專利名稱：一種鋅基合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋅基合金領(lǐng)域，尤其涉及一種鋅基合金的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模具應(yīng)用的范圍越來越廣泛，對于制造多品種、小批量或頻 繁更改形狀的產(chǎn)品模具，如注塑模、吹塑模、壓塑模等，要求具有制造周期短、制作難度小且 成本低的特點。鋼模模具制造成本高、周期長，鋅基合金以其成本相對較低而廣泛應(yīng)用于制 造此類模具。直接采用金屬鋅不能滿足模具在塑性、硬度、強度等性能方面的要求，通常需要在 鋅中加入其他金屬以改善其物理機械性能。例如Zn-Al-Cu-Mg系合金中，通過添加Al、Cu、 Mg元素可以進一步提高合金的各種物理機械性能，例如硬度和耐磨性。例如CN101928860中公開了一種制造模具用鋅合金，該鋅基合金中含有Al，Mg， Cu, Re,Mn, Ti和B。若采用常規(guī)的物理共混后直接熔化制備該鋅基合金，一方面Cu、Mn、Ti、 B的熔點非常高，直接加入金屬鋅中難以熔化，因此難以分散均勻，導(dǎo)致得到的鋅基合金的 一致性較差，所得到的鋅基合金的機械性能也較差。另一方面，高溫熔融對能量和設(shè)備要求 均較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大大提高。因此，鋅基合金中，添加的其他金屬元素如何在鋅基合金 中分布均勻，添加方法如何實現(xiàn)簡單易行、節(jié)能環(huán)保、對設(shè)備要求低等方面仍存在一系列的 技術(shù)問題。例如，如銅的熔點達1083°C，鈦的熔點高達1668°C，直接加入很難熔化，因此難 以在鋅中分布均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的鋅基合金機械性能較差、制備成本較高的技術(shù)問題。本發(fā)明提供了一種鋅基合金的制備方法，包括以下步驟
DAl-Cu合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài)下 加入金屬Cu，升溫至金屬Cu完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Cu合金；
2)A1-Mn合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài)下 加入金屬Mn，升溫至金屬Mn完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Mn合金；
3)A1-Ti-B合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài) 下加入金屬Ti和金屬B，升溫至金屬Ti和金屬B完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Ti-B合
4)鋅基合金制備將Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金、稀土金屬和金屬Mg加入 熔融的金屬Zn中，待全部熔化后充分?jǐn)嚢瑁尤朐煸鼊┖蟊?；降溫后扒渣，澆鑄成錠，冷 卻后得到鋅基合金，所述鋅基合金為Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re為稀土金屬。本發(fā)明提供的鋅基合金的制備方法，通過先制備中間合金Al-Cu合金、Al-Mn合金 以及Al-Ti-B合金，然后再與金屬鋅及其它金屬共熔，從而制備本發(fā)明的鋅基合金。采用本發(fā)明中的制備方法，能有效降低溫度從而降低對能量和設(shè)備的要求；另外，本發(fā)明中雖然溫 度較低，但是仍能將各種金屬完全熔融，使得鋅基合金中各種金屬分散均勻，從而保證鋅基 合金的各種機械性能。從表1的測試結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明的制備方法得到的鋅基合 金，在保證抗拉強度大于280Mpa，布氏硬度大于130 N/mm2和耐磨性基本不變的前提下，收 縮率小于0. 8%，說明合金的尺寸穩(wěn)定性和制模精度較高，腐蝕失重率<1. 5 gcm_2，耐腐蝕性 得到明顯提高。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種鋅基合金的制備方法，包括以下步驟
DAl-Cu合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài)下 加入金屬Cu，升溫至金屬Cu完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Cu合金；
2)A1-Mn合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài)下 加入金屬Mn，升溫至金屬Mn完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Mn合金；
