專利名稱：連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬凝固與塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法。
背景技術(shù)：
鋅及鋅合金由于具有良好的耐蝕性、力學(xué)性能及耐磨等性能，而被廣泛應(yīng)用于熱噴涂、電容器噴金、五金、電子、工業(yè)設(shè)備及汽車等行業(yè)。目前制備鋅及鋅合金的管、棒和線材的制造方法主要是鑄錠一擠壓一拉拔工藝。而常規(guī)鑄錠一擠壓一拉拔工藝生產(chǎn)的鋅及鋅
合金管、棒和線材的工藝流程長，其主要是由于鋅和多數(shù)鋅合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下塑性變形相當(dāng)困難。迄今為止，國內(nèi)外普遍采用的鋅及鋅合金管、棒和線材工藝流程為連續(xù)或半連續(xù)鑄造鋅及鋅合金鑄錠，然后對擠壓筒和模具進行加熱，同時將原料鋅或鋅合金進行二次加熱后裝入擠壓筒進行擠壓，之后進行多道次拉拔。因此，該種制造方法其流程長，成本高，能耗高，生產(chǎn)效率低。最近，有學(xué)者提出采用連續(xù)擠壓的方法生產(chǎn)鋅及鋅合金棒材或線材，但并沒有從根本上改變常規(guī)擠壓的生產(chǎn)工藝流程，仍然需要在鑄造成一定規(guī)格的鋅及鋅合金棒材的基礎(chǔ)上，二次加熱后在連續(xù)擠壓機上進行成形。而在連續(xù)擠壓技術(shù)上發(fā)展起來的連續(xù)鑄擠成形技術(shù)，可以將液態(tài)金屬連續(xù)鑄造與擠壓成形合為一體，也可以實現(xiàn)半固態(tài)制備與成形的一體化和連續(xù)化，屬于短流程，高效節(jié)能、成材率高的先進工藝，并且在鋁合金，鎂合金已得到成功應(yīng)用。但對該技術(shù)在鋅及鋅合金管、棒和線材加工中的應(yīng)用，還沒有進行研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有鋅及鋅合金管、棒和線材生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低和成形困難的關(guān)鍵技術(shù)問題，而開發(fā)出的一種連續(xù)鑄擠成形制備鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，將合金液態(tài)金屬的鑄造與擠壓成形進行一體化與連續(xù)化，實現(xiàn)真正意義上的低成本和短流程生產(chǎn)方式。本發(fā)明的方法包括熔煉金屬和連續(xù)鑄擠，連續(xù)鑄擠采用的設(shè)備為連續(xù)鑄擠機，連續(xù)鑄擠機由電機、減速機和主機組成，主機包括流槽、鑄擠輪、槽封塊、鑄擠靴、擠壓模、擋料塊、偏心軸、液壓缸和機架，按以下步驟進行
I、將純金屬鋅加熱至430 500°C，待全部金屬熔化后，再保溫靜置20 40min ;獲得純鋅熔體；將純金屬鋁加熱至680 720°C，待全部金屬熔化后，依次加入金屬鋅，鎂，銅或稀土元素，待全部金屬熔化后，攪拌至混合均勻，將溫度降至460 600°C后保溫靜置20 40min ;獲得鋅鋁基鋅合金熔體；將純金屬鋅加熱至600 620°C，依次加入金屬鋁，鎂，銅和鉍或稀土元素，待全部金屬熔化后，將溫度降至480 580°C后保溫靜置20 40min ;獲得鋅銅基鋅合金熔體；
上述的鋅合金成份范圍如下按重量百分比為Al O 60%，Cu O 10%，Mg O O. 05%, Bi O O. 5%或稀土元素O 1%，其中，稀土可以是La、Ce、Nd、Gd、Y、Pr中的一種或多種，余量為Zn ；
2、采用連續(xù)鑄擠機，將鋅及鋅合金熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為3 15r/min，制備出鋅及鋅合金管、棒和線材，鋅合金管材的尺寸為外徑20 125mm，壁厚3 25mm、棒和線材的直徑為6 30mm，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴中通水冷卻，使在擋料塊前端的金屬溫度為200 350°C區(qū)間，控制出線速度，使鋅及鋅合金管、棒和線材表面不出現(xiàn)周期裂紋等表面缺陷；上述的鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至100 150°C ；
連續(xù)鑄擠機的使用方法為將連續(xù)鑄擠機的擠壓模和槽封塊安裝到鑄擠機的鑄擠靴中，調(diào)整鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 5 I. Omm ;啟動鑄擠機，調(diào)整鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為3 15r/min,空轉(zhuǎn)2 4min,進行鑄擠輪和鑄擠靴體的磨合預(yù)熱至100 150°C ;通過流
