一种高硬度的锌铜铝合金的制作方法

本发明涉及一种高硬度的锌铜铝合金，更具体是涉及一种等质量比高硬度锌铜铝合金。

背景技术：

铸造方法广泛应用于各个领域，如电子零件、光学仪器、汽车、纺织、建筑、测量仪器等，特别是汽车零部件的生产。

纯铜较柔软，表面呈红橙色金属光泽，具有良好的延展性、导热性及导电性，因此被广泛应用于制冷、电力等行业，其在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。自20世纪30年代以来，由于铜使用量的增大及矿产资源的消耗，在全世界范围内开始出现铜资源紧张的局势，导致铜原料及铜合金的价格越来越昂贵。我国富锌缺铜，年耗铜量中50％～60％依赖进口，而我国锌矿藏量占世界总锌藏量的31％，居世界首位。因为世界性的铜锡资源紧张，以锌代铜是我国的资源政策的重点，也是世界性的趋势。

我国对锌铝合金的研究是从20世纪90年代开始的，与铜合金相比锌铝合金成本低廉。锌铝合金在我国的发展时间较短，与其他发达国家比较还存在着很大的差距，主要体现在塑韧性较低、耐蚀性较差及杂质含量较高等。就目前而言，我国的锌铝合金很难达到自给自足的局面，还需要大量进口锌铝合金。

随着我国科学技术手段的不停提高，我国对锌铜铝合金的研究也越来越深入。目前我国主要研究方式还是以锌铝为主要成分，再加入少量的铜元素，关于铜含量对锌合金性能的影响的报道不尽一致。如河南科技大学杨涤心教授研究发现当铜含量为2.5％～3.5％铝锌铜合金的综合性能最佳，最佳性能为布氏硬度为120～121hb，抗拉强度为400～410mpa，伸长率为7％～8％。该合金的硬度仍然较低，难以满足工业生产需要。江苏大学徐桂芳教授研究了热处理工艺对铜锌铝形状记忆合金组织和磨损性能的影响，确定了100℃分级淬火处理后耐磨性最佳。韩国机械研究院韩承传等人确定了18％-50％重量的锌，0.05％-5％重量的铜，其余为铝的铝锌铜合金具有改善的铸造性能、强度和伸长率。目前传统合金制备以一种元素为主要组元、再添加少量其他元素作为合金元素。而在“al-cu-zn系非晶合金的制备及热力学性质，宋博等”中制备得到al63cu27zn10合金，在制备过程中，由于铜原子百分含量较高，还需要采用快速冷却方法冷却到约-50℃，在得到部分非晶相同时、进一步细化合金的晶粒度才能起到显著提高合金的硬度的效果。并且其采用al、zn、cu为原料直接熔炼，而al、zn、cu组分之间的熔点相差较大，该熔融方法会造成原料烧损较大，影响合金性能。在其中也未研究合金的室温冲击韧性，因为硬度提高的同时往往会导致室温冲击韧性大幅度降低。

针对上述现有技术，本申请实际所解决的技术问题是，如何得到一种锌铜铝合金，不仅能取代铜合金以节约铜资源、大幅度降低合金成本，而且不需要采用快速冷却方法得到非晶就能进一步提高合金硬度和耐磨性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是采用普通熔铸方法制备高硬度锌铜铝合金。

本发明采用的技术方案为：

一种高硬度锌铜铝合金，合金中的铜含量为30～38wt.％、铝含量为30～38wt.％、锌含量为30～38wt.％，不可避免的杂质含量小于0.8％。以铝铜中间合金和工业纯铝、工业纯铜及工业纯锌为原料，采用熔炼铸造方法制备锌铜铝合金。

进一步，优化后高硬度锌铜铝合金成分为等质量百分比的锌、铜和铝(优选：cu：33.33wt.％，al：33.33wt.％，zn：33.33wt.％)本发明发现当各组元元素的质量比相等时，能显著提高合金硬度和耐磨性，并且对室温冲击韧性变化的影响不大。

进一步，采用的铝铜中间合金是al-50cu合金。

进一步，采用al-50cu合金作为中间合金，根据目标成分选择工业纯铝、工业纯铜及工业纯锌含量，投入井式电阻炉在750℃熔炼，完全熔化后，进行搅拌，静置5分钟，加入精炼剂，加入量为炉料总质量的0.3～0.7％，再静置30分钟，进行扒渣、浇铸，浇铸后为自然冷却到室温，得到锌铜铝合金。

由于cu的熔点较高，如果直接单独加入铝、铜、锌，al、zn、cu之间的熔点相差较大，熔炼温度要达到1050℃，会造成原料烧损较大，影响合金性能，而选择al-50cu中间合金和al、zn进行熔炼，仅需要在750℃即可熔炼，明显低于传统铜合金的熔炼温度，可以节约成本，更有利于高硬度锌铜铝合的制备。

与现有技术相比，取得的有益效果为：本发明制备得到的质量范围在30～38wt.％、铝含量为30～38wt.％、锌含量为30～38wt.％的铜铝锌合金，尤其是采用等质量比的合金的成分设计，能明显提高合金的硬度和耐磨性，可作为制备耐磨零件的合金材料。可作为铜合金的替代材料，显著降低铜合金的制备成本，且本发明的熔炼无需较高的熔炼温度，也无需快速冷却等特殊工艺步骤即可满足力学性能要求。