3)A1-Ti-B合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài) 下加入金屬Ti和金屬B，升溫至金屬Ti和金屬B完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Ti-B合
4)鋅基合金制備將Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金、稀土金屬和金屬Mg加入 熔融的金屬Zn中，待全部熔化后充分?jǐn)嚢?，加入造渣劑后保溫；降溫后扒渣，澆鑄成錠，冷 卻后得到鋅基合金，所述鋅基合金為Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re為稀土金屬。本發(fā)明的發(fā)明人通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明中通過先制備中間合金Al-Cu合金、 Al-Mn合金以及Al-Ti-B合金，由于中間合金的熔點大大低于單質(zhì)金屬的熔點，所以能降低 后續(xù)制備鋅基合金過程中的熔化溫度，使得本發(fā)明中在較低溫度下仍然制得均勻分散、各 種機械性能優(yōu)異的鋅基合金。雖然現(xiàn)有技術(shù)中有公開通過制備中間合金從而制備各種模具中合金的方法，但 是，在實際生產(chǎn)過程中，不同合金由于其原料種類以及含量的不同，很難確定選擇制備何種 中間合金。如果中間合金選擇不合理，會引入大量雜質(zhì)，導(dǎo)致合金元素出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，合金 的綜合性能大大降低。本發(fā)明中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過制備Al-Cu合金、Al-Mn合金以及Al-Ti-B合金此三種 中間合金，一方面能降低熔點，從而降低熔融溫度，實現(xiàn)低溫下共熔制備均一的鋅基合金； 另一方面，如果直接對各金屬單質(zhì)進行熔融，由于熔融溫度過高，另外，熔融還需在惰性氣 氛中進行，因此，熔融設(shè)備同時承受高溫和高壓，對設(shè)備的要求很高，而本發(fā)明中，熔融溫度 降低，能大大降低對設(shè)備的要求，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明制備的鋅基合金為Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re為稀土金屬。以鋅 基合金的總質(zhì)量為基準(zhǔn)，Al的含量為5 22wt%，Mg的含量為0. 01 0. 05wt%, Cu的含量 為1 10wt%，稀土金屬Re的含量為0. 05 0. 5wt%, B的含量為0. 01 0. 05wt %，Ti的 含量為0. 05 0. 2wt%, Mn的含量為0. 05 0. 2wt%，余量為Zn。其中稀土元素Re為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，包括鑭系元素、鈧(Sc)和釔(Y)共17 種。優(yōu)選情況下，所述稀土金屬Re選自鑭(La)、鋪(Ce)、釹(Nd)、釤(Sm)、釔(Y)中的一種 或多種。
根據(jù)本發(fā)明的制備方法，先制備Al-Cu合金。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，制備Al-Cu合 金時，金屬Al、金屬Cu的質(zhì)量比為1 1時得到的Al-Cu合金的熔點最低，因此后續(xù)制備鋅 基合金時對Al、Cu所需的熔融溫度也較低。類似的，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)制備Al-Mn合金時，金屬Al、金屬Mn的質(zhì)量比為1 2時得 到的Al-Mn合金的熔點最低；制備Al-Ti-B合金時，金屬Al、金屬Ti、金屬B的質(zhì)量比為 5:1: 1時得到的Al-Ti-B合金的熔點最低。根據(jù)本發(fā)明的制備方法，步驟1 3中制備中間合金時，均需先將金屬Al完全熔 融，在加入其它對應(yīng)金屬，從而制備對應(yīng)的中間合金。所述將金屬Al完全熔融的溫度優(yōu)選 為700 750°C，從而一方面保證Al完全熔融，另一方面防止其它金屬加入時體系溫度驟降 導(dǎo)致添加元素不能充分熔化，降低添加元素利用率。步驟1中，升溫至金屬Cu完全熔化的溫度為800 900°C。在該溫度下，金屬Cu 完全熔化，然后降溫、保溫即可得到Al-Cu合金。優(yōu)選情況下，所述降溫后保溫為先將熔煉 爐內(nèi)的溫度降溫至700°C后保溫20min。步驟2中升溫至金屬Mn完全熔化的溫度為1050 1150°C。在該溫度下，金屬Mn 完全熔化，然后降溫、保溫即可得到Al-Mn合金。優(yōu)選情況下，所述降溫后保溫為先將熔煉 爐內(nèi)的溫度降溫至800°C后保溫40min。步驟3中升溫至金屬Ti和金屬B完全熔化的溫度為1100 1200°C。