[发明专利]一种变形锌基合金材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锌基合金材料及其应用领域，具体涉及一种中等强度、易机加工的变形锌基合金材料及其制备方法和应用，该合金材料可应用于AC/DC电源插头、FC通讯连接器等电子、电气行业及其他相关行业。

背景技术

传统的电子、电气行业用插头、连接器材料的使用以铜合金居多，因铜合金具有优良的机加工性能和导电性能。铜合金易于机加工的重要原因在于铜合金中往往添加有Pb、Bi、Sb等改善加工性能的元素，这些元素在铜合金的晶界处形成游离的质点或金属间化合物，在切削过程中起到断屑的作用，从而使铜合金具有较好的切削性，在各行业得到广泛应用。但随着铜资源的不断开采和消耗，我国当前面临铜资源严重短缺的问题，国内资源供给率已不足25％，寻找新的合金材料替代铜合金，已是行业未来发展的趋势所在。

锌合金的原料成本比铜合金要低20-30％，并且铅、镉等有害重金属元素不是锌合金中的必加元素，因此锌合金是一种低原料成本、绿色环保的合金。传统的锌合金以铸造锌合金为主，其微观组织中含有较脆的金属间化合物相，其固溶度比较低，导致锌合金的强度较低，特别是存在难以进行后续机加工的弊端。为满足锌合金的机加工性能要求，目前已有少数变形锌合金得到开发，但一般的变形锌合金存在生产成本高、成品率低、尺寸稳定性差及力学性能较差等缺陷和不足，并且在铜合金中对提高切削性有利的Pb、Bi、Sb等元素，对锌合金反而有害，在锌合金中一般作为杂质元素进行控制。虽然现有的变形锌合金的机加工性能得到一定的改善，但是没有从根本上解决变形锌合金的后续加工问题，在实际应用中，仍不能满足现代机床对锌合金切削性能的要求。因此，如何使锌合金在强度满足要求的同时易加工，甚至达到铜合金所具有的切削性，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种易机加工的变形锌基合金材料及其制备方法和应用，该合金材料具有中等强度、高塑性、高导电率，可作为传统黄铜合金的替代品。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种变形锌基合金材料，该锌基合金材料的重量百分比组成包括：3％≤Al≤15％，0.1％≤Cu≤4.8％，余量为Zn和不可避免的杂质，该锌基合金材料的微观组织包含α相和η相，所述的α相为以Al为基体的Zn置换Al固溶体，所述的η相为以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体。

本发明变形锌基合金材料以Zn为基体，除了添加Al作为强化元素之外，还添加一定量的Cu。本发明合金的微观组织中包含两种固溶体相，即FCC结构的α相和HCP结构的η相。其中α相是以Al为基体的Zn置换Al固溶体，相比η相，α相的固溶度较高，因此α相具有更高的强度、硬度，但α相同时也是置换固溶体，因此具有良好的塑性、导电率。Cu与Al相比固溶度较低，Cu通过置换Zn固溶于Zn基体中，起到提高合金强度和改善合金塑性的作用。本发明合金的η相为以Zn为基体的Cu、Al置换Zn的固溶体，与α相一样作为固溶体，η相具有良好的塑性、导电率，能够实现易机加工和较高的导电率。本发明合金通过合理控制其元素配比，并在其微观组织中获得上述α相和η相，最终实现了变形锌基合金材料的易机加工和中等强度，其导电率能够与铅黄铜相媲美。本发明合金中由于溶质原子在α相、η相中的溶解度不同，导致合金材料的微观组织中形成具有不同硬度的区域，使合金的内部组织产生更多的界面结构，有利于切削加工过程中的断屑，改善合金的机加工性能。此外，由于不同固溶体的层次交错，使得合金整体上的变形协调能力更强，这样也促使合金后续的塑性加工变得更容易实现。

由于α相、η相两种合金相都保持了原有的端际固溶体结构，使得本发明合金的导电率可以达到传统黄铜的标准。作为插头等使用的电气产品，除了应该具备较好的导电性以外，还应具备良好的机械性能、机加工性能及耐环境腐蚀性能。

本发明的Al含量大于15％时，将导致合金的机加工性能恶化，使材料变脆；当Al含量小于3％时，α相、η相的相比例将降低，导致合金强度和塑性不够，因此Al的添加量范围应控制在3％≤Al≤15％。本发明合金中，Cu是以置换Zn原子的方式存在于锌基体中，起到提高强度、改善塑性，同时不影响导电率的作用，但Cu含量大于4.8％时，多余的Cu元素将从锌基体中析出，不利于机加工，对导电率也有一定的不利影响，当Cu含量小于0.1％时，不能起到强化作用，因此在本发明中，将Cu含量控制在0.1％≤Cu≤4.8％。