專利名稱：變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝，屬于金屬材料熱處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在有色金屬中，鋅的儲(chǔ)量、產(chǎn)量和用量僅次于鋁和銅，居第三位。我國具有較豐富的鋅資源，但在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，鋅及鋅合金的比例還相當(dāng)?shù)?，這主要是因?yàn)槲覈鴮ψ冃武\合金及其應(yīng)用方面的基礎(chǔ)研究較為薄弱。鋅合金是以鋅為基體加入其他元素生產(chǎn)的有色合金材料，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、原材料廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是現(xiàn)在隨著銅資源的日趨緊張，“以鋅代銅”、“以鋅節(jié)銅”等技術(shù)成為國家重點(diǎn)支持的研究與開發(fā)方向，所以目前國內(nèi)外對于鋅合金的研究逐漸成為熱點(diǎn)，鋅合金甚至被譽(yù)為二十一世紀(jì)的新材料。雖然變形鋅合金在加工速度方面受到限制，但在銅資源日益貧乏，價(jià)格上漲的時(shí)候，研究開發(fā)出在合適的領(lǐng)域替代昂貴貧乏的銅合金的變形鋅合金，受到越來越多材料工作者和產(chǎn)業(yè)界的重視。近年來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了高強(qiáng)變形Zn-Al合金的研制及熱處理、表面處理及焊接技術(shù)等方面的研究，并取得了一定的研究成果。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，變形鋅合金在國內(nèi)外的研究與應(yīng)用日益廣泛。變形鋅合金按照加工方法可分為軋制鋅合金、擠壓鋅合金和拉拔鋅合金。軋制鋅及鋅合金按成分可分為 Zn、Zn-Cu、Zn-Cu-Ti、Zn-Pb-Cd和Zn-Al合金，主要用于電池鋅板、建筑及裝飾屋面板、阻尼器件等；擠壓鋅及鋅合金按成分可分為Zn、Zn-Al, Zn-Cu-Ti、Zn-Mg、Zn-Al-Cu-Mn等，用作犧牲陽極材料、渦輪、軸套、螺母、家居、水暖、文具、拉鏈等；拉拔鋅合金主要為Zn-Al合金， 通過拉拔變形制成線、棒后，主要用作熱噴涂金屬線、焊接材料，以及制釘、螺絲、網(wǎng)等。變形Zn-Al合金在使用過程中存在著一個(gè)致命的缺點(diǎn)——“老化”，主要表現(xiàn)在尺寸不穩(wěn)定，大大降低材料的使用壽命，使其在許多場合的應(yīng)用都受到限制。一般變形Zn-Al 合金部件都是在擠壓態(tài)或普通退火后直接使用，使用過程中會(huì)發(fā)生尺寸的脹大現(xiàn)象。脹大的原因，一方面是由腐蝕引起，另一方面就是由相變引起。變形Zn-Al合金自問世以來就含有Cu，因?yàn)镃u對Zn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Zn合金的耐蝕性。但Cu的加入增加了合金的尺寸不穩(wěn)定性，含Cu的Zn合金在時(shí)效過程中最初有較大的收縮，隨后又有明顯的膨脹現(xiàn)象。 合金自然時(shí)效過程中的四相反應(yīng)α +ε -T' +β、富鋁α相的脫溶、共析反應(yīng)β — α + η 的體積效應(yīng)、富鋅Π相的脫溶等相變過程都會(huì)引起變形Zn-Al合金尺寸不同程度的收縮和膨脹。因此，對變形Zn-Al合金進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，是最大程度地消除合金中不平衡相， 促進(jìn)ε相(CuZn4)的四相反應(yīng)及過飽和固溶體的脫溶分解，降低材料或工件使用過程中由相變引起的尺寸變化的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，鋅合金常規(guī)的穩(wěn)定化熱處理工藝為低溫長時(shí)間時(shí)效處理，在100°C下保溫IOOh以后合金尺寸才趨于穩(wěn)定。孫連超在《鋅及鋅合金物理冶金學(xué)》中也曾指出Zn-10Al-5Cu-0. 55Mg合金在經(jīng)過350°C水淬+150°C時(shí)效50h后，可大大減弱使用過程中的尺寸膨脹效應(yīng)。但這兩種熱處理工藝耗時(shí)長，工藝生產(chǎn)成本高、能耗高、效率慢。