在該溫度 下，金屬Ti和金屬B完全熔化，然后降溫、保溫即可得到Al-Ti-B合金。優(yōu)選情況下，所述 降溫后保溫為先將熔煉爐內(nèi)的溫度降溫至800°C后保溫40min。步驟4中，將前面制得的Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金，以及稀土金屬和 金屬Mg加入熔融的金屬Zn中。其中，金屬Zn的熔融溫度為420 450°C。然后升溫，至混 合體系全部熔化，所述全部熔化的溫度為700 800°C。然后往熔融的混合體系中加入造渣 劑，并覆蓋混合體系，保溫lh。降溫至600°C后進行扒渣，澆鑄成錠。其中，澆鑄成錠的溫度為530 560°C。澆鑄的方式可采用重力澆鑄，但不限定于 此。澆鑄完成后，冷卻，得到所述鋅基合金。所述冷卻的方式可采用水冷。本發(fā)明中，優(yōu)選情況下，在制備Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金的步驟1 3中，也可包括加入造渣劑的步驟。所述造渣劑，一方面能起到保溫的作用，另一方面利于造 渣，從而降低合金中渣的含量，提高鋅基合金的綜合性能。所述造渣劑可采用現(xiàn)有技術(shù)中 的各種造渣劑，例如可以選自炭粉、NH4Cl中的一種。本發(fā)明中，所述造渣劑還可以直接采用 本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的鋅(II )型造渣劑、鋅(III)型造渣劑。本發(fā)明中，中間合金以及鋅基合金的制備均在惰性氣氛或真空狀態(tài)中進行。由于 中間合金和鋅基合金的制備溫度較高，若直接在大氣中進行，高溫的各種金屬會與空氣中 的各種氣體發(fā)生反應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為各種金屬化合物，導(dǎo)致合金的性能大大降低。因此，本發(fā)明 中，為防止金屬副反應(yīng)發(fā)生，所述制備均在惰性氣氛或真空狀態(tài)中進行。所述惰性氣氛所采 用的氣體選自氮氣或元素周期表上第零族的各種惰性氣體。優(yōu)選情況下，所述惰性氣氛所 采用的氣體選自氮氣、氦氣、氬氣。本發(fā)明中，為保證合金中各金屬分散均勻，所述制備過程需在攪拌狀態(tài)下進行。但 是由于制備過程中溫度較高，因此現(xiàn)有技術(shù)中常用的攪拌棒不能滿足生產(chǎn)要求。例如，如果 采用鑄鐵或鋼作為攪拌棒，會造成攪拌棒熔融，從而給合金中引入鐵、鉛等雜質(zhì)元素。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，本發(fā)明中，所述攪拌采用長直木棍進行。采用該長直木棍進行 攪拌，高溫下木棍燃燒主要轉(zhuǎn)化成炭，一方面炭具有還原性，能有效防止鋅基合金中的金屬 被氧化；另一方面，炭可起到造渣的作用，進一步降低鋅基合金中的雜質(zhì)和渣量。為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 實施例，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本 發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實施例1
(1)將Al與Cu按質(zhì)量比1 1混合置入帶有惰性氣體保護狀態(tài)下的高頻感應(yīng)電爐中 進行熔煉；
(2)將Al與Mn按質(zhì)量比1 2混合置入帶有惰性氣體保護狀態(tài)下的高頻感應(yīng)電爐中 進行熔煉；
(3)將Al與Ti、B按質(zhì)量比5 1 1混合置入帶有惰性氣體保護狀態(tài)下的高頻感應(yīng) 電爐中進行熔煉；
(4)將Al-Cu、Al-Mn,Al-Ti-B中間合金以及稀土 La、鎂原料放入熔融的溶液中熔 煉，重力澆鑄并水冷，得到本實施例的鋅基合金Si。實施例2
采用與實施例1相同的步驟制備本實施例的鋅基合金S2，不同之處在于步驟(1)中， Al與Cu質(zhì)量比為1 1. 2。實施例3
采用與實施例1相同的步驟制備本實施例的鋅基合金S3，不同之處在于步驟(2)中， Al與Mn質(zhì)量比為1 2. 5。對比例1
按照鋁 5% 22%，鎂 0. 01% 0. 05%、銅 1% 10%、稀土 La 0. 05% 0. 5%、硼 0. 01% 0. 05%、鈦 0. 059Γ0. 2%、錳0. 059Γ0. 2%，其余為鋅的合金的組成要求，分別秤取塊狀、粒狀或粉末狀的
金屬原料。然后將金屬原料直接混合并置入帶有惰性氣體保護狀態(tài)下的高頻感應(yīng)電爐中，然 后升溫至金屬原料全部熔化，得到本對比例的鋅基合金DS1。性能測試
1、記錄實施例1 3以及對比例1中制備鋅基合金過程中高頻感應(yīng)電爐內(nèi)的最高溫度。2、測試合金樣品Sl S3和DSl的布氏硬度、抗拉強度、耐磨性、收縮率、制模精度 和耐腐蝕性。測試結(jié)果如表表 1
1所示。
權(quán)利要求
