一种高强耐腐蚀Zn-Cu-Ti-Ce合金的制备方法

一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法
技术领域
1.本发明属于合金板材制备技术领域，具体涉及一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法。


背景技术：

2.由于锌的低熔点、良好的电磁性、优越的抗摩擦性、高阻尼性、较高的承载力和良好的加工性能等，在建筑、机械、轻工、家用电器、电池等行业的应用也非常普遍。
3.作为结构件使用的锌合金大部分为形变锌合金。当前具有超塑性特征的zn-al系取得了较大的发展，而zn-pb-cd系合金(干电池锌筒)、zn-al-mg系合金(印刷行业使用的微晶锌板)和zn-cu系合金的发展和应用相对滞后。zn-cu系合金具有较高的强度和硬度及抗蠕变性能，作为结构材料应用于汽车、航空和建筑行业。将具有抗蠕变性能和较高强度的zn-cu-ti合金作为结构材料应用到工业生产中，受到材料工作者的亲睐。
4.研究指出zn-cu-ti合金的密度比黄铜低25％，抗拉强度接近退火态黄铜，原料成本却远远低于退火态黄铜，抗蠕变性能比工业纯锌提高近500倍。因此，其综合性能指标不仅可满足一般结构材料的使用需求，而且在某些领域作为铜合金的替代材料是完全可以胜任的。此外，zn-cu-ti合金具有良好的耐腐蚀性能。当前，美国、德国、日本等国家已经掌握了zn-cu-ti合金的最佳成分、成型工艺等。国内在这一块的发展相对缓慢。有研究指出zn-cu-ti合金中稀土元素的加入可以让晶粒细化，提高整体的力学性能和耐蚀性能。然而，含稀土ce的zn-cu-ti合金的成型工艺尚不成熟。本工作将探索zn-cu-ti-ce合金的成型工艺，为zn-cu-ti-ce合金板材的制备提供技术支持。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，探明zn-cu-ti-ce合金的成型工艺和稀土元素ce对合金组织和性能的影响。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)以纯锌和纯铈为原料，利用井式电阻炉在600℃-610℃温度下将纯锌熔化，用石墨罩将纯铈快速压入到锌熔体底部，待纯铈完全溶解后，再将熔体温度提高到670℃-680℃并搅拌熔体，保温10min，将熔体浇注到石墨模具中，成型出棒状zn-3ce中间合金锭；
9.(2)将锌锭、zn-5cu和zn-1.5ti中间体放入井式电阻炉内，待合金熔体温度达到630℃-635℃时，将步骤(1)制得的zn-3ce中间合金锭放入熔体中，根据各组分质量比，炼制得到比例为zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce的合金，保温30min，随后将该含ce的熔体浇注到石墨模具中，制得φ36mm的铸锭；
10.(3)将棒料铸锭在挤压模中加热到380℃-390℃，并保温10min-15min，压头运行速度为0.8mm/s，采用等温挤压工艺将φ36mm的棒料一次挤压成3mm
×
5mm的合金片；
11.(4)将合金片加热到240℃-250℃，并保温10min-15min，采用2道次等温轧制工艺将3mm厚的合金片变形成1mm，先将合金片轧制到1.5mm，再轧制到1mm，轧制时合金片进给速度为1.5mm/s；
12.(5)将1mm厚的zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金片加热到120℃-150℃，并保温30min，随后冷却即可。
13.优选的，步骤(1)中所述的铈完全溶解后，采用10℃/min的速度将zn-cu-ti-ce合金熔体温度提高到670℃-680℃。
14.优选的，步骤(5)中所述的冷却方式为空冷。空冷的冷却速度较快，可以有效抑制析出相的长大
15.本发明采用熔炼加变形技术制备zn-cu-ti-ce合金板材，采用廉价的井式电阻炉熔炼zn-3ce中间合金和zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金，通过等温挤压工艺将φ36mm的棒料一次挤压成3mm
×
5mm的合金片，随后利用等温热轧工艺制备出1mm厚的薄板。制得的样品组织结构均匀，耐腐蚀性能和力学性能优异。
附图说明
16.图1是zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金的铸态组织；
17.图2是挤压态zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金的组织形貌；
18.图3是轧制后zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金的组织形貌；
19.图4是热处理后zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金的组织形貌，(a)、(b)分别为120℃和150℃热处理条件下；
20.图5是热处理前后zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金的耐腐蚀性能。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
22.实施例1：
23.一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，包括以下步骤：
24.(1)以纯锌和纯铈为原料，利用井式电阻炉在600℃-610℃温度下将纯锌熔化，用石墨罩将纯铈快速压入到锌熔体底部，待纯铈完全溶解后，为了有效抑制铈的氧化，优选需采用10℃/min的速度再将熔体温度提高到670℃-680℃并搅拌熔体，保温10min，将熔体浇注到石墨模具中，成型出棒状zn-3ce中间合金锭；
25.(2)将锌锭、zn-5cu和zn-1.5ti中间体放入井式电阻炉内，待合金熔体温度达到630℃-635℃时，将步骤(1)制得的zn-3ce中间合金锭放入熔体中，根据各组分质量比，炼制得到比例为zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce的合金，保温30min，随后将该含ce的熔体浇注到石墨模具中，制得φ36mm的铸锭；
26.(3)将棒料铸锭在挤压模中加热到380℃-390℃，并保温10min-15min，压头运行速度为0.8mm/s，采用等温挤压工艺将φ36mm的棒料一次挤压成3mm
×
5mm的合金片；
27.(4)将合金片加热到240℃-250℃，并保温10min-15min，采用2道次等温轧制工艺将3mm厚的合金片变形成1mm，先将合金片轧制到1.5mm，再轧制到1mm，轧制时合金片进给速度为1.5mm/s；
28.(5)将1mm厚的zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金片加热到120℃，并保温30min，随后冷却即可，优选的采用空冷的方式，因为空冷的冷却速度较快，能有效抑制析出相的长大。
29.实施例2：
30.一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，包括以下步骤：
31.(1)以纯锌和纯铈为原料，利用井式电阻炉在600℃-610℃温度下将纯锌熔化，用石墨罩将纯铈快速压入到锌熔体底部，待纯铈完全溶解后，为了有效抑制铈的氧化，优选需采用10℃/min的速度再将熔体温度提高到670℃-680℃并搅拌熔体，保温10min，将熔体浇注到石墨模具中，成型出棒状zn-3ce中间合金锭；
32.(2)将锌锭、zn-5cu和zn-1.5ti中间体放入井式电阻炉内，待合金熔体温度达到630℃-635℃时，将步骤(1)制得的zn-3ce中间合金锭放入熔体中，根据各组分质量比，炼制得到比例为zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce的合金，保温30min，随后将该含ce的熔体浇注到石墨模具中，制得φ36mm的铸锭；
33.(3)将棒料铸锭在挤压模中加热到380℃-390℃，并保温10min-15min，压头运行速度为0.8mm/s，采用等温挤压工艺将φ36mm的棒料一次挤压成3mm
×
5mm的合金片；
34.(4)将合金片加热到240℃-250℃，并保温10min-15min，采用2道次等温轧制工艺将3mm厚的合金片变形成1mm，先将合金片轧制到1.5mm，再轧制到1mm，轧制时合金片进给速度为1.5mm/s；
35.(5)将1mm厚的zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金片加热到150℃，并保温30min，随后冷却即可，优选的采用空冷的方式，因为空冷的冷却速度较快，能有效抑制析出相的长大。
36.对制备的zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金进行组织性能测试，得到结果表征如图1-4所示，铸态下该合金组织成胞状晶特征，热挤压变形后胞状晶演变成等轴晶，并且晶粒尺寸明显减小，热轧变形后等轴晶特征未发生变化，不过晶粒尺寸有所增大，热处理过程中消除了组织中位错等缺陷，这有助于提高合金的耐腐蚀性能。经过测试，未进行热处理的1mm厚zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金板材样品拉伸强度为184.6mpa，延伸率为5.97％，经过120℃和150℃热处理后，拉伸强度和延伸率依次分别为168.9mpa、7.30％和155.6mpa、8.89％，由此可见，经过热处理后，合金样品的延伸性能得到有效提高，如图5所示。

