精密热处理过程具体为:将所得锌铝合金管材，置于热处理炉中，在150~250°C下去应力退 火6~15小时，然后随炉冷却。
【文档编号】C22F1/16GK106086521SQ201610461161
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】吴波, 郭明辉, 张小军, 林晋伟, 钭舒适, 周泽友
【申请人】福州大学