槽將上述的鋅及鋅合金熔體澆注到鑄擠輪與槽封塊形成的型腔中，待擠壓模擠壓出O. 5 Im的鋅及鋅合金管、棒和線材時，開始向鑄擠輪和鑄擠靴中通冷卻水冷卻，冷卻水的流量為10 20 L/min,以平衡凝固熱和金屬變形熱，使?jié)沧⒌叫颓粌?nèi)的金屬熔體凝固后的實際溫度為200 350°C，并控制出線速度，以保證制備出的鋅及鋅合金管、棒和線材不因過熱出現(xiàn)表面周期裂紋等表面缺陷；待熔體鑄擠完畢停止?jié)沧r，調(diào)整鑄擠輪轉(zhuǎn)速為3r/min左右，并在鑄擠輪轉(zhuǎn)動條件下，將鑄擠靴與鑄擠輪分離，之后關(guān)閉電機將鑄擠輪停轉(zhuǎn)，此時繼續(xù)通冷卻水5 10分鐘，待鑄擠輪和鑄擠靴溫度降到70°C以下時，停止冷卻，關(guān)閉電源。有益效果本發(fā)明的方法首次實現(xiàn)了鋅及鋅合金管、棒和線材連續(xù)鑄擠成形，將液態(tài)鋅及鋅合金直接連續(xù)制備出高性能鋅及鋅合金管、棒和線材；與傳統(tǒng)的鑄造鋅合金錠坯、去皮加工、二次加熱、高溫擠壓、拉拔工藝方法相比，采用連續(xù)鑄擠成形工藝可節(jié)省成本30%以上、成材率達到95%以上、降低能耗40%以上；本發(fā)明的方法解決了目前生產(chǎn)鋅及鋅合金管、棒和線材生產(chǎn)工藝流程長、成形效率低、投資大、設(shè)備系統(tǒng)龐大、能耗高及成品率低等問題；本發(fā)明理論上可連續(xù)生產(chǎn)無限長的管、棒和線材，與常規(guī)擠壓時只能生產(chǎn)長度有限的產(chǎn)品相比，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明實施例I中的未經(jīng)矯直的鋅合金線材產(chǎn)品照片圖。圖2為本發(fā)明實施例I中的鋅合金線材產(chǎn)品的金相組織顯微照片圖。圖3為本發(fā)明實施例I中的鋅合金線材產(chǎn)品的室溫拉伸性能曲線圖。圖4為本發(fā)明實施例I中的鋅合金線材產(chǎn)品的極化曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明實例中采用的金屬鋅重量純度彡99. 99%，金屬鋁的重量純度彡99.9%，金屬銅的重量純度彡99. 8%，金屬鎂的重量純度彡99. 95%，金屬稀土的重量純度彡99. 9%，金屬鉍的重量純度彡99. 9% ；
本發(fā)明實例中采用的電阻爐為RL 8型電阻爐；
本發(fā)明實例中采用的坩堝為石墨坩堝；
本發(fā)明實例中采用碳化硅棒攪拌；
本發(fā)明實例中制備的鋅合金管材的尺寸為外徑20 125mm,壁厚3 25mm、棒和線材的直徑為6 30mm ；
本發(fā)明實例中采用的連續(xù)鑄擠機為中國專利“鋁合金連續(xù)鑄擠機”(專利號ZL952323184)所述的設(shè)備；本發(fā)明實例中連續(xù)鑄擠機的冷卻水的流量為10 20L/min。實施例I
將金屬鋁放在清潔的坩堝中，然后放在電阻爐內(nèi)，加熱至700°C，在金屬鋁熔化后加入金屬鋅，待全部金屬熔化后，攪拌至混合均勻，降溫至530°C，之后用干燥的六氯乙烷作凈化處理，其加入量為熔體重量O. 3%。再保溫靜置20min ;獲得鋅合金熔體，要求其成分按重量百分比為Al 15%，余量為Zn;
采用連續(xù)鑄擠機，鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至100°C，將鋅合金熔
體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成的型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為10r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為10L/min，使在擋料塊前端的金屬的溫度在300°C左右，制備出直徑為12mm的鋅合金線材；上述產(chǎn)品可以直接卷曲成盤；
上述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 9mm ；
最終鑄擠鋅合金線材的實物照片如圖I所示，該線材的金相顯微組織如圖2所示，其力學(xué)性能測試結(jié)果如圖3所示，耐蝕性測試結(jié)果如圖4所示；
獲得的鋅合金線材產(chǎn)品抗拉強度達220MPa，延伸率64%，自腐蝕電位為 I. 023V。實施例2
將金屬鋅放在清潔的坩堝中，然后放在電阻爐內(nèi)，加熱至620°C，在金屬鋅熔化后加入依次加入金屬鋁、金屬鎂、金屬鉍和金屬銅，待全部金屬熔化后，攪拌至混合均勻，降溫至580°C，之后用干燥的六氯乙烷作凈化處理，其加入量為熔體重量O. 3% ;再保溫靜置40min ；獲得鋅合金熔體，要求其成分按重量百分比為Cu 3. 5%，Al O. 1%，Mg O. 25%，Bi O. 3%，余量為Zn ；