迄今為止，尚未有變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝的相關(guān)專利報(bào)道，更無其耗時(shí)短、效率高的穩(wěn)定化熱處理公開技術(shù)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種工藝方法簡單、操作方便、工藝周期短、能耗低、處理后的變形Zn-Al合金組織均勻、尺寸穩(wěn)定、綜合力學(xué)性能得到明顯改善的變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝。本發(fā)明變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝，包括下述步驟第一步高溫退火將材料或工件加熱至330 370°C保溫，保溫時(shí)間根據(jù)材料或工件大小確定；第二步中溫退火將第一步加熱的材料或工件隨爐冷卻至220 280°C，保溫10 40min ；第三步低溫退火將第二步加熱的材料或工件隨爐冷卻至70 150°C，保溫6 16h，再空冷至室本發(fā)明變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝中，所述高溫退火的保溫時(shí)間為圓柱形材料或工件，按每毫米直徑保溫0. 8 1. 4min ；方形材料或工件，按每毫米厚度保溫 1. 6 2. 2min ；板形材料或工件，按每毫米厚度保溫2. 4 3. Omin，所述板形材料為寬厚比 >5;方形材料為寬厚比<5。本發(fā)明變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝中，所述Zn-Al合金中，按重量百分比， 鋁含量為5-15%，銅含量為1. 5 5%，同時(shí)，含有鎂、鈦、鉍、錫中的至少一種合金元素，余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)含量< 0. 15% ；所述鎂、鈦、鉍、錫合金元素總的重量百分比為 0. 02 2%。本發(fā)明由于采用上述穩(wěn)定化熱處理工藝，利用三重退火工藝，有效消除了合金中不平衡相，提高了合金尺寸穩(wěn)定性及綜合力學(xué)性能，為材料的后續(xù)加工使用提供了較高的精度保證，其產(chǎn)生上述優(yōu)點(diǎn)的機(jī)理簡述如下變形Zn-Al合金經(jīng)擠壓、軋制或拉拔后組織均勻且非常細(xì)小，主要包括富鋅η相、 α+ η層片狀、胞狀及粒狀組織、非平衡β (ZnAl)相，其中η相為富Zn相，α相為富Al相， β相為ZnAl相。合金在室溫自然時(shí)效過程中，非平衡β (ZnAl)相將自發(fā)分解成α + η層片狀組織，分解前后各相的點(diǎn)陣參數(shù)的不同導(dǎo)致合金的體積發(fā)生收縮；添加銅的Zn-Al合金合金中存在ε相(CuZn4),該相在常溫下參與α + ε — T' +β四相反應(yīng)，造成體積的較大程度膨脹；合金中過飽和a、n固溶體在常溫下的脫溶分解也是造成變形Zn-Al合金尺寸變化的重要因素。經(jīng)過三重退火穩(wěn)定化熱處理的變形Zn-Al合金組織發(fā)生了明顯變化， 330 370°C的高溫退火提高了合金中Cu元素的固溶度，提高了材料的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)促進(jìn)了 ε相的析出，為后續(xù)的四相反應(yīng)奠定基礎(chǔ)；中溫退火階段合金中非平衡β (ZnAl)相發(fā)生了共析反應(yīng)，使合金中的非平衡β相發(fā)生充分的分解，生成α+ η層片狀組織，提高組織均勻性；再經(jīng)低溫退火處理后合金中的ε相明顯減少，α+ η胞狀和粒狀組織顯著增多，表明Zn-Al合金只有在低溫退火過程中發(fā)生上述四相反應(yīng)以及過飽和固溶體的脫溶分解，合金的組織才能趨于均勻穩(wěn)定，且合金的強(qiáng)度和硬度稍有提高，延伸率顯著提高，綜合力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性得到較大改善。本發(fā)明變形Zn-Al合金的穩(wěn)定化熱處理工藝通過試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了保溫時(shí)間，尤其是高溫退火時(shí)間的最佳值，高溫階段加熱溫度與保溫時(shí)間實(shí)現(xiàn)定量互補(bǔ)，從而最大程度地縮短整個(gè)熱處理工藝的保溫時(shí)間，在改善合金尺寸穩(wěn)定性和綜合力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效率，減小成本。