高强度铸造锌-铜-铝-钽合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度铸造锌‑铜‑铝‑钽合金，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.05‑0.5%，Cu 5‑8%，Al 3‑4.2%，余量为Zn及其他不可避免的杂质元素；Ta元素主要以TaAl3‑xZnx化合物粒子的方式镶嵌于ε‑CuZn5相和初生η‑Zn相的晶粒中心区域，其中，0.05＜x＜1.1，少数以原子形式固溶于初生η‑Zn相中。本发明专利技术还公开了该合金的制备方法。该合金具有获得较高的抗拉强度及良好的铸造工艺性能，作为高强度铸造合金结构材料，极具应用前景。

High strength cast aluminum copper zinc tantalum alloy and preparation method thereof

The invention discloses a high strength cast aluminum copper zinc tantalum alloy consists of the following components: the content of Ta 0.05 0.5%, Cu 5 8%, Al 3 4.2%, the balance of impurity Zn and other unavoidable; Ta element in TaAl3 xZnx compound particle mode embedded grain center area, in CuZn5 ETA epsilon phase and primary Zn phase, 0.05 < x < 1.1, a few atomic solute in the primary phase of Zn. The invention also discloses the preparation method of the alloy. The alloy has high tensile strength and good casting properties. It has great application prospect as high strength casting alloy structure material.