采用連續(xù)鑄擠機，鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至150°C，將鋅合金熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為15r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴中通水冷卻，冷卻水的流量為20L/min，使在擋料塊前端的金屬熔體凝固時溫度在250°C，制備出直徑8mm的鋅合金線材；上述產(chǎn)品可以直接卷曲成盤；
上述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 8mm ；
獲得的鋅合金線材產(chǎn)品抗拉強度達289MPa，延伸率8%，自腐蝕電位為 I. 027V。實施例3
將金屬鋁放在清潔的坩堝中，然后放在電阻爐內(nèi)，加熱至680°C，在金屬鋁熔化后加入金屬鋅和金屬鈰，待全部金屬熔化后，攪拌至混合均勻，降溫至560°C，之后用干燥的六氯乙烷作凈化處理，其加入量為熔體重量O. 3%。再保溫靜置30min ;獲得鋅合金熔體，要求其成分按重量百分比為Al 15%, Ce 0.2%，余量為Zn;
采用連續(xù)鑄擠機，鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至100°C，將鋅合金熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為8 r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為15L/min，使在擋料塊前端的金屬溫度在200°C，制備出直徑為6 mm的鋅合金線材；上述產(chǎn)品可以直接卷曲成盤；
上述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 8mm ；
獲得的鋅合金線材產(chǎn)品抗拉強度達245MPa，延伸率42%，自腐蝕電位為 I. 021V。
實施例4
將金屬鋁放在清潔的坩堝中，然后放在電阻爐內(nèi)，加熱至720V，在金屬鋁熔化后加入金屬鋅，金屬鎂和金屬銅，待全部金屬熔化后，攪拌至混合均勻，降溫至60(TC，之后用干燥的六氯乙烷作凈化處理，其加入量為熔體重量O. 3%。再保溫靜置30min ;獲得鋅合金熔體，要求其成分按重量百分比為Al 27%，Cu 2% Mg O. 02%，余量為Zn ；
采用連續(xù)鑄擠機，鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至120°C，將鋅合金熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為8 r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為15L/min，使在擋料塊前端的金屬熔體凝固時溫度在220°C，制備出直徑為30mm的鋅合金棒材；
上述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為I. 0mm，鑄擠過程使用擴展成形模具，實現(xiàn)較大直徑的棒材的鑄擠過程；
其中擴展成形模的結(jié)構(gòu)由擴展腔體部分(擴展模)和成形部分(擠壓模)組成，擴展腔體為錐臺形，材料在強烈的三向壓應(yīng)力作用下，由錐臺的小端流進，大端流出而實現(xiàn)斷面擴展，之后材料流入成形部分進行擠壓；
獲得的鋅合金線材產(chǎn)品抗拉強度達430MPa，延伸率8 %，自腐蝕電位為 I. 013V。實施例5
將金屬鋅放在清潔的坩堝中，然后放在電阻爐內(nèi)，加熱至480°C，待全部金屬熔化后，降溫至450°C，之后用干燥的六氯乙烷作凈化處理，其加入量為熔體重量0.3%。再保溫靜置20min ;獲得金屬鋅熔體；
采用連續(xù)鑄擠機，鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至120°C，將鋅合金熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為12 r/min,鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為10L/min，使在擋料塊前端的金屬熔體凝固時溫度在230°C，制備出直徑為8mm的金屬鋅線材，上述產(chǎn)品可以直接卷曲成盤；上述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 8mm ；
獲得的鋅合金線材產(chǎn)品抗拉強度達160MPa，延伸率20 %，自腐蝕電位為 I. 03V。實施例6
將金屬鋁放在清潔的坩堝中，然后放在電阻爐內(nèi)，加熱至720V，在金屬鋁熔化后加入金屬鋅，金屬鎂和金屬銅，待全部金屬熔化后，攪拌至混合均勻，降溫至60(TC，之后用干燥的六氯乙烷作凈化處理，其加入量為熔體重量O. 3%。再保溫靜置30min ;獲得鋅合金熔體，要求其成分按重量百分比為Al 10%, Cu 2% Mg O. 04%，余量為Zn ；
