一種可冷鐓的變形鋅合金及其應(yīng)用的制作方法

本發(fā)明涉及鋅合金及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有單相基體組織的變形鋅合金，該鋅合金可進(jìn)行冷鐓等冷變形加工，具體可應(yīng)用于各種電源插頭、接線柱等產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

冷鐓技術(shù)是一種高速變形的冷加工技術(shù)，通過各種模具將金屬棒線材快速加工成各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。與傳統(tǒng)的車削技術(shù)相比較，冷鐓可以提高材料的利用率，降低損耗，提高勞動效率，并且冷鐓產(chǎn)品組織均勻、致密，已廣泛應(yīng)用于各種標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品，因此冷鐓成為金屬材料加工成型的重要手段。

冷鐓對金屬材料的性能要求很高，要求金屬材料具備良好的組織均勻性、流動性和成型性，同時對金屬材料的硬度、屈服強度和韌性等均有較高要求，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜對材料的綜合性能要求越高。目前常見的用于冷鐓的金屬材料有：鐵合金、不銹鋼、鋁合金、紫銅及鈦合金等。

金屬材料的冷鐓成型性能、塑性、剪切強度及顯微組織密切相關(guān)。當(dāng)材料的塑性較好時，材料本身的變形能力比較強，在冷鐓大變形過程中不容易產(chǎn)生裂紋；當(dāng)材料的剪切強度較高時，抗剪切變形能力較好，冷鐓變形帶分岔部位的晶粒在受到剪切應(yīng)力的作用時不容易發(fā)生斷裂。因此良好的塑性和理想的抗剪切變形能力是確保鋅基合金在冷鐓大變形過程中不產(chǎn)生裂紋的前提基礎(chǔ)。冷鐓產(chǎn)品的變形加工往往要經(jīng)過多個模具、多道次、大變形量的加工，如果金屬材料的加工硬化率比較高，會出現(xiàn)加工硬化的現(xiàn)象，難以保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。所以加工硬化不明顯的材料更適合于冷鐓加工技術(shù)，而鋅合金屬于在加工變形過程中，加工硬化不明顯的材料，銅合金、鋼鐵等屬于加工硬化的材料，因此相比于銅合金和鋼鐵等材料，鋅合金用于冷鐓具有天然的優(yōu)勢。

鋅是一種重要的有色金屬，具有良好的導(dǎo)電性、壓延性及耐磨性，雖然目前鋅在有色金屬領(lǐng)域的使用量僅次于銅及鋁，但是現(xiàn)階段對鋅的使用大多集中在銅合金或鋁合金中。近年來業(yè)內(nèi)對變形鋅合金也有所研發(fā)，例如，CN104498773A公開了一種變形鋅合金，其重量百分比組成包括：3％≤Al≤15％，0.1％≤Cu≤4.8％，余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)，該鋅基合金材料的微觀組織包含α相和η相，α相為以Al為基體的Zn置換Al固溶體，η相為以Zn為基體的Cu、Al置換Zn的固溶體；通過其制備方法可獲得最佳的固溶體的溶質(zhì)含量，該發(fā)明通過α相和η相的協(xié)同促進(jìn)改善合金綜合性能，合金具有中等強度，其抗拉強度可以達(dá)到350MPa以上，延伸率可以達(dá)到10％以上，導(dǎo)電率可以達(dá)到25％IACS以上，切削率可達(dá)C3604鉛黃銅的50～85％，完全能夠滿足AC/DC電源插頭、FC通訊連接器等性能需求，可作為傳統(tǒng)黃銅合金的替代材料。又如，CN104328313A公開了一種高強度的變形鋅基合金材料，其重量百分比組成包括：Cu：5～15wt％，Al：7～20wt％，Mg：0.01～1.5wt％，Cr：0.01～2.0wt％，余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)，該鋅基合金材料的微觀組織含有細(xì)小而均勻分布的初生相ε、富鋁的Al-Zn-Cu三元組成的細(xì)小共析組織和富鋅的Zn-Al-Cu三元共晶組織，其抗拉強度在500MPa以上、HV硬度在120以上、延伸率在10％以上、導(dǎo)電率在26％IACS以上，同時具有良好的機加工性能，可作為傳統(tǒng)銅合金尤其是傳統(tǒng)鉛黃銅的替代品，應(yīng)用于電源插頭、電子電氣產(chǎn)品和通訊連接器等行業(yè)中。但以上變形鋅合金并不涉及冷鐓加工，其綜合性能也滿足不了冷鐓加工的要求，而因冷鐓加工對材料的高性能要求，目前現(xiàn)有技術(shù)中能夠應(yīng)用于冷鐓加工的變形鋅合金未能得到開發(fā)。