附图说明

图1为实施例1制备得等质量比锌铜铝合金的显微组织；

图2为实施例2制备得32zn-32cu-36al锌铜铝合金的显微组织；

图3为实施例3制备得36zn-32cu-32al锌铜铝合金的显微组织；

图4为实施例4制备得32zn-36cu-32al锌铜铝合金的显微组织；

图5为锌铜铝合金冲击试样尺寸；

图6为实施例1制备得等质量比锌铜铝合金的x射线衍射谱图。

具体实施方式

实施案例1

1、等质量比锌铜铝合金33.3zn-33.3cu-33.3al的制备

首先将60g工业纯锌和120gal-50cu中间合金放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼，熔炼温度为750℃，完全熔化后，进行搅拌，静置5分钟，加入精炼剂c2cl6，精炼剂加入量为炉料总量的0.3％，再静置30分钟，进行扒渣、浇铸，浇铸后自然冷却至室温，得到33.3zn-33.3cu-33.3al锌铜铝合金。

图1为等质量比锌铜铝合金的显微组织，合金的微观组织由zn相、al相、al2cu相和al4.2cu3.2zn0.7组成，从微观组织中可知，合金微观组织未发生合金元素明显偏析现象，浇铸后也无需再通过热处理等方法细化合金的晶粒度，因为该合金组织中粗大相是基体相，是硬度高的金属间化合物，所以晶粒尺寸对硬度的影响很小。

2、等质量比锌铜铝合金的力学性能

冲击试样采用圆柱形试样，图5为压铸锌合金冲击试样尺寸。对等质量比锌铜铝进行力学性能测试，室温硬度为96hrb(hv314)，室温冲击韧性变化不大，室温冲击韧性为1.85j/cm²。

实施案例2

1、32zn-32cu-36al合金的制备

首先将64g工业纯锌、8g工业纯铝和128gal-50cu放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼，熔炼温度为750℃，完全熔化后，进行搅拌，静置5分钟，加入精炼剂，再静置30分钟，进行扒渣、浇铸，浇铸后自然冷却至室温。得到本发明的32zn-32cu-36al合金。图2为32zn-32cu-36al合金的显微组织。

2、32zn-32cu-36al合金的力学性能

冲击试样采用圆柱形试样，图5为压铸锌合金冲击试样尺寸。对32zn-32cu-36al合金试样进行力学性能测试，室温硬度90hrb(hv274.5)，室温冲击韧性变化不大，室温冲击韧性0.88j/cm²。

实施案例3

1、36zn-32cu-32al合金的制备

首先将72g工业纯锌和128gal-50cu放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼,熔炼温度为750℃，完全熔化后，进行搅拌，静置5分钟，加入精炼剂，再静置30分钟，进行扒渣、浇铸，浇铸后自然冷却至室温。得到本发明的36zn-32cu-32al合金。图3为36zn-32cu-32al合金的显微组织。

2、36zn-32cu-32al合金的力学性能

冲击试样采用圆柱形试样，图5为压铸锌合金冲击试样尺寸。对36zn-32cu-32al合金合金试样进行力学性能测试，室温硬度92hrb(hv284.8)，室温冲击韧性变化不大，室温冲击韧性1.85j/cm²。

实施案例4

1、32zn-36cu-32al合金的制备

首先将64g工业纯锌、128gal-50cu和8g纯铜放入石墨坩埚中在井式电炉中进行加热和熔炼,熔炼温度为750℃，完全熔化后，进行搅拌，静置5分钟，加入精炼剂，再静置30分钟，进行扒渣、浇铸，浇铸后自然冷却至室温。得到本发明的32zn-36cu-32al合金。图4为32zn-36cu-32al合金的显微组织。

2、32zn-36cu-32al合金的力学性能

冲击试样采用圆柱形试样，图5为压铸锌合金冲击试样尺寸。对32zn-36cu-32al合金合金试样进行力学性能测试，室温硬度90hrb(hv274.5)，室温冲击韧性变化不大，室温冲击韧性1.50j/cm²。

对比实验有：

(一)cu和al等质量下降，zn含量上升，设计了以下合金：43zn-28.5cu-28.5al，53zn-23.5cu-23.5al，63zn-18.5cu-18.5al，73zn-13.5cu-13.5al，83zn-8.5cu-8.5al，88zn-6cu-6al，93zn-3.5cu-3.5al，98zn-1cu-1al合金。

(二)zn和cu等质量下降，al含量上升，设计了以下合金。

28.5zn-28.5cu-43al，23.5zn-23.5cu-53al，18.5zn-18.5cu-63al，13.5zn-13.5cu-73al，8.5zn-8.5cu-83al，6zn-6cu-88al，3.5zn-3.5cu-93al，1zn-1cu-98al合金。

采用实施例的制备方法，制备以上对比实验所有合金，发生这些合金的硬度大幅度降低，合金硬度均在65hrb以下，明显低于等质量比的合金。