采用連續(xù)鑄擠機，鑄擠輪和連續(xù)鑄擠機上的槽封塊在使用前預(yù)熱至120°C，將鋅合金熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成型腔中，連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪的轉(zhuǎn)速為8 r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為15L/min，使在擋料塊前端的金屬熔體凝固時溫度在350°C，制備出外徑為20mm，壁厚為3mm的鋅合金管材；
上述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 9mm，鑄擠過程使用擴展成形的分流組合模具，實現(xiàn)較大外徑管材的鑄擠過程；
其中擴展成形的分流組合模的結(jié)構(gòu)由擴展腔體部分(擴展模)、分流橋(分流和焊合)和成形部分(擠壓模)組成，擴展腔體為錐臺形，材料在強烈的三向壓應(yīng)力作用下，由錐臺的小端流進，大端流出而實現(xiàn)斷面擴展，之后材料流入分流橋并焊合，最終擠壓成形形成管材；獲得的鋅合金管材產(chǎn)品抗拉強度達480MPa，延伸率20 %，自腐蝕電位為 I. 026V。實施例7 :采用與實施例6相同的工藝步驟，制備出制備出外徑為125mm，壁厚為25mm的鋅合金管材，其產(chǎn)品抗拉強度達490MPa，延伸率21 %，自腐蝕電位為 I. 025V。上述實例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，只要是鋅或鋅合金原料，按照本發(fā)明的制造方法，都可以得到高強度高韌性的管材或棒材和線材。在本發(fā)明的精神和權(quán)力要求保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，其特征在于按如下步驟進行首先將鋅或鋅合金制備成金屬熔體；然后將連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪和槽封塊預(yù)熱，將金屬熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成的型腔中，鑄擠輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 15r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為10 20L/min，使在擋料塊前端的金屬熔體凝固時溫度在200 350°C，制備出的鋅或鋅合金棒線材直接卷曲成盤。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，其特征在于所述的鋅合金中添加金屬招、金屬鎂、金屬秘、金屬銅或稀土兀素La、Ce、Nd、Gd、Y、Pr中的ー種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，其特征在于所述的鑄擠機的鑄擠輪和槽封塊預(yù)熱溫度為100 150°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，其特征在于所述的連續(xù)鑄擠機鑄擠輪和鑄擠靴之間的間隙為O. 5 I. 0mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，其特征在于所述的鋅或鋅合金棒線或線材的直徑為6 30_。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法，其特征在于所述的鋅合金管材外徑20 125mm，壁厚3 25mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)成形鋅及鋅合金管材或棒材或線材的制備方法。首先將鋅或鋅合金制備成金屬熔體；然后將連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪和槽封塊預(yù)熱，將金屬熔體通過流槽澆注到鑄擠輪與槽封塊形成的型腔中，鑄擠輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置為8～15r/min，鑄擠時向鑄擠輪和鑄擠靴通水冷卻，冷卻水的流量為10～20L/min，使在擋料塊前端的金屬熔體凝固時溫度在180～250℃，制備出的鋅或鋅合金棒線材直接卷曲成盤；本發(fā)明的制備方法，將鋅或鋅合金熔體的鑄造與擠壓工藝進行一體化與連續(xù)化，實現(xiàn)真正意義上的低成本和短流程。
文檔編號B22D11/06GK102814478SQ201210272970
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者秦高梧, 任玉平, 李英龍, 孫世能, 李松, 左良 申請人:東北大學(xué)