本申請發(fā)明人經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)，對鋅合金而言，若要滿足冷鐓加工，除了需要滿足抗拉強度在280MPa以上、延伸率在15％以上、硬度在85HV5以上的要求外，剪切強度應(yīng)達(dá)到250MPa以上，并且其他性能指標(biāo)須達(dá)到一定要求，對于獲得鋅合金的滿意的剪切性能并實現(xiàn)其冷鐓加工具有至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有單相基體組織的變形鋅合金，該鋅合金具有優(yōu)異的綜合性能，其強度、塑性、硬度、抗剪切性能得到協(xié)調(diào)，冷鐓性能較好，可進(jìn)行冷鐓等冷變形加工，具體可應(yīng)用于各種電源插頭、接線柱等產(chǎn)品。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種可冷鐓的變形鋅合金，該變形鋅合金的重量百分比組成包括：0.01％≤Cu≤5.0％，0.01％≤Al≤5.0％，0.001％≤Mg≤1.0％，余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)，該變形鋅合金的微觀組織以單相的η相固溶體組織為基體，所述的單相的η相固溶體組織在該變形鋅合金的微觀組織中的體積分?jǐn)?shù)為95～99％。

本發(fā)明中加入的Cu除了固溶于單相基體η相外，少量的Cu析出形成ε相(即CuZn5)。Cu可提高合金的強度、硬度、耐蝕性和合金液的流動性能，并降低合金的晶間腐蝕敏感性。銅在鋅中的最大固溶度是2.7wt％，隨著溫度的降低，析出ε相，在銅含量較低的情況下，ε相析出的數(shù)量少、尺寸小，合金在保持較小強度增幅下，伸長率增加，硬度基本保持不變，而適當(dāng)?shù)靥岣咩~含量，有利于細(xì)化鋅鋁基合金的基體組織，提高致密度，減少縮孔縮松傾向。在本發(fā)明中，大部分的Cu固溶于單相的基體組織η相，少量的Cu以CuZn5化合物形式析出。但銅含量不宜過高，銅含量過高時會析出大量的ε相，雖然強度、硬度增高，但延伸率大大下降，因此本發(fā)明將銅含量控制在0.01～5.0wt％。

本發(fā)明中大部分的Al固溶于Zn基體中形成η相，起到基體強化的效果，少量Al以Al(α)析出，在合金中主要起強化作用，隨著Al含量的提高，合金的強度、硬度提高，但塑性降低。并且適當(dāng)?shù)腁l含量可以改善合金鑄造時的流動性，防止氧化，并且改善壓力加工性能，但Al含量過高時，會形成網(wǎng)狀的富含鋁的鋁鋅銅三元共晶組織，該三元共晶組織使得合金的剪切強度下降，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而且隨著Al含量的增加，化合物含量增加，單相組織減少，影響合金的冷鐓性能，因此，本發(fā)明中，鋁含量控制在0.01～5.0wt％。

