[发明专利]一种高强度易切削锌基合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于合金新材料领域，更具体地说涉及一种替代铅黄铜作普通结构件的锌基合金材料及其制备工艺。

背景技术

从二十世纪三十年代以来，在全世界范围内就开始出现铜资源紧张的局势，导致铜原料价格越来越昂贵。我国铜资源先天不足，寻找铜的替代材料的研究迫在眉睫。而我国锌资源却非常丰富，且锌基合金制备工艺简单、能耗低、污染小，因此以锌代铜是一种较为理想的选择。目前广泛用于水暖卫浴以及装饰行业的黄铜材料一般都含有1％-5％的铅，铅易溶出，造成环境污染，危害人的健康。因此，以廉价易得、绿色环保的锌基合金取代含铅有毒的黄铜材料用作普通结构件，具有显著的经济和社会效益。

新开发的锌基合金要取代铅黄铜必须满足四个方面的基本要求：无铅(或低铅)、切削性能好、能实现挤压成型、有足够高的强度。强度要求较容易达到，通过原料控制和精炼，无铅(或低铅)的要求也不难满足，但实现锌基合金的挤压成型和保证其良好的切削加工性能则通常是很难同时满足的。锌是一种密排六方晶型的金属，滑移系少，塑性变形能力差，因此到目前为止我国尚未有实现锌基合金挤压生产的报道。而要实现锌基合金的推广应用，挤压加工是一种效率很高的方法；良好的切削性能是用户的必然要求，因为铅黄铜中加入铅的目的就是为了提高其切削性能。此外，作为普通结构材料，成本问题也是必须考虑的因素。

目前应用最广泛的锌基合金是Zn-Al系合金，该系合金具有极好的热成形性能，能对其进行超塑性大变形，且该系合金的比强度很高。但Zn-Al系合金的切削性能很差，且晶间腐蚀倾向严重，不能成为典型铅黄铜HPb59-1的替代材料。

应用最广泛的能替代铅黄铜作结构件的变形锌合金主要是Zn-Cu-Ti合金，它具有强度高、抗蠕变性能好等一系列优异性能。但由于该合金中加入了Ti，使得锌基合金的成本增加，很难在日用产品领域得到推广应用。

据文献报道(蔡强.锌合金[M].长沙：中南工业大学出版社，1987。孙连超，田荣璋.锌及锌合金物理冶金学[M].长沙：中南工业大学出版社，1994)，德国曾经研究开发出一种在280-350℃温度范围内能挤压成型的锌铜基合金，具有较好的综合性能，其主要化学成分为Zn-(3.7-4.0)％Cu-(0.2-0.3)％Mg-(0.05-0.2)％Al-(0.25-0.4)％Bi，应用于对高速切削质量要求极为严格的加工领域；并且通过在该合金中加入Pb(0.6-0.8)％和Ti(0.02-0.5)％，同时将Bi含量降低一半，可进一步改善其高速切削性能。但是该合金力学性能及尺寸稳定性差，美国的兵器部门在生产这种材料的挤压棒材时并未成功。

Zn-Pd系合金具有很好的切削性能，但该系合金不能实现挤压成型；且由于有毒元素Pd的存在，其加工和使用过程中易造成环境污染。

总之，除本发明外，能取代HPb59-1铅黄铜并实现工业化生产的锌基合金在国内尚未见公开报导。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种可有效地保证合金的强度与切削性能，原材料廉价易得，且绿色环保的可替代较昂贵的铅黄铜和不锈钢产品的高强度易切削锌基合金。

本发明的另一目的旨在提供可很好制备上述高强度易切削锌基合金的工艺，该工艺简单，节约能源，可实现挤压成型。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种高强度易切削锌基合金，包括铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％，余量为锌，均以重量百分比计。

所述的合金还包括杂质0.1-0.3％，以重量百分比计。杂质为铁、铅等。

所述的高强度易切削锌基合金的制备工艺为：按重量百分比将铜2.5-2.65％，镁0.45-0.60％，铝0.20-0.35％，镧0.01-0.06％，铈0.15-0.20％加入锌锭中熔炼，搅拌并扒渣；静置后在680-760℃浇铸；采用水冷钢模铸造；将得到的铸锭挤压成型，铸锭的加热温度为350℃-410℃，挤压比为12-18；最后将挤压成型的合金在温度为220-270℃下保温20-40分钟进行退火处理，出炉空冷。