專利名稱：一種鋅基合金異形管材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋅基合金異形管材的制備方法，屬于有色金屬加工成形領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
銅及銅合金作為重要的原材料，在電力、電子、通訊、航空、航天、交通等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國已成為世界銅資源消費(fèi)第一大國，但我國的銅資源十分貧乏，近年來自給率嚴(yán)重不足，已影響到我國銅工業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。因此，研究開發(fā)其它新型金屬材料來替代銅合金材料、節(jié)約銅資源，已迫在眉睫。鋅的礦物儲量、產(chǎn)量和用量在有色金屬中僅次于鋁和銅。我國鋅資源非常豐富，鋅基合金制備工藝簡單，能耗低，污染小。高性能鋅合金材料具有比重輕(約6噸/m3，而鉛黃銅約8.3噸/m3)、強(qiáng)度適中、硬度高、成本低的特點(diǎn)。其強(qiáng)度、硬度、摩擦等性能與銅合金相近。因此，研究開發(fā)新型鋅合金，以廉價的鋅代替昂貴的銅是一種較為理想的選擇，也是緩解國內(nèi)銅資源緊張的最有前途的解決方法，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。鋅合金異形管材主要用于通訊連接器、制筆、衛(wèi)浴和五金等行業(yè)，替代部分黃銅異形管材。目前，鋅合金異形管材主要通過鋅合金的實(shí)心型材機(jī)加工制造，存在材料利用率低，成本高，生產(chǎn)效率低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決鋅基合金異形管材的制備加工技術(shù)中存在的問題，提供一種短流程、低成本的鋅基合金異形管材的制備加工新方法。本發(fā)明以Zn-Al系列、Zn-Cu系列等鋅合金為研究對象，采用分流組合模熱擠壓，制備出近終尺寸的異形管材，或直接生產(chǎn)管壁較厚的異形管材。擠壓異形管坯經(jīng)固定短芯桿拉拔，獲得成品異形管材。鋅合金鑄錠的柱狀晶和樹枝晶在熱擠壓過程中被破碎，組織得到細(xì)化，顯著提高材料的綜合性能。利用該方法制備鋅合金異形管材具有工序少，流程短，生產(chǎn)效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。制備的鋅合金異形管材可替代部分黃銅異形管材。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
一種鋅基合金異形管材的制備方法，包括如下步驟:
(1)將半連鑄鋅合金鑄錠，機(jī)加工后，在Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)，建立鋅合金的本構(gòu)方程和加工圖，獲得鋅合金適宜加工的變形條件；
(2)在鋅合金適宜加工的變形條件下，選擇熱擠壓工藝參數(shù)；根據(jù)異形管材的尺寸，初步設(shè)計分流組合模；然后采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計分流組合模的結(jié)構(gòu)和擠壓工藝；
(3)將半連鑄鋅合金鑄錠在感應(yīng)爐中加熱，采用步驟(2)優(yōu)化的分流組合模和擠壓工藝進(jìn)行擠壓，獲得近終尺寸的異形管坯或成品尺寸的異形管材；
(4)將步驟(3)所得的異形管坯進(jìn)行固定短芯桿拉拔，獲得成品尺寸的異形管材；
(5)將步驟(4)所得的異形管材進(jìn)行清洗和熱處理；
(6 )然后進(jìn)行矯直，獲得成品管材。
—種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:所述的鋅合金為Zn-Al系列、Zn-Cu系列等鋅
I=1-Wl O一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:所述的鋅合金為Zn-Al-Cu系列或Zn-Cu-Ti系列鋅合金，Zn-Al-Cu系列鋅合金中Al的含量為2 20 wt.%，Cu的含量為0.1 2 wt.% ；Zn-Cu-Ti系列鋅合金中Cu的含量為0.1 4 wt.%，Ti的含量為0.1 2 wt.%。