一種高塑性易切削鋅合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高塑性易切削鋅合金，其特征在于該鋅合金的重量百分比組成如下：銅1.0-10.0%、鉍0.1-3.0%、錳0.01-1.5%，鈦0.001-1%和/或鋯0.01-0.3%，以及可選擇性添加元素X和可選擇性添加元素Y，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)≤0.01%；其中X是選自鉻、釩、鈮、鎳、鈷中的至少一種，添加總量為0-1.0%；Y是選自硼、砷、磷、稀土金屬中的至少一種，添加總量為0-1.0%。該合金相對于現(xiàn)有鋅合金切削性能優(yōu)異、具有較高塑性且加工性得到很大改善，可廣泛應(yīng)用于F頭、制筆、接插件、鎖具等領(lǐng)域。
【專利說明】一種高塑性易切削鋅合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋅合金領(lǐng)域，具體指一種高塑性易切削的鋅合金，該合金主要應(yīng)用于F頭、制筆、接插件、鎖具等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬的切削加工性能是金屬材料的重要性能。如應(yīng)用于F頭、制筆、接插件、鎖具等領(lǐng)域的有色金屬都要求其具有一定的切削加工性能，通過儀表車床、自動車床、數(shù)控車床等手段對有色金屬棒材或者板材進(jìn)行切削加工，可以得到人們需要的各種尺寸和形狀的零部件，而合金切削性能的好壞對切削加工速度、表面光潔度、尺寸公差等具有非常重要的影響。[0003]現(xiàn)代制造工業(yè)中，在金屬材料中加入一定數(shù)量的易切削元素，這類材料可以用較高的切削速度和較大的切削深度進(jìn)行切削加工，可明顯提高機加工產(chǎn)品的勞動生產(chǎn)率，減少勞動強度和人工成本。同時由于金屬材料中加入的易切削元素，使金屬材料的切削抗力減小，易切削材料本身的特性起潤滑切削刀具的作用，易斷屑，減輕了磨損，從而降低了工件表面的粗糙度，提高刀具壽命和生產(chǎn)效率。但是隨著機械切削加工不斷向自動化，高速化和精密化方向發(fā)展，不但對金屬材料的切削性提出了更高要求，同時還要求材料具有一定的強度、硬度、塑性等性能，以滿足目前F頭、制筆、接插件、鎖具等零部件對材料的綜合性倉泛。
[0004]目前鋅合金已經(jīng)作為替代銅合金、鋁合金等的新一代的綠色環(huán)保、易加工新型合金的一個重要方向而進(jìn)行研究，但對于鋅合金研究最多的為Zn-Al系合金，該系列合金具有高的強度和硬度、良好的減摩擦性能，但Zn-Al系合金存在切削性能較差、晶間腐蝕傾向、尺寸穩(wěn)定性低、抗蠕變能力差、耐蝕性差等缺點，不能滿足日前上述行業(yè)對材料的易加工、高塑性等性能要求。
[0005]專利號為ZL201010147727.4，一種含鉍無鉛易切削變形鋅合金及其制備工藝，該合金重量百分計組成為鋁(Al)8~12%，銅(Cu)0.6~1.5%，鎂(Mg)0.03~0.1%，鉍(Bi)0.1~0.8%，其余為鋅(Zn)和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)含量< 0.05%。該說明書只報道了該合金具有良好的切削性能，并沒有具體的數(shù)據(jù)證明。而且作為一種鋅鋁基變形鋅合金，在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，其切削性依然無法滿足現(xiàn)代加工業(yè)的需求。
[0006]專利號為ZL201010205423.9，一種易切削高強度鋅合金，其特征在于各組分組成按重量百分比計分別為:鋁1%~25%，銅0.5%~3.5%，鎂0.005%~0.3%，錳0.01%~0.1%，以及鉍0.005%~0.15%或/和銻0.01%~0.1%，以及總量不大于0.05%的雜質(zhì)，余量為鋅，各組份的重量百分比總和為100%，還可選擇添加0.005%~0.2%的硼。該合金也是一種鋅鋁基變形鋅合金，因含有較高的鋁，因此具有較高的強度，說明書中記載抗拉強度可達(dá)400MPa以上，切削性與普通鉛黃銅相比達(dá)到80%左右，沒有超過90%，但對于延伸率的記載沒有任何提及。