Mg在本發(fā)明鋅合金基體中的固溶度極小，多余的Mg與Zn在364℃時發(fā)生共晶反應(yīng)，形成Mg在Zn中的固溶體以及立方晶格的金屬間化合物Mg₂Zn₁₁，兩者形成的細(xì)小顆粒均勻地在η相中析出，顯著提高變形鋅合金的強度、硬度，并改善合金的冷鍛性能。但是當(dāng)Mg含量超過1.0wt％時，合金的沖擊韌性產(chǎn)生明顯的降低，導(dǎo)致合金的生產(chǎn)和加工出現(xiàn)問題；而當(dāng)Mg含量低于0.001wt％時，不具有顯著的強化作用。因此本發(fā)明變形鋅合金確定的鎂的含量為0.001～1.0wt％。

本發(fā)明通過添加Cu、Al、Mg、Zn并控制各元素含量，使得Cu、Al、Mg盡可能固溶于基體中，形成體積分?jǐn)?shù)占到95～99％的η相，單相基體相的存在除了確保合金獲得高強度外，更賦予合金高的延伸率和剪切強度，使得合金獲得了理想的冷鐓性能。

作為優(yōu)選，該變形鋅合金的微觀組織包括單相的η相固溶體組織和析出相，所述的析出相為CuZn5(ε)和Al(α)，所述的析出相的平均晶粒度≤5um。本發(fā)明除了單相基體固溶體外，在η相中還析出第二相化合物，Cu、Al、Mg在充分固溶于基體后，析出CuZn5(ε)和Al(α)、Mg₂Zn₁₁等，這些化合物以微米級大小析出相形式析出，本發(fā)明控制其平均晶粒度不超過5um，在進(jìn)一步提高合金的強度的同時，對延伸率影響不大，可提高冷鐓過程中的合金的耐沖擊強度。

作為優(yōu)選，所述的單相的η相固溶體組織為等軸晶，所述的單相的η相固溶體組織的晶粒度大小為5～100um。等軸晶主要在單相的合金中存在，沿各個方向的性能一致好，在本發(fā)明中，生產(chǎn)加工的合金線材從橫向截面(即垂直于機加工方向)或者是從縱向截面(即平行于機加工方向)的微觀組織金相圖片都顯示，本發(fā)明變形鋅合金的晶粒度一致性好，晶粒度大小的范圍為5～100um。這種等軸晶的存在使得本發(fā)明合金不存在宏觀的各向異性，因此可以從各個方向?qū)辖疬M(jìn)行冷鐓、鉚接等機加工，且具有加工過程中不易開裂的優(yōu)點。本發(fā)明將單相的η相固溶體組織的晶粒度控制在5～100um，該微米級的單相固溶體使得合金的晶粒細(xì)小，有利于實現(xiàn)優(yōu)異的強度和延伸率的結(jié)合，冷鐓效果好。

作為優(yōu)選，該變形鋅合金的橫向硬度和縱向硬度的比值滿足：0.9≤橫向硬度/縱向硬度≤1.1。因等軸晶各個方向性能一致，將橫向硬度和縱向硬度的比值控制在0.9～1.1，可確保材料性能的一致性。橫向硬度，即該變形鋅合金制成的線材產(chǎn)品的橫截面的表面硬度；縱向硬度，即該變形鋅合金制成的線材產(chǎn)品的軸向的表面硬度。

作為優(yōu)選，該變形鋅合金的重量百分比組成還包括0.01％≤Mn≤2.0％和/或0.001％≤Cr≤1.0％。Mn一方面固溶于銅合金，起到提高強度的作用，同時Mn還可以細(xì)化合金組織。Mn含量過低，強化作用不明顯，如果Mn含量過高，會造成延伸率的明顯下降，因此本發(fā)明Mn的添加量控制在0.01～2.0wt％。少量的Cr可與鋅形成CrZn₁₇相，具有較好的與基體的變形協(xié)調(diào)性，可以提高合金強度和硬度而不降低其塑性，本發(fā)明中，適宜的Cr含量為0.001～1.0％。