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(I)中所述的高溫壓縮試驗(yàn)中，高溫壓縮的溫度范圍為200 420°C，溫度間隔為40°C，應(yīng)變速率范圍為0.001 10s—1 ;所述的適宜加工的變形條件為熱加工溫度范圍為200 380°C，應(yīng)變速率范圍為0.01 5s'步驟(2)中采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計分流組合模結(jié)構(gòu)和擠壓工藝，為分析擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對鋅合金擠壓溫度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變速率場等相關(guān)場量梯度分布的影響，以及對變形均勻性和擠壓出口溫度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上確定合理的擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(2)中所述的分流組合模的分流孔數(shù)為三孔、四孔或六孔，分流橋結(jié)構(gòu)為固定式分流橋，分流橋截面形狀為矩形和水滴形。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(2)中優(yōu)化的擠壓工藝為:擠壓比為20 60，擠壓溫度為220 380°C，擠壓速度為lmm/s 15mm/s，模具預(yù)熱溫度為180 380°C。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(3)中所述的擠壓工藝參數(shù)和分流組合模結(jié)構(gòu)，為步驟(2)優(yōu)化的擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(4)中所述的固定短芯桿拉拔，退火間變形量為50% 85%，道次加工率為10% 38%。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(5)中所述的清洗為常規(guī)清洗，清除油膩；根據(jù)客戶要求，熱處理為退火或固溶時效處理。所述的熱處理中，退火溫度為140°C 3000C ;所述的固溶時效處理中，固溶處理溫度為280 380°C，采用水淬，時效溫度為60 140。。。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于:步驟(6)中所述的矯直為張力矯直。成品管材的形狀為外六角內(nèi)圓、外四方形內(nèi)圓和外六角內(nèi)四方等，壁厚為ΦΙι πι Φ6ι πι。本發(fā)明提供了一種鋅基合金異形管材流程短、成本低和材料利用率高的加工新方法，解決了通過機(jī)加工實(shí)心型材制備異形管材生產(chǎn)工序多，材料利用率低等問題。制備的鋅基合金異形管材能夠替代部分黃銅異形管材，對于緩解我國銅資源緊張有一定的促進(jìn)作用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。下面通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
制備鋅基合金異形管材，包括如下步驟:
Cl)將半連鑄ΖΠ-8Α1-0.5Cu鋅合金鑄錠機(jī)加工成高溫壓縮試樣，進(jìn)行高溫壓縮，高溫壓縮的溫度范圍為200 360°C，溫度間隔為40°C，應(yīng)變速率范圍為0.001 10s—1。建立該合金的本構(gòu)方程和加工圖，確定該合金適宜熱加工的溫度范圍為200 320°C，應(yīng)變速率的范圍為0.0l 1.3s'(2)Zn-8Al-0.5Cu鋅合金異形管材為外方內(nèi)圓形，邊長為36mm，內(nèi)徑為30mm。按照該產(chǎn)品的尺寸規(guī)格初步設(shè)計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對鋅合金擠壓溫度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變速率場等相關(guān)場量梯度分布的影響，以及對變形均勻性和擠壓出口溫度的影響規(guī)律，確定Zn-SAl-0.5Cu鋅合金異形管材分流組合模為孔道式分流組合模，分流孔的數(shù)目為四孔、舌模的舌芯直徑為Φ31πιπι，模孔的邊長為40mm，擠壓比為22，擠壓速度為3mm/s，擠壓溫度為260。。。(3)半連鑄生產(chǎn)的Zn-8Al-0.5Cu鋅合金鑄錠直徑為Φ 150mm，采用感應(yīng)加熱將合金鑄錠加熱到260°C，模具和擠壓筒的預(yù)熱溫度為240°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行擠壓。(4)采用固定短芯桿拉拔減壁和精整，道次加工率為16%，退火間變形量為50%，中間退火溫度為280°C，保溫lh。(3)對獲得的異形管材進(jìn)行常規(guī)清洗，清除油膩；然后進(jìn)行熱處理，退火溫度為220°C，保溫 Ih。(4)在張力矯直機(jī)上進(jìn)行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外方內(nèi)圓Zn-8Al-0.5Cu鋅合金異形管材。實(shí)施例2