[0007]正是考慮到目前鋅鋁基鋅合金材料的切削性能較差，不能滿足對切削加工性能要求較高的行業(yè)，如制筆行業(yè)用的筆殼、用于電子行業(yè)的連接器外殼、F頭、鎖具等行業(yè)，因此急需開發(fā)一種切削加工性能好、并具有一定塑性、強度等綜合性能優(yōu)異的鋅合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有易切削產(chǎn)品的現(xiàn)狀提供一種切削性能優(yōu)異、高塑性并加工性得到很大改善的易切削鋅合金。
[0009]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0010]本發(fā)明的高塑性易切削鋅合金，其特征在于該鋅合金的重量百分比組成如下:銅1.0-10.0%、
[0011]鉍0.1-3.0%、錳 0.01-1.5%，鈦 0.001-1% 和 / 或鋯 0.01-0.3%，以及可選擇性添加
元素X和可選擇性添加元素Y，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)< 0.01% ;其中X是選自鉻、釩、鈮、鎳、鈷中的至少一種，添加總量為0-1.0%;Y是選自硼、砷、磷、稀土金屬中的至少一種，添加總量為0-1.0%。
[0012]優(yōu)選方案之一為:所述鋅合金的重量百分比組成為:銅2-7%、鉍0.1-1.2%、錳0.1-0.4%、鈦0.01-0.3%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)< 0.01%。
[0013]優(yōu)選方案之二為:所述鋅合金的重量百分比組成為:銅2-7%、鉍0.1-1.2%、錳0.1-0.4%、鋯0.01-0.3%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)< 0.01%。
[0014]優(yōu)選方案之三為:所述鋅合金的重量百分比組成為:銅2-7%、鉍0.1-1.2%、錳0.1-0.4%、鈦0.01-0.3%、鋯0.01-0.3%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)(0.01%。
[0015]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述鋅合金中還含有稀土金屬0.001-0.5%。
[0016]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述鋅合金中還含有鉻0.01-0.3%。
[0017]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述鋅合金中還含有鎳0.01-0.3%。
[0018]本發(fā)明若無特殊說明，所述元素含量均為重量百分比。
[0019]制備上述易切削鋅合金的方法為:熔鑄配料時鈦、鋯、鉻、釩、鈮、鎳、鈷元素分別以鋅鈦、鋅鋯、鋅鉻、鋅釩、鋅鈮、鋅鎳、鋅鈷中間合金的形式加入，其含量占中間合金的10%。錳以鋅錳中間合金的形式加入，其中錳含量為30%。銅以銅鋅中間合金的形式加入，銅含量為60-70%。合金中余下的銅根據(jù)含量用純銅補齊。鉍和鋅根據(jù)合金元素的含量，采用純金屬的形式加入。該合金的熔鑄工藝采用工頻爐、中頻爐或反射爐熔煉，采用連續(xù)鑄造或硬模鑄造的方法制成鑄坯。然后采用熱擠壓的方法制成所需的棒材、管材或型材坯料，熱擠壓的溫度為180°C _380°C，最后經(jīng)過冷拉加工制成各種規(guī)格的棒、線、型材產(chǎn)品，應(yīng)用于自動車床、鉆床和儀表車床等機加工產(chǎn)品領(lǐng)域。
[0020]本發(fā)明新合金中，銅的添加增加了第二相的含量，起到硬化和強化的作用。銅的添加量小于1.0%不能起到硬化和強化效果，添加量超高10%，塑性變差，不易冷熱加工。銅主要以高硬度的金屬間化合物的形式存在鋅的基體中。
[0021]鉍在鋅合金中以游離態(tài)的形式分布于晶界，在高速切削時起到斷屑的作用。鉍含量過低不能很好起到斷削作用，鉍含量過高，易引起材料變脆，降低了合金的塑性，因此鉍含量控制在0.1-3.0%。