作為優(yōu)選，該變形鋅合金的重量百分比組成還包括總量為0.001～1％的Ni、RE、Ca和Co中的至少一種。Ni固溶于單相基體中，起到尺寸穩(wěn)定性作用，但添加過多，使得合金脆性化明顯；稀土元素RE在鋅合金中可以起到凈化晶界、細(xì)化晶粒的作用，提高塑性與強度；Ca幾乎不固溶于固溶體，以單質(zhì)形成存在于基體中，起到提高基體強度的作用；Co為六方結(jié)構(gòu)，少量的Co與Zn基體形成代位式固溶體，能夠提高強度。Ni、RE、Ca和Co中的至少一種元素的總量控制在0.001～1％，可進(jìn)一步優(yōu)化合金的綜合性能。

作為優(yōu)選，該變形鋅合金的抗拉強度為280MPa以上，延伸率為15％以上。冷鐓鋅合金除材料需要滿足強度、塑性、硬度要求外，抗剪切性能對合金的性能同樣具有重要的影響。剪切強度是指外力與材料軸線垂直，并對材料呈剪切作用時的強度極限。在冷鐓過程中，作用力垂直向下，對材料產(chǎn)生剪切作用，如果變形鋅合金的剪切力不夠，就會造成材料在冷鐓過程中扭曲變形，冷鐓性能還需要材料滿足較高的塑性，塑性過低，材料會出現(xiàn)開裂。本發(fā)明通過單相的固溶體基體實現(xiàn)抗拉強度280MPa以上，延伸率15％以上，剪切強度250MPa以上，使得材料在承受強度的同時，不存在開裂現(xiàn)象。

本發(fā)明可冷鐓的變形鋅合金的制備方法，包括以下步驟：熔鑄(通過熱頂鑄造、半連鑄或水平連鑄生產(chǎn)成直徑為100～300mm的鑄錠)，鋸切(將鑄錠鋸切成200～1500mm的長度)，擠壓(鑄錠加熱180～370℃，通過1000t以上正、反向擠壓機擠壓成Φ6～20mm的線坯)，拉伸、熱處理(經(jīng)過至少兩次以上拉伸和多次熱處理后加工得到成品，熱處理溫度為：150～350℃，熱處理時間為1～10h)。

作為優(yōu)選，上述變形鋅合金在冷鐓加工中的應(yīng)用。

作為優(yōu)選，上述變形鋅合金在電源插頭和接線柱中的應(yīng)用。

在變形鋅合金作為替代材料過程中，經(jīng)常需要經(jīng)過機加工，而冷鐓就是冷變形加工加工中的一種，本發(fā)明合金具有優(yōu)異的冷鐓性能，可進(jìn)行冷鐓等冷變形加工，滿足各種電源插頭、接線柱產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，加工得到的產(chǎn)品可大量應(yīng)用于電子電氣行業(yè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)區(qū)別于普通的Zn-Cu-Al基變形鋅合金，本發(fā)明可冷鐓的變形鋅合金的微觀組織以單相的η相固溶體組織為基體，單相的η相固溶體組織在該變形鋅合金的微觀組織中的體積分?jǐn)?shù)為95～99％，其抗拉強度可以達(dá)到280MPa以上，延伸率可以達(dá)到15％以上，能夠為冷鐓加工提供足夠的變形能力；本發(fā)明通過實現(xiàn)單相的基體組織，賦予鋅合金優(yōu)異的綜合性能，其強度、塑性、硬度、抗剪切性能得到協(xié)調(diào)，最終獲得了本發(fā)明變形鋅合金的較好的冷鐓性能。

(2)進(jìn)一步地，除了基體組織為單相組成外，該變形鋅合金的微觀組織中還包括少量的析出相，包括CuZn5(ε)、Al(α)和Mg₂Zn₁₁等，析出相的平均晶粒度≤5um，可進(jìn)一步提高合金強度，特別是對剪切強度的提升具有重要的作用，其剪切強度可以達(dá)到250MPa以上，而高的剪切強度的更有利于冷鐓加工的實現(xiàn)。