制備鋅基合金異形管材，包括如下步驟:
Cl)將半連鑄Zn-4Al-0.8Cu鋅合金鑄錠機(jī)加工成高溫壓縮試樣，進(jìn)行高溫壓縮，溫度范圍為200 360°C，溫度間隔為40°C，應(yīng)變速率范圍為0.001 IOs'建立該合金的本構(gòu)方程和加工圖，確定鋅合金適宜加工的變形條件，該合金適宜熱加工的溫度范圍為200 340°C，應(yīng)變速率的范圍為0.01 1.6s'(2) Zn-4A1_0.8Cu鋅合金異形管材為外六方內(nèi)圓形,邊長為16mm,內(nèi)徑為20mm。按照該產(chǎn)品的尺寸規(guī)格初步設(shè)計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對鋅合金擠壓溫度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變速率場等相關(guān)場量梯度分布的影響，以及對變形均勻性和擠壓出口溫度的影響規(guī)律，確定Zn-4Al-0.SCu鋅合金異形管材分流組合模為孔道式分流組合模，分流孔的數(shù)目為三孔、舌模的舌芯直徑為Φ22mm，六方模孔的邊長為18mm，擠壓比為24.5，擠壓速度為4mm/s，擠壓溫度為280°C。(3)半連鑄生產(chǎn)的Zn-4Al-0.8Cu鋅合金鑄錠直徑為Φ 118mm，采用感應(yīng)加熱將合金鑄錠加熱到280°C，模具和擠壓筒的預(yù)熱溫度為260°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優(yōu)化的工藝參數(shù)擠壓。(4)采用固定短芯桿拉拔減壁和精整，道次加工率為18%，退火間變形量為55%，中間退火溫度為280°C，保溫lh。(5)對獲得的異形管材進(jìn)行常規(guī)清洗，清除油膩；然后進(jìn)行熱處理，固溶溫度為360°C，保溫1.5h，水淬火后于140°C人工時效12h。(6)在張力矯直機(jī)上進(jìn)行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外六方內(nèi)圓的Zn-4Al-0.8Cu鋅合金異形管材。
實(shí)施例3
制備鋅基合金異形管材，包括如下步驟:
(I)將半連鑄Zn-4Cu-0.1Ti鋅合金鑄錠機(jī)加工成高溫壓縮試樣，進(jìn)行高溫壓縮。高溫壓縮的溫度范圍為220 420°C，溫度間隔為40°C，應(yīng)變速率范圍為0.001 10s—1。建立該合金的本構(gòu)方程和加工圖，確定鋅合金適宜加工的變形條件，該合金適宜熱加工的溫度范圍為240 380°C，應(yīng)變速率的范圍為0.01 4.2s'(2) Zn-4Cu_0.1Ti鋅合金異形管材為外六方內(nèi)圓形,夕卜六方邊長為IOmm,內(nèi)圓直徑為12_。按照該產(chǎn)品的尺寸規(guī)格初步設(shè)計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對鋅合金擠壓溫度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變速率場等相關(guān)場量梯度分布的影響，以及對變形均勻性和擠壓出口溫度的影響規(guī)律，確定Zn-4Cu-0.1Ti鋅合金異形管材分流組合模為孔道式分流組合模，分流孔的數(shù)目為三孔、舌模的舌芯直徑為14mm，六角模孔的邊長為12mm，擠壓比為35.6，擠壓速度為4mm/s，擠壓溫度為300°C。(3)半連鑄生產(chǎn)的Zn-4Cu-0.1Ti鋅合金鑄錠直徑為Φ98mm,采用感應(yīng)加熱將合金鑄錠加熱到300°C，模具和擠壓筒的預(yù)熱溫度為280°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優(yōu)化的工藝參數(shù)擠壓。(4)采用短芯桿固定拉拔減壁和精整，道次加工率為16%，退火間變形量為50%，中間退火溫度為180°C，保溫2h。(5)對獲得的異形管材進(jìn)行常規(guī)清洗，清除油膩；然后進(jìn)行熱處理，退火溫度為150°C，保溫 2h。(6)在張力矯直機(jī)上進(jìn)行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外六方內(nèi)圓形Zn-4Cu-0.1Ti鋅合金異形管材。實(shí)施例4
制備鋅基合金異形管材，包括如下步驟:
