專利名稱：一種鋅基合金異形管材的制備方法
技術領域：
本發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域。
背景技術：
銅及銅合金作為重要的原材料，在電力、電子、通訊、航空、航天、交通等領域廣泛地應用。隨著國民經濟的高速發展，我國已成為世界銅資源消費第一大國，但我國的銅資源十分貧乏，近年來自給率嚴重不足，已影響到我國銅工業和相關產業的持續健康發展。因此，研究開發其它新型金屬材料來替代銅合金材料、節約銅資源，已迫在眉睫。鋅的礦物儲量、產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)、強度適中、硬度高、成本低的特點。其強度、硬度、摩擦等性能與銅合金相近。因此，研究開發新型鋅合金，以廉價的鋅代替昂貴的銅是一種較為理想的選擇，也是緩解國內銅資源緊張的最有前途的解決方法，具有顯著的經濟效益和社會效益。鋅合金異形管材主要用于通訊連接器、制筆、衛浴和五金等行業，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心型材機加工制造，存在材料利用率低，成本高，生產效率低等問題。
發明內容
本發明的目的在于解決鋅基合金異形管材的制備加工技術中存在的問題，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，或直接生產管壁較厚的異形管材。擠壓異形管坯經固定短芯桿拉拔，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，生產效率高，成本低等優點。制備的鋅合金異形管材可替代部分黃銅異形管材。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
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，機加工后，在Gleeble熱模擬試驗機上進行高溫壓縮試驗，建立鋅合金的本構方程和加工圖，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；根據異形管材的尺寸，初步設計分流組合模；然后采用有限元數值模擬優化設計分流組合模的結構和擠壓工藝；
(3)將半連鑄鋅合金鑄錠在感應爐中加熱，采用步驟(2)優化的分流組合模和擠壓工藝進行擠壓，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)所得的異形管材進行清洗和熱處理；
(6 )然后進行矯直，獲得成品管材。
—種優選的技術方案，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一種優選的技術方案，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.%。一種優選的技術方案，其特征在于:步驟(I)中所述的高溫壓縮試驗中，高溫壓縮的溫度范圍為200 420°C，溫度間隔為40°C，應變速率范圍為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，應變速率范圍為0.01 5s'步驟(2)中采用有限元數值模擬優化設計分流組合模結構和擠壓工藝，為分析擠壓工藝參數和模具結構對鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關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律，在此基礎上確定合理的擠壓工藝參數和模具結構。一種優選的技術方案，其特征在于:步驟(2)中所述的分流組合模的分流孔數為三孔、四孔或六孔，分流橋結構為固定式分流橋，分流橋截面形狀為矩形和水滴形。一種優選的技術方案，其特征在于:步驟(2)中優化的擠壓工藝為:擠壓比為20 60，擠壓溫度為220 380°C，擠壓速度為lmm/s 15mm/s，模具預熱溫度為180 380°C。一種優選的技術方案，其特征在于:步驟(3)中所述的擠壓工藝參數和分流組合模結構，為步驟(2)優化的擠壓工藝參數和模具結構。一種優選的技術方案，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%。一種優選的技術方案，其特征在于:步驟(5)中所述的清洗為常規清洗，清除油膩；根據客戶要求，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。。。一種優選的技術方案，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圓、外四方形內圓和外六角內四方等，壁厚為ΦΙι πι Φ6ι πι。本發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，解決了通過機加工實心型材制備異形管材生產工序多，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作用，具有一定的經濟效益和社會效益。下面通過具體實施方式
對本發明做進一步說明，但并不意味著對本發明保護范圍的限制。
具體實施例方式實施例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鋅合金鑄錠機加工成高溫壓縮試樣，進行高溫壓縮，高溫壓縮的溫度范圍為200 360°C，溫度間隔為40°C，應變速率范圍為0.001 10s—1。建立該合金的本構方程和加工圖，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圓形，邊長為36mm，內徑為30mm。按照該產品的尺寸規格初步設計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數和模具結構對鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關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)半連鑄生產的Zn-8Al-0.5Cu鋅合金鑄錠直徑為Φ 150mm，采用感應加熱將合金鑄錠加熱到260°C，模具和擠壓筒的預熱溫度為240°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優化的工藝參數進行擠壓。(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行常規清洗，清除油膩；然后進行熱處理，退火溫度為220°C，保溫 Ih。(4)在張力矯直機上進行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外方內圓Zn-8Al-0.5Cu鋅合金異形管材。實施例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鋅合金鑄錠機加工成高溫壓縮試樣，進行高溫壓縮，溫度范圍為200 360°C，溫度間隔為40°C，應變速率范圍為0.001 IOs'建立該合金的本構方程和加工圖，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圓形,邊長為16mm,內徑為20mm。按照該產品的尺寸規格初步設計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數和模具結構對鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關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)半連鑄生產的Zn-4Al-0.8Cu鋅合金鑄錠直徑為Φ 118mm，采用感應加熱將合金鑄錠加熱到280°C，模具和擠壓筒的預熱溫度為260°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優化的工藝參數擠壓。(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行常規清洗，清除油膩；然后進行熱處理，固溶溫度為360°C，保溫1.5h，水淬火后于140°C人工時效12h。(6)在張力矯直機上進行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外六方內圓的Zn-4Al-0.8Cu鋅合金異形管材。