[0022]合金中的鈦、鋯起到細(xì)化晶粒、增強強度，防止偏析的作用。[0023]鉻、鎳、釩、鈮、鈷分別以少量的金屬間化合物第二相存在于鋅的基體中，起到強化的作用。硼、砷、磷、稀土金屬起到凈化晶界，排除氣體的作用。
[0024]所述鋅合金的鑄態(tài)組織的相組成為:由基體相Zn，分布于基體相中近球形的鋅銅化合物、魚骨形金屬間化合物以及游離態(tài)呈球形的Bi顆粒組成；所述魚骨形金屬間化合物主要是鋅錳銅鈦化合物和/或鋅錳銅鋯化合物，其余為鋅銅鈦和/或鋅銅鋯化合物。具體是鋅錳銅鈦Zn-Cu-T1-Mn還是鋅錳銅鋯Zn-Cu-Zr-Mn化合物抑或兩種都有，取決于合金中鈦、鋯二者只添加了其中之一或二者都有添加；鋅銅鈦Zn-Cu-T1、鋅銅鋯Zn-Cu-Zr的情形類似。
[0025]所述近球形的銅鋅化合物尺寸在10微米以上。
[0026]所述鉍以單質(zhì)的球形狀態(tài)分布于基體相的晶界上，尺寸在10微米以下。
[0027]當(dāng)合金中添加有鉻、釩、鈮、鎳、鈷中至少一種時，這些元素也與錳、鋅和銅形成化合物，并以魚骨形的形貌存在于HCP的鋅晶界上。
[0028]本發(fā)明中魚骨形，指的是其形狀與魚骨類似，呈非直線、橫向尺寸不均勻且有橫向突出物的條形形狀。具體參見附圖所示。
[0029]元素鉍以單質(zhì)的球形狀態(tài)分布于基體相的晶界上，尺寸在10微米以下(參見圖1 )，能起到迅速斷屑的作用。
[0030]本發(fā)明合金經(jīng)過擠壓等塑性加工后，粗大的金屬間化合物晶體發(fā)生破裂，合金組織發(fā)生細(xì)化，表現(xiàn)出更高的塑性(見圖2)。
[0031]如上所述，本發(fā)明的易切削鋅合金除了含有游離態(tài)分布的鉍元素外，還存在高硬度細(xì)小的Zn-Cu-T1- (Mn)等金屬間化合物鑄態(tài)組織，能譜分析確定見圖3、圖4、圖5。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，這些金屬間化合物的存在，不但能提高合金的強度和塑性，而且能提高合金的切削性能，并且是使合金表現(xiàn)出比單純添加鉍更好的切削性能，特別是存在有適量的由鈦和/或鋯跟鋅銅錳形成的金屬間化合物的情況下，對切削性能的改善尤為明顯，鈦和鋯二者之間又以鈦的效果較佳，對合金切削性的測試結(jié)果顯示這些金屬間化合物與鉍在對改善合金的切削性能方面產(chǎn)生了某種協(xié)同作用?？傊@些金屬間化合物的存在，能使合金具有非常好的綜合性能，不但綜合機械性能好，而且切削效率高。試驗表明，該合金的切削性與C3604相比可以達(dá)到80%以上，延伸率可以達(dá)到15%以上，抗拉強度330-485MPa，硬度HV85-120。
[0032]本發(fā)明的合金的優(yōu)點:
[0033](I)切削效率可達(dá)鉛黃銅的80%以上，可以實現(xiàn)無冷卻或潤滑條件下的干式切削加工、車削等機械加工，適合采用儀表車床、自動車床和數(shù)控車床加工。
[0034](2)該合金除了具有優(yōu)異的切削加工性能外，還具有較高的延伸率，延伸率可達(dá)到15%以上。
[0035](3)該合金可作為一些鉛黃銅合金棒材的替代品，主要應(yīng)用于F頭、制筆、接插件、鎖具等機加工件。
[0036]說明書附圖
[0037]圖1為本發(fā)明的典型鑄造態(tài)組織，由基體相(Zn)、近圓形的鋅銅化合物，魚骨形金屬間化合物及游離態(tài)的小尺寸鉍顆粒組成。
[0038]圖2為經(jīng)過塑性加工后破碎的組織。
[0039]圖3為Zn-Cu-Mn-Ti四元金屬間化合物的形貌及能譜分析。[0040]圖4為二元Zn-Cu合金的形貌及能譜分析。
[0041]圖5為三元Zn-Cu-Ti化合物形貌及其能譜表征。
【具體實施方式】
[0042]以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0043] 該合金的熔鑄工藝采用工頻爐、中頻爐或反射爐熔煉，采用連續(xù)鑄造或硬模鑄造的方法制成鑄坯。然后采用熱擠壓的方法制成所需的棒材、管材或型材坯料，熱擠壓的溫度為180°C _380°C，最后經(jīng)過冷拉加工制成各種規(guī)格的棒、線、型材產(chǎn)品。各實施例性能測試數(shù)據(jù)見表1。對比例ZL201010147727.4、ZL201010205423.9采用相應(yīng)專利中的方法進(jìn)行熔鑄，該兩對比例以及對比例C3604采用本實施例中相同的方法進(jìn)行加工并測試有關(guān)性能數(shù)據(jù)。