(I)將半連鑄Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金鑄錠機(jī)加工成高溫壓縮試樣，進(jìn)行高溫壓縮。高溫壓縮的溫度范圍為220 420°C，溫度間隔為40°C，應(yīng)變速率范圍為0.001 10s—1。建立該合金的本構(gòu)方程和加工圖，確定鋅合金適宜加工的變形條件，該合金適宜熱加工的溫度范圍為240 380°C，應(yīng)變速率的范圍為0.01 4.5s'(2)Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材為外六方內(nèi)四方形，外六方邊長為10mm，內(nèi)四方邊長為12_。按照該產(chǎn)品的尺寸規(guī)格初步設(shè)計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對鋅合金擠壓溫度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變速率場等相關(guān)場量梯度分布的影響，以及對變形均勻性和擠壓出口溫度的影響規(guī)律，確定Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材分流組合模為孔道式分流組合模，分流孔的數(shù)目為三孔、舌模的舌芯邊長為14mm，六角模孔的邊長為12mm，擠壓比為44，擠壓速度為5mm/s，擠壓溫度為31 (TC。(3)半連鑄生產(chǎn)Zn-0.8Cu_0.1Ti鋅合金鑄錠的直徑為Φ 118mm，采用感應(yīng)加熱將合金鑄錠加熱到310°C，模具和擠壓筒的預(yù)熱溫度為290°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2 )優(yōu)化的工藝參數(shù)擠壓。(4)采用固定短芯桿拉拔減壁和精整，道次加工率為16%，總加工率為65% (退火間變形量為65%)，不需要中間退火，直接拉拔到成品尺寸。(5)對獲得的異形管材進(jìn)行常規(guī)清洗，清除油膩；然后進(jìn)行熱處理，退火溫度為150°C，保溫 2h ；
(6)在張力矯直機(jī)上進(jìn)行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外六方內(nèi)四方形Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材。實(shí)施例5
制備鋅基合金異形管材，包括如下步驟:
(I)與實(shí)施例4的步驟(I)相同。(2) Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材為外圓內(nèi)六方形,夕卜圓直徑為12mm,內(nèi)六方邊長為6_，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對鋅合金擠壓溫度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變速率場等相關(guān)場量梯度分布的影響，以及對變形均勻性和擠壓出口溫度的影響規(guī)律，確定Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材分流組合模為孔道式分流組合模，分流孔的數(shù)目為六孔，舌模的舌芯邊長為Φ IOmm,外圓直徑為24mm，擠壓比為40.8，擠壓速度為6mm/s，擠壓溫度為310°C。(3)半連鑄生產(chǎn)的Zn-0.8Cu_0.1Ti鋅合金鑄錠直徑為Φ98mm,采用感應(yīng)加熱將合金鑄錠加熱到310°C，模具和擠壓筒的預(yù)熱溫度為290°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優(yōu)化的工藝參數(shù)擠壓。(4)采用固定短芯桿拉拔減壁，道次加工率為18%，退火間變形量為65%，中間退火溫度為150°C，保溫2h ；
(5)對獲得的異形管材進(jìn)行常規(guī)清洗，清除油膩；然后進(jìn)行熱處理，退火溫度為150°C，保溫2h ；
(6)在張力矯直機(jī)上進(jìn)行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外圓內(nèi)六角Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材。實(shí)施例1-5中，成品異形管材的壁厚范圍為ΦΙι πι Φ6ι πι。
權(quán)利要求
