專利名稱：一種高強(qiáng)可焊鋅合金及其管材的連續(xù)擠壓制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)可焊鋅合金及其管材的連續(xù)擠壓制備工藝，屬于金屬材料與成形技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋅合金是以鋅為基體加入其它元素生產(chǎn)的有色合金材料。在有色金屬中鋅的礦物儲(chǔ)量、產(chǎn)量和用量?jī)H次于鋁和銅，居第三位。鋅合金具有熔點(diǎn)低，鑄造性能好，機(jī)械性能優(yōu)異，生產(chǎn)工藝流程短，能耗小，原材料價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，被譽(yù)為二十一世紀(jì)的新材料。實(shí)際上，鋅合金管材與管件不僅可替代銅合金和不銹鋼等在衛(wèi)浴、機(jī)械連接、電子通訊、家電、建筑、文具、水暖、汽車、五金、裝飾等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，而且結(jié)合其性能特點(diǎn)，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域正在被不斷開發(fā)。由于鋅和多數(shù)鋅合金具有密排六方(hep)晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，在室溫塑性變形時(shí)，只有基面滑移系能夠啟動(dòng)，變形抗力比較大，流動(dòng)性和可焊性不好，實(shí)現(xiàn)其塑性成形相當(dāng)困難。近年來(lái)，通過軋制、加熱擠壓和拉拔可以生產(chǎn)鋅及鋅合金板、棒、絲材，并已大量應(yīng)用于電池殼、陽(yáng)極板、印刷板和計(jì)算機(jī)、打印機(jī)零件、通訊、橋梁、高速公路護(hù)欄、船舶制造等技術(shù)領(lǐng)域。但鋅合金管材的加工技術(shù)與應(yīng)用目前仍未見任何相關(guān)報(bào)道。鋅合金管之所以未實(shí)現(xiàn)其廣泛的應(yīng)用價(jià)值，主要是受到其加工制備技術(shù)的限制。 鋅合金管一般采用熱變形方式成形，如熱擠壓、熱軋制等。在熱變形條件下，鋅合金的錐面滑移系和柱面滑移系都能得到啟動(dòng)；且鋅合金層錯(cuò)能較低，在熱變形中很容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，因此塑性變形能力得到顯著改善。但采用常規(guī)的熱穿孔擠壓方法生產(chǎn)高強(qiáng)鋅合金無(wú)縫管材的工藝仍然比較復(fù)雜，其擠壓速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黃銅管；且穿孔力大，耗能高，模具使用壽命低；尤其擠壓縮尾非常嚴(yán)重，擠壓成材率很低。Conform連續(xù)擠壓是一種加工有色金屬材料的高效率短流程技術(shù)，其技術(shù)原理是 通過槽輪的連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)擠壓筒的無(wú)限工作長(zhǎng)度；坯料無(wú)需加熱，依靠滾輪摩擦生熱升溫； 變形力由與坯料相接觸的擠壓輪運(yùn)動(dòng)所施加的摩擦力提供，由此實(shí)現(xiàn)連續(xù)的擠壓成形。與傳統(tǒng)正、反擠壓方式相比較，連續(xù)擠壓技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)由于擠壓腔與坯料之間的摩擦大部分得到有效利用，擠壓變形的能耗大大降低；可以省略常規(guī)熱擠壓中坯料的加熱工序，通過有效利用摩擦發(fā)熱而節(jié)省能耗；可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)間斷連續(xù)生產(chǎn)，獲得長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)千米乃至更長(zhǎng)的成卷制品，生產(chǎn)效率高，能夠產(chǎn)生豐厚的經(jīng)濟(jì)效益；流變固態(tài)擠壓的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒更加細(xì)小均勻；不存在縮尾問題，沒有壓余，材料利用率高。