(3)該鋅合金單相的固溶體組織為等軸晶，且晶粒度控制在5～100um，等軸晶沿各個方向的性能一致好，在本發(fā)明中，生產(chǎn)加工的合金從橫向截面或者是從縱向截面的金相照片都顯示，晶粒度是一致的，范圍為5～100um。這種等軸晶的存在使得合金不存在宏觀的各向異性，因此可以從各個方向冷鐓、鉚接等機加工合金，且加工過程中材料不易開裂。

(4)相比于傳統(tǒng)的銅合金、鋼鐵等合金，本發(fā)明鋅合金具有加工軟化的特點，因此，本發(fā)明合金可進(jìn)行反復(fù)冷鐓加工，不會出現(xiàn)因加工硬化而使材料的冷鐓無法實現(xiàn)的情況。

(5)本發(fā)明鋅合金可以采用機加工(切削)、鉚接、冷鍛等方式成型，但冷鐓相比較于其他加工方式，在節(jié)省材料成本的同時可提高加工效率，因此具有明顯的優(yōu)勢。

(6)本發(fā)明鋅合金能夠以棒材、線材(包括圓線、扁線)等形式成型，經(jīng)過后續(xù)的機加工得到的產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于符合歐盟、3C領(lǐng)域的電源插頭、接線柱等電子電氣行業(yè)。

附圖說明

圖1為實施例5的可冷鐓的變形鋅合金線材的微觀組織金相圖片；

圖2為實施例8的可冷鐓的變形鋅合金線材垂直于機加工方向的微觀組織金相圖片；

圖3為實施例8的可冷鐓的變形鋅合金線材平行于機加工方向的微觀組織金相圖片。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

選取了20個實施例合金和2個對比例合金，熔鑄(通過熱頂鑄造、半連鑄或水平連鑄生產(chǎn)成直徑為100～300mm的鑄錠)，鋸切(將鑄錠鋸切成200～1500mm的長度)，擠壓(鑄錠加熱180～370℃，通過1000t以上正、反向擠壓機擠壓成Φ6～20mm的線坯)，拉伸、熱處理(經(jīng)過至少兩次以上拉伸和多次熱處理后加工得到成品，熱處理溫度為：150～350℃，熱處理時間為1～10h)。

實施例1～20及對比例1～2合金的成分及性能測試結(jié)果見表1。

實施例5的線材微觀結(jié)構(gòu)的金相圖片見圖1，實施例8的線材垂直于機加工方向的微觀組織金相圖片見圖2，實施例8的線材平行于機加工方向的微觀組織金相圖片見圖3。

為了準(zhǔn)確表征該材料各個方向的力學(xué)性能，對實施例1～20的合金的線材成品，根據(jù)GB/T4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗》方法，分別檢測了其橫向硬度和縱向硬度，其中橫向硬度指的是實施例1～20的合金的線材成品的橫截面的表面硬度，縱向硬度指的是實施例1～20的合金的線材成品的軸向的表面硬度，每組數(shù)據(jù)各取5個點，檢測結(jié)果取平均值，同時，檢測了對比例1～2合金的橫向硬度和縱向硬度。此外，根據(jù)GB T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸方法》檢測了實施例1～20及對比例1～2合金的抗拉強度和延伸率。

從表1所列測試結(jié)果可見，本發(fā)明可冷鐓的變形鋅合金的抗拉強度在289～375MPa，延伸率在15～33％，橫向硬度HV5在90～117，剪切強度在257～340MPa，橫向硬度和縱向硬度的比值在0.92～1.07，單相的η相固溶體組織在該變形鋅合金的微觀組織中的體積分?jǐn)?shù)為95～99％，滿足鋅合金的冷鐓加工要求，可進(jìn)行冷鐓等冷變形加工，生產(chǎn)的產(chǎn)品可具體應(yīng)用于符合歐盟、3C領(lǐng)域的電源插頭、接線柱等電子電氣行業(yè)。