1.一種鋅基合金異形管材的制備方法，包括如下步驟: (1)將半連鑄鋅合金鑄錠，機(jī)加工后，進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)，建立鋅合金的本構(gòu)方程和加工圖，獲得鋅合金適宜加工的變形條件； (2)在鋅合金適宜加工的變形條件下，選擇熱擠壓工藝參數(shù)；根據(jù)異形管材的尺寸，初步設(shè)計分流組合模；采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計分流組合模結(jié)構(gòu)和擠壓工藝； (3)將半連鑄鋅合金鑄錠在感應(yīng)爐中加熱，采用步驟(2)優(yōu)化的分流組合模和擠壓工藝進(jìn)行擠壓，獲得近終尺寸的異形管坯或成品尺寸的異形管材； (4)將步驟(3)所得的異形管坯進(jìn)行固定短芯桿拉拔，獲得成品尺寸的異形管材； (5)將步驟(4)所得的異形管材進(jìn)行清洗和熱處理； (6)然后進(jìn)行矯直，獲得成品管材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:所述的鋅合金為Zn-Al系列或Zn-Cu系列鋅合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:所述的鋅合金為Zn-Al-Cu系列或Zn-Cu-Ti系列鋅合金，Zn-Al-Cu系列鋅合金中Al的含量為2 20wt.%，Cu的含量為0.1 2 wt.% ；Zn-Cu-Ti系列鋅合金中Cu的含量為0.1 4 wt.%，Ti的含量為0.1 2 wt.%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述的高溫壓縮試驗(yàn)中，高溫壓縮的溫度范圍為200 420°C，溫度間隔為40°C，應(yīng)變速率為0.001 IOiT1 ;所述的適宜加工的變形條件為熱加工溫度范圍為200 380°C，應(yīng)變速率范圍為0.01 5s'
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述的分流組合模的分流孔數(shù)為三孔、四孔或六孔，分流橋結(jié)構(gòu)為固定式分流橋，分流橋截面形狀為矩形和水滴形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:步驟(2)中優(yōu)化的擠壓工藝為:擠壓比為20 60，擠壓溫度為220 380°C，擠壓速度為I 15mm/s ;模具預(yù)熱溫度為180 380°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:步驟(4)中所述的固定短芯桿拉拔，退火間變形量為50% 85%，道次加工率為10% 38%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:步驟(5)中所述的熱處理為退火或固溶時效處理；退火溫度為140°C 300°C ;固溶處理溫度為280 380°C，采用水淬，時效溫度為60 140°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅基合金異形管材的制備方法，其特征在于:步驟(6)中所述的矯直為張力矯直，所述成品管材的形狀為外六角內(nèi)圓、外四方形內(nèi)圓或外六角內(nèi)四方，壁厚為Φ Imm Φ6_。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋅基合金異形管材的制備方法，包括(1)采用高溫壓縮試驗(yàn)，建立本構(gòu)方程和加工圖，獲得鋅合金適宜加工的變形條件；(2)對鋅合金分流組合模擠壓進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和擠壓工藝；(3)鋅合金錠坯在感應(yīng)爐中加熱后，選用優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)和擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行熱擠壓，獲得近終尺寸的異形管坯；(4)進(jìn)行固定短芯桿拉拔，獲得成品尺寸的異形管材；(5)進(jìn)行清洗和熱處理；(6)然后進(jìn)行矯直，獲得成品管材。本發(fā)明方法流程短、材料利用率高、成本低、附加值高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)，制備的鋅基合金異形管材能夠替代部分黃銅異形管材，對于緩解我國銅資源緊張有一定的促進(jìn)作用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
文檔編號C22F1/16GK103157692SQ20111040764
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者郭勝利 申請人:北京有色金屬研究總院