【技术实现步骤摘要】
高强度铸造锌-铜-铝-钽合金及其制备方法
本专利技术属于合金材料
，尤其涉及一种高强度铸造锌-铜-铝-钽合金及其制备方法。
技术介绍
由于锌和铜矿产资源丰富，锌-铜合金应用广泛，锌-铜合金可用于五金、建筑、汽车等领域。但其偏低的强度性能限制了其更广泛的应用。目前的研究多采用合金化方法向锌-铜合金中添加铝、钛、稀土、镁等元素及结合塑性加工和热处理方法以提高其力学和切削加工性能。目前文献中采用合金化与挤压变形相结合的工艺能够获得抗拉强度200-350MPa的变形锌-铜基合金，但锌-铜合金的力学性能进一步提高仍然很难做到。
技术实现思路
本专利技术提供了锌-铜基铸造锌-铜-铝-钽合金及其制备方法，以解决合金力学性能不高的问题。本专利技术提供的一种高强度铸造锌-铜-铝-钽合金，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.05-0.5%，Cu5-8%，Al3-4.2%，余量为Zn及其他不可避免的杂质元素；Ta元素主要以TaAl3-xZnx化合物粒子的方式镶嵌于ε-CuZn5相和初生η-Zn相的晶粒中心区域，其中，0.05＜x＜1.1，少数以原子形式固溶于初生η-Zn相中。优选地，各成分的百分含量为：Ta0.07-0.45%，Cu5.7-7%，Al3.5-4%。优选地，各成分的百分含量为：Ta0.15%，Cu7%，Al4%。本专利技术还提供了一种用以制备上述高强度铸造锌-铜-铝-钽合金的制备方法，包括以下步骤：（1）制备锌-铜中间合金和锌-铝-钽中间合金；（2）将所述锌-铜中间合金、纯锌和纯铝两种原料加入电炉内熔化至660-750℃，得到锌-铜-铝合金熔体；（3）将所述锌-铝-钽中间合金加入所述锌-铜-铝合金熔体中，保温10-20分钟，保温过程中对合金熔体进行充分搅拌，得到锌-铜-铝-钽合金熔体；（4）将所述锌-铜-铝-钽合金熔体进行精炼之后浇注至模具中，凝固后得到锌-铜-铝-钽合金。优选地，所述锌-铜中间合金的含铜量为8-12%。优选地，所述锌-铝-钽中间合金的含钽量为15%，含铝量为27%。本专利技术制备的高强度铸造锌-铜-铝-钽合金，基体由ε-CuZn5化合物相、初生η-Zn相及少量η-Zn+α-Al共晶组织构成，钽和铝元素的加入，为合金加入了大量TaAl3-xZnx（0.05＜x＜1.1）化合物粒子，在合金凝固过程中为ε-CuZn5和初生η-Zn相提供大量异质形核的核心，对两种物相产生晶粒细化作用，除此之外，η-Zn+α-Al共晶组织会以初生η-Zn相为结晶核心，因此，初生η-Zn相的尺寸细化、数量增多又会使共晶组织产生细化作用。细晶强化和固溶强化使该合金获得较高的抗拉强度，同时该合金还具有良好的铸造工艺性能，作为高强度合金结构材料，极具应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al-0.3Ta合金的扫描电镜低倍组织结构图；图2为本专利技术实施例一所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al-0.3Ta合金的扫描电镜高倍组织结构图；图3为对比例二所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图；图4为本专利技术实施例一所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al-0.3Ta合金的光学显微镜组织结构图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术做进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。实施例一一种Zn-5.7Cu-3.5Al-0.3Ta合金（该合金中Cu的质量百分含量为5.7%，Al的质量百分含量为3.5%，Ta的质量百分含量为0.3%，其余为Zn及其他不可避免的杂质元素），制备过程如下。制备过程中所使用纯锌的纯度为99.9%或以上，纯铝的纯度为99.7wt.%或以上，纯铜的纯度为99.9wt.%或以上。以下实施例和对比例皆选用上述原料。（1）以纯锌和纯铜为原料，根据现有技术，制备Zn-8Cu中间合金；以纯锌、纯铝和K2TaF7为原料，根据现有技术，制备Zn-27Al-15Ta中间合金。（2）称取Zn-8Cu中间合金、Zn-27Al-15Ta中间合金和纯锌、纯铝，使得总原料中，Cu的质量百分含量为5.7%，Al的质量百分含量为3.5%，Ta的质量百分含量为0.3%，其余为Zn；将称量好的Zn-8Cu中间合金、纯锌和纯铝三种原料加入电炉内熔化至690℃，得到锌-铜-铝合金熔体。（3）将称量好的Zn-27Al-15Ta中间合金加入步骤（2）得到的锌-铜-铝合金熔体中，保温10分钟，保温过程中对合金熔体进行充分搅拌，得到锌-铜-铝-钽合金熔体；（4）将步骤（3）得到的锌-铜-铝-钽合金熔体行精炼之后浇注至模具中，凝固后得到Zn-5.7Cu-3.5Al-0.3Ta合金。对比例一一种Zn-5.7Cu合金，制备过程如下：以纯锌和纯铜为原料，根据现有技术，制备Zn-5.7Cu合金。对比例二一种Zn-5.7Cu-3.5Al合金，制备过程如下。（1）以纯锌和纯铜为原料，根据现有技术，制备Zn-8Cu中间合金。（2）称取Zn-8Cu中间合金和纯锌、纯铝，使得总原料中，Cu的质量百分含量为5.7%，Al的质量百分含量为3.5%，其余为Zn；将称量好的Zn-8Cu中间合金和纯锌、纯铝三种原料加入电炉内熔化至690℃，保温10分钟，保温过程中对合金熔体进行充分搅拌，得到锌-铜-铝合金熔体。（3）将步骤（2）得到的锌-铜-铝-钽合金熔体行精炼之后浇注至模具中，凝固后得到Zn-5.7Cu-3.5Al合金。参见图1和图2，为实施例一所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al-0.3Ta合金的扫描电镜组织结构图。其中，图1为低倍，图2为高倍。基体主要由ε-CuZn5化合物相、初生η-Zn相及少量η-Zn+α-Al共晶组织构成。通过扫描电镜能谱仪分析，发现其中，图2中的4处，即纹理部位为η-Zn+α-Al共晶组织；图2中的2处，即长条状凸出部位为ε-CuZn5化合物相；图2中3处，即不规则饼状部位为初生η-Zn相；图2中1处所示，位于ε-CuZn5化合物相和初生η-Zn相中心区域的白色粒子（图1中也可看到很多），为TaAl3-xZnx（0.05＜x＜1.1）化合物，具体地，1处为TaAl2.64Zn0.36化合物粒子。在凝固过程中，ε-CuZn5首先生成，然后通过包晶反应生成初生η-Zn相，构成合金的主要基体。铝元素主要作用是固溶于初生η-Zn相和形成少量分布于初生η-Zn或ε-CuZn5相的晶粒之间的η-Zn+α-Al共晶组织。ε-CuZn5是一种硬脆相，凝固过程时易生成发达的树枝晶，其外围通过包晶反应生成的初生η-Zn相同样具有发达树枝晶的特点，这对力学等性能会产生不利影响。钽和铝元素的加入，为合金加入了大量TaAl3-xZnx（0.05＜x＜1.1）化合物粒子，在合金凝固过程中为ε-CuZn5和初生η-Zn相提供大量异质形核的核心（图1、2），对两种物相产生晶粒细化作用（图3、4）。图3为对比例二所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al合金的光学显微镜组织结构图，图4为实施例一所制备的Zn-5.7Cu-3.5Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度铸造锌‑铜‑铝‑钽合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta 0.05‑0.5%，Cu 5‑8%，Al 3‑4.2%，余量为Zn及其他不可避免的杂质元素；Ta元素主要以TaAl3‑xZnx化合物粒子的方式镶嵌于ε‑CuZn5相和初生η‑Zn相的晶粒中，其中，0.05＜x＜1.1，少数以原子形式固溶于初生η‑Zn相中。

【技术特征摘要】
1.一种高强度铸造锌-铜-铝-钽合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Ta0.05-0.5%，Cu5-8%，Al3-4.2%，余量为Zn及其他不可避免的杂质元素；Ta元素主要以TaAl3-xZnx化合物粒子的方式镶嵌于ε-CuZn5相和初生η-Zn相的晶粒中，其中，0.05＜x＜1.1，少数以原子形式固溶于初生η-Zn相中。2.根据权利要求1所述的高强度铸造锌-铜-铝-钽合金，其特征在于，各成分的百分含量为：Ta0.07-0.45%，Cu5.7-7%，Al3.5-4%。3.根据权利要求2所述的高强度铸造锌-铜-铝-钽合金，其特征在于，各成分的百分含量为：Ta0.15%，Cu7%，Al4%。4.一种如权利要求1至3任一项所述的高强度铸造锌-铜-铝-钽合金的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振卿，张文衡，赵德刚，左敏，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37