[0044]實施例1、2、3和4
[0045]生產(chǎn)工藝流程:采用半連鑄的方法制成直徑170毫米的母合金胚料，在380°C的溫度下熱擠壓成棒材胚料，用聯(lián)合拉拔的方法制成所需直徑的棒材。
[0046]采用凸輪式自動車床鉆孔將棒材成品加工成零件，切屑易碎，加工效率能達(dá)到C3604鉛黃銅棒的90%。(加工效率指形狀、尺寸完全相同的零件，采用相同的切削工具，切削參數(shù)相同，二者進(jìn)行對比。如Imin內(nèi)C3604銅合金加工100個，鋅合金可以達(dá)到90個，則加工效率為90%。下同。)。零件表面可進(jìn)行鍍鎳、鍍鉻、鍍錫等表面處理。
[0047]實施例5、6、7、8 和 9
[0048]工藝生產(chǎn)流程:采用感應(yīng)加熱的方法熔煉合金，用硬模鑄造的方法制成合金鑄錠。在240°C的溫度下擠壓成棒材坯料，用履帶式拉床制成鋅合金棒材，經(jīng)過拋光矯直后，在數(shù)控機床上加工電子產(chǎn)品。同樣規(guī)格的零件，數(shù)控機床加工效率能達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的85%。零件表面可以進(jìn)行鍍鎳、鍍鉻、鍍錫等表面處理。
[0049]實施例10、11、12
[0050]生產(chǎn)工藝流程:使用感應(yīng)加熱的方法熔煉，用硬模鑄造的方法得到母合金鑄錠，在180°C的條件下擠壓成合金棒材的胚料，經(jīng)過多模拉絲機至成品前尺寸，再經(jīng)過聯(lián)合拉拔的減徑、較直、拋光到成品。在凸輪機型自動車床干式加工，加工效率可達(dá)同樣規(guī)格C3604鉛黃銅的80%。
[0051]實施例13、14、15、16
[0052]生產(chǎn)工藝流程:使用連續(xù)鑄造的冶金方法制成母合金鑄錠坯料，經(jīng)過240°C的擠壓制成42_X 15mm異型材。
[0053]下料后使用專用鉆床加工，Φ3mm的孔深度達(dá)20mm，可以連續(xù)鉆孔20個以上而不需要冷卻，制成掛鎖鎖體零件成品，加工效率可達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的90%。
[0054]鎖體零件表面可以進(jìn)行鍍鎳、鍍鉻、鍍錫等表面處理。
[0055]實施例17、18、19
[0056]生產(chǎn)工藝流程:使用連續(xù)鑄造的冶金方法制成母合金鑄錠坯料，經(jīng)過300°C的擠壓。
[0057]用聯(lián)合拉拔的方法制成所需直徑的棒材。下料后使用專用鉆床加工，Φ9.8πιπι的孔深度達(dá)20mm，可以連續(xù)鉆孔20個以上，制成金屬筆零件成品，加工效率可達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的85%。
[0058]實施例20、21、22
[0059]生產(chǎn)工藝流程:使用連續(xù)鑄造的冶金方法制成母合金鑄錠坯料，經(jīng)過320°C的擠壓出，合適規(guī)格的棒材還料。 [0060]用聯(lián)合拉拔的方法制成所需直徑的棒材。
[0061]下料后使用專用鉆床加工，Φ3πιπι的孔深度達(dá)35臟，可以連續(xù)鉆孔20個以上而，制成金屬筆零件成品，加工效率可達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的85%。
[0062]實施例23、24、25、26
[0063]生產(chǎn)工藝流程:使用連續(xù)鑄造的冶金方法制成母合金鑄錠坯料，經(jīng)過320°C的擠壓制成Φ25πιπι棒材用聯(lián)合拉拔的方法制成所需直徑的棒材。
[0064]下料后使用臺式鉆床加工，Φ2.8mm的孔深度達(dá)25mm，可以連續(xù)鉆孔20個以上，加工效率可達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的85%。
[0065]實施例27、28、29