目前，采用Conform 連續(xù)擠壓技術(shù)已實(shí)現(xiàn)鋅合金線、桿的擠壓成形；對(duì)于管材加工，采用Conform連續(xù)擠壓技術(shù)僅實(shí)現(xiàn)了軟鋁管的工程化應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在軟鋁管生產(chǎn)中已得到充分體現(xiàn)。然而，連續(xù)擠壓成形的管材屬于有縫管。采用Conform連續(xù)擠壓加工管材時(shí)，坯料一般將并被分為2-4股擠入模腔，然后在一定溫度和壓力下，幾股金屬在模具焊合室內(nèi)又被重新焊合成整體，擠出?？?，形成有縫管。擠制管材的縱面上將留下幾條縱向焊縫。焊縫的存在不僅會(huì)降低管材的力學(xué)性能，而且影響其耐腐蝕性。縱向焊縫的形成是個(gè)非常復(fù)雜的過程，被擠壓金屬本身的焊合性能，以及在模具中的流變行為、焊合面上的接觸壓力、變形溫度、焊合時(shí)間、應(yīng)變速率等熱力學(xué)條件都將影響固態(tài)焊合過程的進(jìn)行，并影響最終形成的縱向焊縫質(zhì)量。因此，要實(shí)現(xiàn)鋅合金管的連續(xù)高效擠壓成形，必須找到一種焊合性能良好的鋅合金，以及合理的擠壓工藝與擠壓模具。迄今為止，尚未有對(duì)高強(qiáng)可焊鋅合金及其管材連續(xù)擠壓技術(shù)的公開報(bào)道，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均為空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種組分配比合理、制備的合金材料具有良好的力學(xué)性能、 易實(shí)現(xiàn)擠壓成形、可焊性好的高強(qiáng)可焊鋅合金及其管材的連續(xù)擠壓制備工藝。本發(fā)明一種高強(qiáng)可焊鋅合金，由下述組分按重量百分比組成鋁8 12%;銅0.5 3%;鈦0.05 0.5%;鎂0.02 0.2%;鉻0.03 0.15%;稀土 0. 1 0.25% ；余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)；雜質(zhì)含量< 0.05%。本發(fā)明一種高強(qiáng)可焊鋅合金中，所述稀土為含La重量百分比為75-90%的富鑭稀土。本發(fā)明一種高強(qiáng)可焊鋅合金管材的連續(xù)擠壓制備工藝，包括下述步驟第一步配料、熔鑄按設(shè)計(jì)的鋅合金組分配比取鋁、銅、鈦、鎂、鉻、稀土、鋅金屬，將上述組分熔鑄成鋅合金棒；第二步連續(xù)擠壓將第一步所得鋅合金棒經(jīng)表面清洗、干燥后送入旋轉(zhuǎn)式連續(xù)擠壓機(jī)內(nèi)擠壓，擠壓模具采用階梯型模口結(jié)構(gòu)，控制擠壓輪面與槽封塊弧面之間的接觸長(zhǎng)度為220 300mm， 運(yùn)轉(zhuǎn)間隙小于0. 3mm,擠壓輪轉(zhuǎn)速為6 20轉(zhuǎn)/分鐘，使擠壓出口的鋅管溫度達(dá)到180 300°C，出口速度達(dá)到6 18米/分鐘。本發(fā)明一種高強(qiáng)可焊鋅合金管材的連續(xù)擠壓制備工藝中，所述鋅合金棒為圓棒或方棒，所述圓棒的直徑或方棒的邊長(zhǎng)為8 12mm。本發(fā)明由于采用上述組分配比，制備的鋅合金具有良好的可焊性、塑性和耐腐蝕性，以及較高的強(qiáng)度，其產(chǎn)生上述優(yōu)點(diǎn)的機(jī)理簡(jiǎn)述于下Al能較大程度地提高鋅液的流動(dòng)性，從而改善合金的鑄造性能，適量的Al還能顯著提高ai的強(qiáng)度以及塑性；Cu對(duì)ai合金不但具有強(qiáng)化作用，而且還能大大提高合金的抗晶間腐蝕能力，改善ai合金的耐蝕性，但Cu的加入增加了合金的尺寸不穩(wěn)定性，因此該合金中Cu的加入量以1 3%為宜；微量的Mg可以改善合金的老化現(xiàn)象，起到固溶強(qiáng)化、提高耐磨性能和力學(xué)性能、防止晶間腐蝕、降低合金的阻尼性能的作用，研究發(fā)現(xiàn)，Zn合金中的Al、Mg的質(zhì)量比例對(duì)鋅合金管的塑性成形與固態(tài)焊合性能有重要影響。Al、Mg在鋅基體中易形成一些脆性相，如Mg17Al12相等，當(dāng)擠壓速度較快時(shí)，很容易造成擠壓材表面開裂；焊