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)明提供的變形Zn-Al合金的穩(wěn)定化熱處理工藝方法簡單，操作方便。(2)本發(fā)明提供的變形Zn-Al合金的穩(wěn)定化熱處理工藝保溫時(shí)間短，比傳統(tǒng)穩(wěn)定化熱處理方法縮短70%以上的時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率，減小成本。(3)本發(fā)明提供的穩(wěn)定化熱處理后的變形Zn-Al合金尺寸穩(wěn)定性較好，保證了合金較好的尺寸精度，打破了鋅合金不能用在精密結(jié)構(gòu)件的束縛，可開拓變形鋅合金的應(yīng)用新領(lǐng)域。(4)本發(fā)明提供的穩(wěn)定化熱處理后的變形Zn-Al合金強(qiáng)度和塑性都較高，為合金的后續(xù)加工和使用提供了較好的加工基礎(chǔ)和使用性能。綜上所述，本發(fā)明采用三重退火的穩(wěn)定化熱處理方法，提高了變形Zn-Al合金的尺寸穩(wěn)定性和綜合力學(xué)性能，工藝簡單，可操作性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高；并且解決了常規(guī)變形 Zn-Al合金常規(guī)穩(wěn)定化熱處理方法耗時(shí)長、生產(chǎn)效率低、成本高等突出問題，為變形Zn-Al 合金的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)，是一種高效可行的熱處理方法。


附圖1為對比實(shí)例未經(jīng)穩(wěn)定化熱處理的變形Zn-Al合金擠壓態(tài)SEM照片。附圖2為本發(fā)明實(shí)施例1穩(wěn)定化熱處理后變形Zn-Al合金SEM照片。附圖3為本發(fā)明實(shí)施例2穩(wěn)定化熱處理后變形Zn-Al合金SEM照片。附圖4為本發(fā)明實(shí)施例3穩(wěn)定化熱處理后變形Zn-Al合金SEM照片。附圖5為本發(fā)明實(shí)施例4穩(wěn)定化熱處理后變形Zn-Al合金SEM照片。附圖6為本發(fā)明實(shí)施例5穩(wěn)定化熱處理后變形Zn-Al合金SEM照片。附圖7為本發(fā)明實(shí)施例6穩(wěn)定化熱處理前后試樣彎曲試驗(yàn)實(shí)物圖。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)合圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。對比例將鋅、鋁、銅、鎂、鈦、鉍等原材料，按以下重量百分比在溶解爐中熔煉Al 10% ； Cu 2.5% ；Ti 0. 5 % ；Mg 0. 02%, Bi 0. 03 % ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量 < 0. 15% )。熔鑄后擠壓成直徑為15mm的棒材；對擠壓態(tài)的合金進(jìn)行組織觀察及力學(xué)性能測試，參見圖1，變形Zn-IOAl合金組織存在富鋅η相、α+ η層片狀、胞狀及粒狀組織、ε 相和非平衡黑色β (ZnAl)相。力學(xué)性能指標(biāo)見表1。實(shí)施例1 將成分為Al 10% ；Cu 2. 5% ；Ti 0. 5% ；Mg 0. 02%, Bi 0. 03% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓棒在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，隨爐升溫加熱至360°C，保溫20min，然后隨爐冷卻至260°C，再保溫lOmin，再隨爐冷卻至140°C，保溫8h，空冷至室溫。對熱處理后的合金進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試，參見附圖2，與對比例相比，本實(shí)施實(shí)例穩(wěn)定化熱處理后的變形Zn-IOAl合金組織中，非平衡 β (ZnAl)相基本消失，富銅ε相基本消除。本實(shí)施例穩(wěn)定化熱處理后的合金力學(xué)性能指標(biāo)見表1。實(shí)施例2:將成分為Al 10% ；Cu 1. 5% ；Ti 0. 5% ；Mg 0. 02%, Bi 0. 03% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓棒在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，隨爐升溫加熱至340°C，保溫30min，然后隨爐冷卻至225°C，再保溫20min，再隨爐冷卻至90°C，保溫14h，空冷至室溫。對熱處理后的合金進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試，參見附圖3，與對比例相比，本實(shí)施實(shí)例穩(wěn)定化熱處理后的變形Zn-IOAl合金組織中，非平衡 β (ZnAl)相已發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變成α+ η層片狀、胞狀及粒狀組織，富銅ε相有所減少。 本實(shí)施例穩(wěn)定化熱處理后的合金力學(xué)性能指標(biāo)見表1。實(shí)施例3 將成分為Al 10% ；Cu 2. 5% ；Ti 0. 5% ；Mg 0. 02%, Bi 0. 03% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓幫在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，隨爐升溫加熱至350°C，保溫25min，然后隨爐冷卻至240°C，再保溫15min，再隨爐冷卻至120°C，保溫10h，空冷至室溫。對熱處理后的合金進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試，參見附圖4，與實(shí)施例1的組織相比，組織并未發(fā)生明顯變化，從實(shí)際生產(chǎn)角度來看，延長低溫退火保溫時(shí)間是不必要的。本實(shí)施例穩(wěn)定化熱處理后的合金力學(xué)性能指標(biāo)見表1。實(shí)施例4 將成分為Al 5% ；Cu 3.0% ；Ti 0. 3% ；Bi 0. 05% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì) (雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓棒在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，隨爐升溫加熱至350°C，保溫24min，然后隨爐冷卻至250°C，再保溫13min，再隨爐冷卻至120°C，保溫 10h，空冷至室溫。對熱處理后的合金進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試，參見附圖5，本實(shí)施實(shí)例穩(wěn)定化熱處理后的變形Zn-SAl合金組織中，非平衡黑色β (ZnAl)相基本消失，富銅 ε相基本消除。本實(shí)施例穩(wěn)定化熱處理后的合金力學(xué)性能指標(biāo)見表1。實(shí)施例5 將成分為Al 15% ；Cu 3. 5% ；Mg 0. 02%, Bi 0. 02%, Sn 0. 01 ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓棒在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，隨爐升溫加熱至340°C，保溫28min，然后隨爐冷卻至225°C，再保溫20min，再隨爐冷卻至100°C，保溫12h，空冷至室溫。對熱處理后的合金進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試，參見附圖6，與對比例相比，本實(shí)施實(shí)例穩(wěn)定化熱處理后的變形Zn-15A1合金組織中，非平衡 β (ZnAl)相已發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變成α+ η層片狀、胞狀及粒狀組織，富銅ε相有所減少。 本實(shí)施例穩(wěn)定化熱處理后的合金力學(xué)性能指標(biāo)見表1。實(shí)施例6 將成分為Al 10% ；Cu 3. 0% ；Ti 0. 5% ；Mg 0. 02%, Bi 0. 03% ；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓幫在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，隨爐升溫加熱至350°C，保溫25min，然后隨爐冷卻至240°C，再保溫15min，再隨爐冷卻至120°C，保溫10h，隨爐冷至室溫。