專利名稱：改善了的鋅基含鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改善了的鋅基合金。
在各種應(yīng)用中使用鋅基合金已有幾十年了。為滿足網(wǎng)狀壓模鑄的要求在20年代曾開發(fā)過如Zamak3和Zamak5之類的合金。后來又開發(fā)了另外的兩種合金，它們是也用鑄造工藝的Zamak2和用于制造標(biāo)準(zhǔn)工具的并用于硬鑄造工藝的Kirksite，并且它們一直被用于這種目的。這些合金含約4％(重量)的Al，在Zamak3中還含痕量的Cu，Zamak5中含約1％(重量)的Cu，而在Zamak2和Kirksite中含約3％(重量)的Cu。這些合金的凝固以形成η主相枝晶開始，該相隨后又被(η+α)共晶包圍。η相有六角形密集(HCP)的結(jié)晶組織，而α相是面心立方(FCC)組織。
鋅合金的下一個(gè)明顯發(fā)展大約出現(xiàn)在25年前，當(dāng)時(shí)開發(fā)了被稱為ZA-5、ZA-8、ZA-12及ZA-27的Zn-Al合金系列；其中的5、8、12及27指的是Al的公稱重量百分?jǐn)?shù)。這些合金的凝固以形成α主相枝晶開始，它所隨后被(η+α)共晶包圍。在所有的這些合金中，Al都是主相強(qiáng)化劑。這類合金可以很小的尺寸公差及相當(dāng)?shù)偷某杀捐T造或制造。典型的鑄造方法是金屬模及壓力模鑄造法。將鋅合金屬液倒入體積固定的模腔中而不加壓(金屬模)鑄造或在模鑄過程中加壓。
市售的鋅的鑄造合金，Zamak及Zn-Al(ZA)合合主要用于裝飾或非結(jié)構(gòu)的用途。這是因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)度和／或蠕變性能較低的緣故。較強(qiáng)的材料，如鋼被用來滿足較高的要求。鋼部件通常被機(jī)加工，而鋅合金可壓鑄成形。其它的Zn合金，如Kirksite例來用于沖壓金屬板材的標(biāo)準(zhǔn)工具。但Kirksite工具相對來說是軟的，而且一般不適用于生產(chǎn)大體積的物品。
近年來開發(fā)的已知的鋅基合金，如ACuZinc(2-4％(重量)的Al，4-11％(重量)的Cu，余為Zn)可用作抗蠕變的Zn合金，該合金公開于Kashid和Hanna的美國專利4，990，310中。這些合金含有被三元共晶(η+α+ε)包圍的ε枝晶及一些η相。ε相枝晶的體積份額及尺寸隨Cu含量增加而增加。己發(fā)現(xiàn)這些合金比現(xiàn)有的上市合金更強(qiáng)和更耐久。近年來，還發(fā)現(xiàn)這些合金，當(dāng)應(yīng)變速率增加，其強(qiáng)度增大，而且在較高的溫度下增加得較高。本發(fā)明是此ACuZINC合金的進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明包括這樣的發(fā)現(xiàn)向含ε相為主相的鋅基合金加Ti會(huì)使該合金的抗拉和抗壓強(qiáng)度增加。該合金可在金屬永久鑄?；驂鸿T工藝中使用，以模制部件或工具。按一較佳實(shí)施方案，向含約3-12％(重量)Cu，約2-5％(重量)Al，次要組份，余量Zn的鋅基合金加約0．01-0．1％(重量)的Ti。所發(fā)現(xiàn)性能是始料末及的并且是從未報(bào)導(dǎo)過的。這種性能的原因尚不知道。
加Ti改進(jìn)了該Zn基合金的韌性，發(fā)現(xiàn)了新的Al-Zn-Ti相(Al5Ti10Zn3)，它起著大量的細(xì)ε相(Zn4Cu)的形成核心的作用，該ε相與未加Ti的Zn-Cu-Al合金的ε相相比有更大的表面積。較硬的ε相較大的數(shù)量及其表面積增大則改進(jìn)了該合金的韌性。
由于加Ti增加了抗壓強(qiáng)度和韌性，因而這些鋅合金可以可靠地用于需要這類性能的，汽車或非汽車的部件或工具的場合。本發(fā)明的合金可用于按規(guī)定尺寸鑄造的模中，以便形成板狀金屬，形成各種成形和沖壓工具，形成承受抗壓強(qiáng)度的部件及其它必須受力很大的零件。本發(fā)明的合金成分可用壓鑄法或重力澆鑄法制造成形，或制成接近網(wǎng)狀(near-net)的形狀。