4縫處若存在較多的脆性相，將嚴(yán)重降低焊縫強(qiáng)度及耐蝕性；Ti能細(xì)化鋅合金晶粒，提高合金抗蠕變性能以及合金的硬度。適量的Cr能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，提高鋅合金流動(dòng)性；富La稀土的加入可以顯著細(xì)化鋅合金晶粒，去除合金中的氣體和有害雜質(zhì)，減少裂紋源，從而提高鋅合金的強(qiáng)度和加工性能，尤其是固態(tài)焊合性能。本發(fā)明高強(qiáng)可焊鋅合金的成分經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了 Al、Cu、Mg、Ti、 Cr、稀土元素含量的最佳范圍，尤其是Al/Mg比值的最佳值，從而盡量減少M(fèi)g17Al12等脆性相的產(chǎn)生，使該合金具有良好的可焊性、塑性和耐腐蝕性，以及較高的強(qiáng)度。本發(fā)明高強(qiáng)可焊鋅合金，嚴(yán)格控制鋅合金中Al、Mg元素的質(zhì)量百分比是提高鋅合金的固態(tài)焊合性能的關(guān)鍵性技術(shù)。另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是擠壓工藝與模具。鋅合金連續(xù)擠壓過程中，變形抗力高，流動(dòng)性較差，要實(shí)現(xiàn)其分流擠壓，必須合理控制擠壓溫度、速度和壓力， 并且選擇更利于金屬流動(dòng)的擠壓模具結(jié)構(gòu)。一般情況下，連續(xù)擠壓過程中的熱力學(xué)參數(shù)主要通過控制擠壓輪旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)；而擠壓模具?？谠O(shè)計(jì)成階梯結(jié)構(gòu)，更有利于鋅合金從?？跀D出，并可有效促進(jìn)其二次焊合。本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有以下優(yōu)越性(1)本發(fā)明提供的鋅合金管可代替其他合金管，尤其是資源緊缺、價(jià)格昂貴的銅合金管應(yīng)用于各領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。(2)本發(fā)明提供的鋅合金管制備過程中，利用變形鋅合金坯料與帶溝槽的旋轉(zhuǎn)擠壓輪之間產(chǎn)生強(qiáng)烈壓力和摩擦產(chǎn)生的熱量提供鋅合金的熱擠壓能量，無(wú)需對(duì)坯料加熱，節(jié)省能耗。(3)本發(fā)明提供的鋅合金管強(qiáng)度高，焊合性能良好，焊縫不影響管材的強(qiáng)度與耐蝕性。(4)本發(fā)明提供的鋅合金管采用連續(xù)擠壓的方法制成，可操作性強(qiáng)，加工效率高， 能根據(jù)實(shí)際需要制備得到各種規(guī)格的鋅合金管。綜上所述，本發(fā)明組分配比合理、制備的合金材料具有良好的力學(xué)性能、易實(shí)現(xiàn)擠壓成形、可焊性好，原材料價(jià)廉易得，鋅合金管的制備工藝設(shè)計(jì)合理，可操作性強(qiáng)，加工效率高；并且解決了常規(guī)管材擠壓工藝流程長(zhǎng)、能耗高、材料利用率低、生產(chǎn)成本高等突出問題， 具有良好的應(yīng)用前景。是一種適用于建筑、水暖、衛(wèi)浴等方面的綠色環(huán)保高強(qiáng)可焊鋅合金材料。


附圖1為鋅合金管階梯形模口擠壓模具的主視圖。附圖2為附圖1的A-A剖視圖。附圖3為實(shí)施例所制備的連續(xù)擠壓高強(qiáng)可焊鋅合金管。圖中1-內(nèi)模、2-階梯?？凇?-外模。
具體實(shí)施例方式附圖非限制性公開了本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例，下面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施實(shí)例一