技术特征：
1.一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以纯锌和纯铈为原料，利用井式电阻炉在600℃-610℃温度下将纯锌熔化，用石墨罩将纯铈快速压入到锌熔体底部，待纯铈完全溶解后，再将熔体温度提高到670℃-680℃并搅拌熔体，保温10min，将熔体浇注到石墨模具中，成型出棒状zn-3ce中间合金锭；(2)将锌锭、zn-5cu和zn-1.5ti中间体放入井式电阻炉内，待合金熔体温度达到630℃-635℃时，将步骤(1)制得的zn-3ce中间合金锭放入熔体中，根据各组分质量比，炼制得到比例为zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce的合金，保温30min，随后将该含ce的熔体浇注到石墨模具中，制得φ36mm的铸锭；(3)将棒料铸锭在挤压模中加热到380℃-390℃，并保温10min-15min，压头运行速度为0.8mm/s，采用等温挤压工艺将φ36mm的棒料一次挤压成3mm
×
5mm的合金片；(4)将合金片加热到240℃-250℃，并保温10min-15min，采用2道次等温轧制工艺将3mm厚的合金片变形成1mm，先将合金片轧制到1.5mm，再轧制到1mm，轧制时合金片进给速度为1.5mm/s；(5)将1mm厚的zn-0.75cu-0.15ti-0.3ce合金片加热到120℃-150℃，并保温30min，随后冷却即可。2.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的铈完全溶解后，采用10℃/min的速度将zn-cu-ti-ce合金熔体温度提高到670℃-680℃。3.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀zn-cu-ti-ce合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述的冷却方式为空冷。

技术总结
一种高强耐腐蚀Zn-Cu-Ti-Ce合金的制备方法，包括以下步骤：(1)利用井式电阻炉将纯锌熔化，用石墨罩将纯铈快速压入到锌熔体底部，待纯铈完全溶解后，提高到670℃-680℃并搅拌，保温10min，将熔体浇注到石墨模具中；(2)将锌锭、Zn-5Cu和Zn-1.5Ti中间体放入井式电阻炉内，待温度达到630℃-635℃时，将Zn-3Ce中间合金锭放入熔体中，炼制得到比例为Zn-0.75Cu-0.15Ti-0.3Ce的合金，随后将该含Ce的熔体浇注到石墨模具中，制得Φ36mm的铸锭；(3)将棒料铸锭加热到380℃-390℃，并保温10min-15min，挤压成合金片；(4)将合金片加热到240℃-250℃，并保温10min-15min，采用2道次等温轧制工艺轧制到1mm；(5)将合金片加热到120℃-150℃，并保温30min，随后冷却即可。本发明制得的样品组织结构均匀，耐腐蚀性能和力学性能优异。耐腐蚀性能和力学性能优异。耐腐蚀性能和力学性能优异。


技术研发人员：戚继球 顾胡维 倪雅 朱磊 孟庆坤 委福祥 隋艳伟 任耀剑
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.02.20
技术公布日：2022/5/25