從下文的附圖簡述，詳細(xì)的說明書及所述的權(quán)利要求及附圖將會(huì)了解本發(fā)明的目的，特性和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是表示加Ti對含10．4％(重量)Cu、4．1％(重量)Al及0．05％Mg的鋅合金的室溫抗拉強(qiáng)度極限(UTS)及0．2％屈服強(qiáng)度(0．2％YS)影響的曲線。
圖2是表示加Ti對含10．4％(重量)Cu、4．1％(重量)Al及0．05％Mg的鋅合金的室溫延伸率的影響的曲線。
圖3A-C的曲線表示鈦濃度對含10．4％(重量)Cu、4．1％(重量)Al及0．05％Mg的鋅合金的比例極限的影響，其中(a)是鑄態(tài)的；(b)是經(jīng)100℃，10天時(shí)效的；(c)是經(jīng)200℃，10天時(shí)效的。
圖4A是對比的顯微照片，它展示了Ti濃度對含10．4％(重量)Cu，4．1％Al及0．05％Mg的鋅合金的顯微組織的影響，其中(a)是不加Ti的鑄態(tài)顯微結(jié)構(gòu)，它顯示出大的主ε(Zn4Cu)相(白色枝晶)，少量的，作為二元包晶反應(yīng)產(chǎn)物的η相及三元共晶(η+α+ε)；而與之對比的(b)是加0．015％(重量)Ti的鑄態(tài)顯微結(jié)構(gòu)，它顯示了在合金中堅(jiān)硬的主ε(Zn4Cu)相的晶粒明顯變細(xì)。
圖4B是按本發(fā)明含0．015(重量)Ti的鋅合金中的以Al5Ti10Zn3為基的顆粒的能量擴(kuò)散X-射線分析圖，及圖4A的含0．015％(重量)Ti的合金的顯微結(jié)構(gòu)的放大照片，它具有ε-相及，如該X-射線圖所示，它被鑒定為Al5Ti10Zn3。
圖5是鑄造符合本發(fā)明的Zn-Al-Cu-Ti合金的冷葙模鑄機(jī)的剖面圖。
圖6是鑄造符合本發(fā)明的Zn-Al-Cu-Ti合金的熱室壓鑄機(jī)的剖面圖。
適于實(shí)施本發(fā)明的鋅合金含0．01-0．1％(重量)的Ti、約3-12％(重量)的Cu、約2-5％(重量)的Al、0-0．05％(重量)的Mg，其余量基本上為Zn加Fe及其它常規(guī)雜質(zhì)。對于熱室壓鑄法，約5-7％(重量)的Cu含量較好。含Cu小于4％的合金形不成大量的ε相，而Cu大于約8％則使熔點(diǎn)上升，從而不能在常規(guī)的熱室壓鑄機(jī)中實(shí)施。相反，對于冷室壓鑄的合金而言，約9-11％(重量)的Cu較好。大于約12％(重量)的Cu形成另外的相影響了所需的ε-η-α共晶的顯微結(jié)構(gòu)。
實(shí)施本發(fā)明時(shí)的合金的較佳Al的范圍為約2-5％(重量)。為提供足夠的流動(dòng)性以便在常規(guī)的壓鑄溫度下進(jìn)行處理，至少需要約2％的Al。含有大于約4％的Al的合金產(chǎn)生不需要的α相。
為改進(jìn)尺寸精度及減少應(yīng)力腐蝕裂紋，需要少量的Mg。較佳的含Mg范圍為約0．025-0．05％(重量)。
下面陳述加工符合本發(fā)明的合金的例子和結(jié)果。為此例子所選的基體合金是含10．4％(重量)Cu、4．1％(重量)Al及0．05％(重量)Mg的工業(yè)純的鋅合金。在無芯感應(yīng)爐中將此合金熔化，然后鑄入適于抗拉用途的抗拉試樣砂型中。向作為母合金的該金屬液中加適量的Al，5％(重量)的Ti，1％(重量)的B，然后在650℃，即比液態(tài)溫度高100℃，保溫30分，然后鑄入拉伸及壓縮試樣的模中。
用Instron Universal實(shí)驗(yàn)機(jī)(備有箱式爐)測試抗伸試樣(標(biāo)準(zhǔn)長度50．8mm，直徑12．9mm)和壓縮試樣(標(biāo)準(zhǔn)長度50mm，直徑18mm)。對鑄態(tài)試樣在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對鑄態(tài)試樣及在100℃或200℃的恒溫油浴時(shí)效10天的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。在室溫，93℃(200°F)、150℃(300°F)和177℃(350°F)進(jìn)行這些試驗(yàn)。用連在試樣表面上的熱電偶連續(xù)監(jiān)測試樣溫度。以2．5mm／分的十字頭速度壓此試樣。試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)記錄負(fù)荷一延伸數(shù)據(jù)。比例極限，或發(fā)生可測得的塑性流動(dòng)時(shí)的應(yīng)力，及0．5％和1％的屈服應(yīng)力值用這些數(shù)據(jù)確定。