一種高強(qiáng)可焊鋅合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)及其管材制備方法，其步驟如下將鋅、鋁、銅、鎂、鈦、鉻和稀土等原材料，按以下重量百分比在溶解爐中熔煉:Al 10% ；Cu 3. 0% ；Ti 0. 5% ；Mg 0. 02%, Cr 0. 03% ；稀土 0. 15% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )。熔煉后水平連鑄成直徑為9mm的鋅合金圓桿；將鋅合金圓桿坯清洗后經(jīng)送料輪送入旋轉(zhuǎn)式連續(xù)擠壓機(jī)內(nèi)擠壓，控制擠壓輪面與槽封塊弧面之間的接觸長(zhǎng)度220mm 300mm，運(yùn)轉(zhuǎn)間隙小于0. 3mm，使變形鋅合金坯料與帶溝槽的旋轉(zhuǎn)擠壓之間產(chǎn)生擠壓力和摩擦，產(chǎn)生熱量，連續(xù)擠壓出D12. 5mmX 1. 5mm鋅合金管。擠壓機(jī)參數(shù)為擠壓輪轉(zhuǎn)速12轉(zhuǎn)/分鐘，控制摩擦做功所產(chǎn)生熱量使擠壓出口鋅管的溫度在250°C左右，出口速度為 6 10米/分鐘；采用階梯式?？诮Y(jié)構(gòu)擠壓模具。本實(shí)施例制成的高強(qiáng)鋅合金管表面光滑，無(wú)明顯裂紋，通過擴(kuò)口試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)皆表明，焊縫不影響鋅合金管的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度ob = 412MPa，伸長(zhǎng)率δ =5.75%。實(shí)施實(shí)例二 一種高強(qiáng)可焊鋅合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)及其管材制備方法，其步驟如下將鋅、鋁、銅、鎂、鈦、鉻和純鈰等原材料，按以下重量百分比在溶解爐中熔煉:Al 8% ；Cu 2. 0% ；Ti 0. 2% ；Mg 0.1%，Cr 0. 1 % ；稀土 0. 1 % ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì) (雜質(zhì)含量< 0. 15% )；熔鑄成直徑為10. 5mm的鋅合金圓桿；清洗表面、風(fēng)干后經(jīng)送料輪送入旋轉(zhuǎn)式連續(xù)擠壓機(jī)內(nèi)擠壓，控制擠壓輪面與槽封塊弧面之間的接觸長(zhǎng)度220mm 300mm， 運(yùn)轉(zhuǎn)間隙小于0. 3mm，使變形鋅合金坯料與帶溝槽的旋轉(zhuǎn)擠壓之間產(chǎn)生擠壓力和摩擦，產(chǎn)生熱量，連續(xù)擠壓出DlOmmX Imm鋅合金管。擠壓機(jī)參數(shù)為擠壓輪轉(zhuǎn)速18轉(zhuǎn)/分鐘，控制摩擦做功所產(chǎn)生熱量使擠壓出口鋅管的溫度在250°C左右，制品出口速度為9 15米/分鐘， 采用階梯式?？诮Y(jié)構(gòu)擠壓模具。本實(shí)施例制成的高強(qiáng)鋅合金管表面光滑，無(wú)明顯裂紋，通過擴(kuò)口試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)皆表明焊縫不影響鋅合金管的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度ob = 397MPa，伸長(zhǎng)率δ =7.83%。實(shí)施實(shí)例三一種高強(qiáng)可焊鋅合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)及其管材制備方法，其步驟如下將鋅、鋁、銅、鎂、鈦、鉻和純鈰等原材料，按以下重量百分比在溶解爐中熔煉:Al 12% ；Cu 0. 5% ；Ti 0. 05% ；Mg 0. 2%, Cr 0. 15% ；稀土 0. 25% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量<0. 15%)；熔鑄成直徑為12mm的鋅合金圓桿；清洗表面、風(fēng)干后經(jīng)送料輪送入旋轉(zhuǎn)式連續(xù)擠壓機(jī)內(nèi)擠壓，控制擠壓輪面與槽封塊弧面之間的接觸長(zhǎng)度220mm 300mm， 運(yùn)轉(zhuǎn)間隙小于0. 