[0066]生產(chǎn)工藝流程:使用連續(xù)鑄造的冶金方法制成母合金鑄錠坯料，經(jīng)過340°C的擠壓制成Φ12πιπι棒材，用聯(lián)合拉拔的方法制成所需直徑的棒材。
[0067]下料后使用凸輪機床加工，可以連續(xù)生產(chǎn)200個以上零件而不需要冷卻，制成金屬筆零件成品，加工效率可達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的90%。
[0068]實施例30、31
[0069]生產(chǎn)工藝流程:使用連續(xù)鑄造的冶金方法制成合金母線坯料，經(jīng)過剝皮、減徑拉伸制成直徑10毫米線材。
[0070]下料后使用專用鉆床加工，Φ5mm的孔深度達(dá)30mm，可以連續(xù)鉆孔20個以上而零件成品，加工效率可達(dá)到C3604鉛黃銅棒材的80%。
[0071]表1本發(fā)明合金實施例與對比合金成分及性能對比
[0072]
【權(quán)利要求】
1.一種高塑性易切削鋅合金，其特征在于該鋅合金的重量百分比組成如下:銅1.0-10.0%、鉍 0.1-3.0%、錳 0.01-1.5%，鈦 0.001-1% 和 / 或鋯 0.01-0.3%,以及可選擇性添加元素X和可選擇性添加元素Y，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)<0.01%;其中X是選自鉻、釩、鈮、鎳、鈷中的至少一種，添加總量為0-1.0% ;Y是選自硼、砷、磷、稀土金屬中的至少一種，添加總量為0-1.0%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金的重量百分比組成為:銅2-7%、鉍0.1-1.2%、錳0.1-0.4%、鈦0.01-0.3%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)< 0.01%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金的重量百分比組成為:銅2-7%、鉍0.1-1.2%、錳0.1-0.4%、鋯0.01-0.3%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)< 0.01%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金的重量百分比組成為:銅2-7%、鉍0.1-1.2%、錳0.1-0.4%、鈦0.01-0.3%、鋯0.01-0.3%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)< 0.01%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金中還含有稀土金屬0.001-0.5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金中還含有鉻 0.01-0.3%。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金中還含有鎳 0.01-0.3%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鋅合金的鑄態(tài)組織的相組成為:由基體相Zn，分布于基體相中近球形的鋅銅化合物、魚骨形金屬間化合物以及游離態(tài)呈球形的Bi顆粒組成；所述魚骨形金屬間化合物主要是鋅錳銅鈦化合物和/或鋅錳銅鋯化合物，其余為鋅銅鈦和/或鋅銅鋯化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述近球形的銅鋅化合物尺寸在10微米以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高塑性易切削鋅合金，其特征在于所述鉍以單質(zhì)的球形狀態(tài)分布于基體相的晶界上，尺寸在10微米以下。
【文檔編號】C22C18/02GK103627930SQ201310606071
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】孫文聲, 楊澍, 余惺, 許丁洋, 陳永力, 周宏渤, 張明 申請人:寧波博威合金材料股份有限公司