按照向含10．4％(重量)的Cu、4．1％(重量)的Al及0．05％(重量)的Mg的鋅合金加Ti的量觀察到抗拉性能上升。不加Ti時(shí)的抗拉強(qiáng)度極限(UTS)為301MPa。由于加了0．01-0．1％的Ti，UTS的范圍在342MPa-353Mpa之間，即增加了13-17％(圖1)。屈服極限少有變化。最大的增加出現(xiàn)于加了0．01％的Ti時(shí)。與常規(guī)認(rèn)識(shí)相反，韌性隨VTS的增加而增大。塑性變形由不加Ti的0．22％增大到加0．01-0．1％Ti的約0．5(圖2)。
比例極限是開始變形的度量，并且提供了材料強(qiáng)度的度量。壓縮時(shí)的比例極限，作為Ti濃度的函數(shù)，描繪于圖3中。在室溫下，對于兩種試樣(鑄態(tài)的和時(shí)效狀態(tài)的)，Ti添加量最高為0．015％時(shí)，比例極限增加約20MPa。進(jìn)一步增加則與上述趨勢相反，并趨向于降低比例極限。這種下降在鑄態(tài)材料中比在較高溫度下時(shí)效的材料中更為明顯。圖3B展示了于100℃經(jīng)10天時(shí)效的試樣的趨勢，圖3C展示了于200℃經(jīng)10天時(shí)效的試樣的趨勢。
在93℃、150℃、177℃的熱壓中，鈦的影響與室溫時(shí)的不同。由于加了0．015％(重量)的Ti，該鋅合金的比例極限，根據(jù)試樣的經(jīng)歷(時(shí)效溫度及時(shí)間)下降20-25％MPa。提高兩種類型試樣的Ti濃度則將因加了0．015％(重量)Ti的降低強(qiáng)度的趨勢逆轉(zhuǎn)到與未加Ti時(shí)強(qiáng)度水平大致相同。
含10．4％(重量)的Cu、4．1％(重量)的Al及0．05％(重量)的Mg的鋅合金的鑄態(tài)顯微結(jié)構(gòu)由大的主ε(Zn4Cu)相(白色樹枝晶)，少量η相及三元共晶(η+α+ε)組成，η相是二元包晶反應(yīng)的產(chǎn)物，這些相是在378℃的最終凝固階段析出的。在加Ti的顯微結(jié)構(gòu)中看到明顯的晶粒細(xì)化。如圖4A中所示，由于加了Ti，在該合金中為堅(jiān)硬相的ε相(白色)的初晶顯得較細(xì)，而且是“非樹枝晶”的。圖4B展示了，ε相似乎象在金屬間化合物上的中心處，它用能量散射X-射分析被鑒定為以Al5Ti10Zn3o為基的顆粒，而且可能是由起看非均質(zhì)結(jié)晶核心作用的Al3Ti構(gòu)成的。
相信上述結(jié)果在新時(shí)期被第一次報(bào)導(dǎo)。小尺寸晶粒的存在本身不可能是改進(jìn)這些性能的唯一原因。資料表明包晶反應(yīng)是改善和提高強(qiáng)度的另一原因。首先成核的ε相與液相反應(yīng)，然后逐漸被固態(tài)的η相(灰色)包住。由于可用來發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的ε相的表面區(qū)域較大的體積份額，所以在經(jīng)過精煉的合金中看到了較大體積份額的η相。雖然有ε相細(xì)化晶粒的資料，但強(qiáng)化的實(shí)際機(jī)機(jī)理的詳細(xì)認(rèn)識(shí)尚不清楚。
對含10．4％(重量)Cu、4．1％(重量)Al及0．05％(重量)Mg的鑄態(tài)合金的室溫機(jī)械性能的影響似乎在0．015％(重量)的Ti時(shí)達(dá)到其最大程度，即UTS350MPa、壓縮比例極限255MPa。經(jīng)時(shí)效的含鈦合金顯出相似的行為。期望這種特性對被稱為Acu Zinc5和ACuZinc10的，含ε相為主相的，并且是用金屬永久性?；驂鸿T法制造的所有鋅合金都有類似的效果。這種信息與含Ti最多為0．1％(重量)的材料在以不同溫度時(shí)效時(shí)比不加Ti的合金尺寸更穩(wěn)定的知識(shí)相結(jié)合暗示了含鈦合金最好在室溫下進(jìn)行按規(guī)定尺寸的模鑄。