3mm，使變形鋅合金坯料與帶溝槽的旋轉(zhuǎn)擠壓之間產(chǎn)生擠壓力和摩擦，產(chǎn)生熱量，連續(xù)擠壓出D12. 5mmX 1. 5mm鋅合金管。擠壓機(jī)參數(shù)為擠壓輪轉(zhuǎn)速16轉(zhuǎn)/分鐘，控制摩擦做功所產(chǎn)生熱量使擠壓出口鋅管的溫度在250°C左右，制品出口速度為8 13米/ 分鐘，采用階梯式?？诮Y(jié)構(gòu)擠壓模具。本實(shí)施例制成的高強(qiáng)鋅合金管表面光滑，無(wú)明顯裂紋，通過擴(kuò)口試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)皆表明焊縫不影響鋅合金管的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度ob = 368MPa，伸長(zhǎng)率δ =9.Μ%。本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)可焊鋅合金及其管材連續(xù)擠壓的思路與方法。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾， 這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)可焊鋅合金，由下述組分按重量百分比組成 鋁8 12% ；銅0. 5 3% ； 鈦 0. 05 0. 5% ； 鎂 0. 02 0. 2% ； 鉻 0. 03 0. 15% ；稀土 0. 1 0. 25% ；余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)；雜質(zhì)含量< 0. 05%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)可焊鋅合金，其特征在于所述稀土為含La重量百分比為75-90%的富鑭稀土。
3.制備如權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)可焊鋅合金管材的連續(xù)擠壓制備工藝，包括下述步驟第一步配料、熔鑄按設(shè)計(jì)的鋅合金組分配比取鋁、銅、鈦、鎂、鉻、稀土、鋅金屬，將上述組分熔鑄成鋅合金棒；第二步連續(xù)擠壓將第一步所得鋅合金棒經(jīng)表面清洗、干燥后送入旋轉(zhuǎn)式連續(xù)擠壓機(jī)內(nèi)擠壓，擠壓模具采用階梯型?？诮Y(jié)構(gòu)，控制擠壓輪面與槽封塊弧面之間的接觸長(zhǎng)度為220mm 300mm，運(yùn)轉(zhuǎn)間隙小于0. 3mm,擠壓輪轉(zhuǎn)速為6 20轉(zhuǎn)/分鐘，使擠壓出口的鋅管溫度達(dá)到180 300°C， 出口速度達(dá)到6 18米/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高強(qiáng)可焊鋅合金管材的連續(xù)擠壓制備工藝，其特征在于所述鋅合金棒為圓棒或方棒，所述圓棒的直徑或方棒的邊長(zhǎng)為8 12mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)可焊鋅合金，由下述組分組成鋁、銅、鈦、鎂、鉻、稀土，余量為鋅。其管材的制備工藝，包括下述步驟配料、熔鑄；連續(xù)擠壓兩道工序；本發(fā)明通過優(yōu)化合金元素配比配制高強(qiáng)可焊鋅合金，然后連續(xù)擠壓成鋅合金管。擠壓過程無(wú)需對(duì)鋅合金坯料加熱，使鋅合金通過連續(xù)大剪切變形直接在模具中以分流擠壓方式一次成形。本發(fā)明組分配比合理、制備的合金材料具有良好的力學(xué)性能、易實(shí)現(xiàn)擠壓成形、可焊性好，原材料價(jià)廉易得，鋅合金管的制備工藝設(shè)計(jì)合理，可操作性強(qiáng)，加工效率高；并且解決了常規(guī)管材擠壓工藝流程長(zhǎng)、能耗高、材料利用率低、生產(chǎn)成本高等突出問題，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C22F1/16GK102277517SQ201110138500
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者孫利平, 宋佳勝, 張銳, 曾菊花, 林高用, 王莉 申請(qǐng)人:中南大學(xué)