1.一種鋅基合金的制備方法，包括以下步驟DAl-Cu合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài)下 加入金屬Cu，升溫至金屬Cu完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Cu合金；2)A1-Mn合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài)下 加入金屬Mn，升溫至金屬Mn完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Mn合金；3)A1-Ti-B合金制備惰性氣氛保護或真空狀態(tài)下，升溫至金屬Al完全熔融，攪拌狀態(tài) 下加入金屬Ti和金屬B，升溫至金屬Ti和金屬B完全熔化，降溫后保溫，得到Al-Ti-B合4)鋅基合金制備將Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金、稀土金屬和金屬Mg加入 熔融的金屬Si中，待全部熔化后充分?jǐn)嚢?，加入造渣劑后保溫；降溫后扒渣，澆鑄成錠，冷 卻后得到鋅基合金，所述鋅基合金為Si-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re為稀土金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鋅基合金中，Al的含量為5 22wt%，Mg的含量為0. 01 0. 05wt%, Cu的含量為1 10wt%，稀土金屬Re的含量為0. 05 0. 5wt%, B的含量為0. 01 0. 05wt %，Ti的含量為0. 05 0. 2wt%, Mn的含量為0. 05 0. 2wt%，余量為 Zn。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，稀土金屬Re選自鑭、鈰、釹、釤、 釔中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中金屬Al、金屬Cu的質(zhì)量比 為1 1 ；步驟2中金屬Al、金屬Mn的質(zhì)量比為1 2 ；步驟3中金屬Al、金屬Ti、金屬B 的質(zhì)量比為5 1 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1 3中升溫至金屬Al完全熔 融的溫度為700 750°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的制備方法，其特征在于，步驟1中升溫至金屬Cu完全熔 化的溫度為800 900°C;步驟2中升溫至金屬Mn完全熔化的溫度為1050 1150°C;步驟 3中升溫至金屬Ti和金屬B完全熔化的溫度為1100 1200°C ；步驟4中全部熔化的溫度 為 700 800"C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中降溫后保溫為降溫至700°C 后保溫20min ；步驟2中降溫后保溫為降溫至800°C后保溫40min ；步驟3中降溫后保溫為 降溫至800°C后保溫40min ；步驟4中降溫后扒渣為降溫至600°C后進行扒渣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，澆鑄成錠的溫度為530 560°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中升溫至金屬Cu完全熔化后 還包括加入造渣劑的步驟；步驟2中升溫至金屬Mn完全熔化后還包括加入造渣劑的步驟； 步驟3中升溫至金屬Ti和金屬B完全熔化后還包括加入造渣劑的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的制備方法，其特征在于，造渣劑為炭粉、NH4Cl中的一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣氛所采用的氣體選自氮 氣或元素周期表第零族的惰性氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，攪拌采用長直木棍進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋅基合金的制備方法，包括以下步驟先分別制備Al-Cu合金、Al-Mn合金和Al-Ti-B合金，然后將Al-Cu合金、Al-Mn合金、Al-Ti-B合金、稀土金屬和金屬Mg加入熔融的金屬Zn中，全部熔化后造渣、扒渣，澆鑄成錠，冷卻即可得到鋅基合金，所述鋅基合金Zn-Al-Mg-Cu-Re-Mn-Ti-B，其中Re為稀土金屬。本發(fā)明提供的制備方法，能有效降低溫度從而降低對能量和設(shè)備的要求；另外，采用本發(fā)明的制備方法得到的鋅基合金具有優(yōu)異的機械性能。
文檔編號C22C1/03GK102121079SQ20111007210
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者張偉, 張德晶, 李正明, 陳順 申請人:株洲冶煉集團股份有限公司