圖5中示意性地展示了用常規(guī)的冷室壓鑄機(jī)按本發(fā)明的壓鑄法制成本發(fā)明的鋅基Cu-Al-Ti合金。該機(jī)10可包括一可移動(dòng)的面板11和固定的臺(tái)板13。半模12和14分別裝在臺(tái)板11和13上，并且用流經(jīng)其中的通道(未示)的循環(huán)水冷卻。在該圖所示的封閉部位中。半模12和14共同限定了一個(gè)體積固定的模腔16，它適于按尺寸和形狀生產(chǎn)具有所需外形的鑄件。在鑄造周期的適當(dāng)時(shí)機(jī)，臺(tái)板11相對于臺(tái)板13移動(dòng)，從而將半模12和14沿以線18標(biāo)志平面分開，以便將鑄件產(chǎn)品頂出。機(jī)器10還包括填充裝置20，它一般包括圓柱形的填充套筒22，它與腔16是相通的。套筒22包括一個(gè)用于容納，比如，從適宜的澆包28傾入的熔態(tài)金屬料26的入口24。在套筒22中可滑動(dòng)地容有一個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的填充柱塞30，它向模的部位推進(jìn)，以便迫使金屬從套筒22進(jìn)入型腔16。
本發(fā)明的鋅的壓鑄件還可用圖6中示意性展示的熱室壓鑄機(jī)50制造。鑄機(jī)50包括分別裝在固定面板53和移動(dòng)臺(tái)板55上的水冷半模52和54，臺(tái)板53和55適于使半模在圖6中所示的封閉位置和開放位置間移動(dòng)，在封閉位置時(shí)，兩半模共同構(gòu)成了鑄腔56，而在開放位置時(shí)，兩半模沿線58所示的平面分開以便將成品鑄件頂出。按常規(guī)的熱室壓鑄法，壓鑄機(jī)包括一個(gè)由鵝頸式的套管62構(gòu)成的填充裝置60，套管62部份埋于盛放在熔煉桶63中的金屬熔池64中。填充裝置60還包括可滑動(dòng)地裝在鵝頸62中的液壓推動(dòng)柱塞68。當(dāng)柱塞，68位于該圖所示的回縮位置時(shí)，金屬熔池64中的原料經(jīng)入口66填充了鵝頸62。為了鑄造向下驅(qū)動(dòng)柱塞68以迫使金屬液經(jīng)套筒62進(jìn)入模腔56中。
權(quán)利要求
1.一種合金，它含約0．01-約0．1％(重量)Ti、約3-約12％(重量)Cu、約2-約5％(重量)Al、約81-約95％(重量)Zn。
2.權(quán)利要求1的合金，它包含主ε相，η相及η+α+ε三元共晶。
3.權(quán)利要求1的合金，它含4-7％(重量)Cu，而且其中所述合金用熱室壓模鑄法鑄造。
4.權(quán)利要求1的合金，它含7-11％(重量)Cu，而且其中所述合金用冷室壓鑄法鑄造。
5.權(quán)利要求1的合金，它含約0．01-0．015％(重量)Ti。
6.權(quán)利要求1的合金，它還含次要組份。
7.一種合金，它含Al5Ti10Zn3顆粒。
8.一種壓鑄件，它含約0．01-約0．1％(重量)Ti、約3-約12％(重量)Cu、約2-約5％(重量)Al、約81-約95％(重量)Zn。
9.權(quán)利要求8的鑄件，它包含主ε相，η相及η+α+ε三元共晶。
10.一種Zn-Cu-Al為基的合金，它含有改進(jìn)該合金抗拉強(qiáng)度的足量的Ti。
11.權(quán)利要求10的合金，它包含約3-12％(重量)Cu，約2-約5％(重量)Al及約81-95％(重量)Zn。
12.一種Zn-Cu-Al基合金，它含有使ε相的表面積比不加Ti的合金的該表面增大的足量的Ti。
13.權(quán)利要求12的合金，它包含約3-12％(重量)Cu，約2-約5％(重量)Al及約81-95％(重量)Zn。
全文摘要
本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)是:含以ε相為主相的Zn基合金加了Ti會(huì)使該合金抗拉和抗壓強(qiáng)度提高。該合金可用于金屬,永久模鑄或壓鑄工藝中以模制部件或工具。按較佳實(shí)施方案,向含3—12%(重量)Cu,2—5%(重量)Al,次要成分及余量的Zn的鋅基合金加0.01—0.1%(重量)的Ti。所發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)是預(yù)料不到的和先前從未報(bào)導(dǎo)金的。這種特性的原因尚不清楚。
文檔編號(hào)C22C18/02GK1206049SQ98109780
公開日1999年1月27日 申請日期1998年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月7日
發(fā)明者M·D·漢納, M·S·拉詩德 申請人:通用汽車公司