對熱處理前后的材料車加工成直徑為6mm圓棒試樣， 試樣中心加載5MPa力進(jìn)行簡支梁彎曲試驗(yàn)，10天后取下，試樣均發(fā)生了不同程度的彎曲， 測量后進(jìn)行撓度計(jì)算對比，未經(jīng)穩(wěn)定化熱處理的試樣撓度為1. 974mm，穩(wěn)定化熱處理后的試樣撓度為1. 322mm,即經(jīng)本發(fā)明提供的三重退火穩(wěn)定化熱處理后，合金尺寸穩(wěn)定性提高了 33.03%。本實(shí)施例穩(wěn)定化熱處理后的試樣彎曲試驗(yàn)宏觀形貌見圖7。實(shí)施例7:將成分為Al 10%;Cu 5. 0%;Ti 0. 5%;Mg 0. 02%,Bi 0. 03%；其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)(雜質(zhì)含量< 0. 15% )的變形Zn-Al合金擠壓幫在電阻爐中進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理， 隨爐升溫加熱至350°C，保溫25min，然后隨爐冷卻至240°C，再保溫15min，再隨爐冷卻至 120°C，保溫10h，隨爐冷至室溫。對熱處理前后的材料按GB/T 2039-1997車加工成拉伸蠕變試樣，在蠕變試驗(yàn)機(jī)上加載5MPa的力進(jìn)行恒載荷拉伸試驗(yàn)，10天后取下試樣進(jìn)行測量對比，未經(jīng)穩(wěn)定化熱處理的試樣尺寸蠕變量為1. 065%，穩(wěn)定化熱處理后的試樣尺寸蠕變量為 0.663%，即經(jīng)本發(fā)明提供的三重退火穩(wěn)定化熱處理后，合金尺寸穩(wěn)定性提高了 37. 75%。表1實(shí)施實(shí)例及對比實(shí)例的力學(xué)性能
權(quán)利要求
1.變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝，包括下述步驟 第一步高溫退火將材料或工件加熱至330 370°C保溫，保溫時(shí)間根據(jù)材料或工件大小確定； 第二步中溫退火將第一步加熱的材料或工件隨爐冷卻至220 280°C，保溫10 40min ； 第三步低溫退火將第二步加熱的材料或工件隨爐冷卻至70 150°C，保溫6 16h，再空冷至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝，其特征在于所述高溫退火的保溫時(shí)間為圓柱形材料或工件，按每毫米直徑保溫0. 8 1. 4min ；方形材料或工件，按每毫米厚度保溫1. 6 2. 2min ；板形材料或工件，按每毫米厚度保溫2. 4 3. Omin0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變形Zn-Al合金穩(wěn)定化熱處理工藝，其特征在于所述Zn-Al 合金中，按重量百分比，鋁含量為5 15%，銅含量為1. 5 5%，同時(shí)，含有鎂、鈦、鉍、錫中的至少一種合金元素，余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)含量< 0. 15% ；所述鎂、鈦、鉍、錫合金元素總的重量百分比為0. 02 2%。
全文摘要
本發(fā)明涉及變形Zn-Al合金的一種穩(wěn)定化熱處理方法，其工藝步驟如下將材料或工件在電阻爐內(nèi)加熱至300～370℃，根據(jù)材料或工件大小，保溫一定時(shí)間，隨爐冷卻至220～280℃，保溫10～40min，再隨爐冷卻至70～150℃，保溫6～16h，然后空冷至室溫。本發(fā)明采用三重退火的穩(wěn)定化熱處理方法，可有效改善變形Zn-Al合金組織均勻性，提高了變形Zn-Al合金的尺寸穩(wěn)定性和綜合力學(xué)性能，工藝簡單，可操作性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高；并且解決了常規(guī)變形Zn-Al合金常規(guī)穩(wěn)定化熱處理方法耗時(shí)長、生產(chǎn)效率低、成本高等突出問題，為變形Zn-Al合金的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)，是一種高效可行的熱處理方法。
文檔編號(hào)C21D1/26GK102286715SQ20111026592
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者宋佳勝, 張銳, 曾菊花, 林高用, 王莉, 雷玉霞 申請人:中南大學(xué)