實施例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鋅合金鑄錠機加工成高溫壓縮試樣，進行高溫壓縮。高溫壓縮的溫度范圍為220 420°C，溫度間隔為40°C，應變速率范圍為0.001 10s—1。建立該合金的本構方程和加工圖，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圓形,夕卜六方邊長為IOmm,內圓直徑為12_。按照該產品的尺寸規格初步設計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數和模具結構對鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關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)半連鑄生產的Zn-4Cu-0.1Ti鋅合金鑄錠直徑為Φ98mm,采用感應加熱將合金鑄錠加熱到300°C，模具和擠壓筒的預熱溫度為280°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優化的工藝參數擠壓。(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行常規清洗，清除油膩；然后進行熱處理，退火溫度為150°C，保溫 2h。(6)在張力矯直機上進行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外六方內圓形Zn-4Cu-0.1Ti鋅合金異形管材。實施例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鋅合金鑄錠機加工成高溫壓縮試樣，進行高溫壓縮。高溫壓縮的溫度范圍為220 420°C，溫度間隔為40°C，應變速率范圍為0.001 10s—1。建立該合金的本構方程和加工圖，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四方形，外六方邊長為10mm，內四方邊長為12_。按照該產品的尺寸規格初步設計分流組合模，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數和模具結構對鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關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Zn-0.8Cu_0.1Ti鋅合金鑄錠的直徑為Φ 118mm，采用感應加熱將合金鑄錠加熱到310°C，模具和擠壓筒的預熱溫度為290°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2 )優化的工藝參數擠壓。(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行常規清洗，清除油膩；然后進行熱處理，退火溫度為150°C，保溫 2h ；
(6)在張力矯直機上進行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外六方內四方形Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材。實施例5
制備鋅基合金異形管材，包括如下步驟:
(I)與實施例4的步驟(I)相同。(2) Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材為外圓內六方形,夕卜圓直徑為12mm,內六方邊長為6_，采用商用有限元軟件，建立了異形管材擠壓有限元模型，分析擠壓工藝參數和模具結構對鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關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)半連鑄生產的Zn-0.8Cu_0.1Ti鋅合金鑄錠直徑為Φ98mm,采用感應加熱將合金鑄錠加熱到310°C，模具和擠壓筒的預熱溫度為290°C，將加熱的坯料放入擠壓筒中，采用步驟(2)優化的工藝參數擠壓。(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行常規清洗，清除油膩；然后進行熱處理，退火溫度為150°C，保溫2h ；
(6)在張力矯直機上進行張力矯直，獲得滿足客戶要求的外圓內六角Zn-0.8Cu-0.1Ti鋅合金異形管材。實施例1-5中，成品異形管材的壁厚范圍為ΦΙι πι Φ6ι πι。
權利要求
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，機加工后，進行高溫壓縮試驗，建立鋅合金的本構方程和加工圖，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；根據異形管材的尺寸，初步設計分流組合模；采用有限元數值模擬優化設計分流組合模結構和擠壓工藝； (3)將半連鑄鋅合金鑄錠在感應爐中加熱，采用步驟(2)優化的分流組合模和擠壓工藝進行擠壓，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)所得的異形管材進行清洗和熱處理； (6)然后進行矯直，獲得成品管材。
2.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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中，高溫壓縮的溫度范圍為200 420°C，溫度間隔為40°C，應變速率為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，應變速率范圍為0.01 5s'
5.根據權利要求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為三孔、四孔或六孔，分流橋結構為固定式分流橋，分流橋截面形狀為矩形和水滴形。
6.根據權利要求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 ;模具預熱溫度為180 380°C。
7.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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圓、外四方形內圓或外六角內四方，壁厚為Φ Imm Φ6_。
全文摘要
本發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，建立本構方程和加工圖，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行有限元數值模擬，優化模具結構和擠壓工藝；(3)鋅合金錠坯在感應爐中加熱后，選用優化的模具結構和擠壓工藝參數進行熱擠壓，獲得近終尺寸的異形管坯；(4)進行固定短芯桿拉拔，獲得成品尺寸的異形管材；(5)進行清洗和熱處理；(6)然后進行矯直，獲得成品管材。本發明方法流程短、材料利用率高、成本低、附加值高，適合于大規模生產，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作用，具有一定的經濟效益和社會效益。
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 優先權日2011年12月9日
發明者郭勝利 申請人:北京有色金屬研究總院