一種製造模具用鋅合金的製作方法
2023-05-14 16:03:16
專利名稱：一種製造模具用鋅合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造模具用的鋅合金，具體地說，是一種用於製造注塑模、吹塑 模、壓塑模等模具的鋅合金材料。
背景技術：
隨著科學技術的發展，模具應用的範圍越來越廣泛，對於製造多品種、小批量或頻 繁更新改型的產品模具如注塑模、吹塑模、壓塑模等模具而言，要求具有製造周期短、製作 難度小且成本低的特點，而現有技術中通常採用的鋼模模具製造成本高、周期長，製造模具 用鋅合金材料以其成本相對較低而應用於製造此類模具。但單純的金屬鋅不能滿足如塑 性、硬度、強度等方面的服役條件，通常加入合金元素以改善其物理機械性能。傳統模具用 製造模具用鋅合金材料主要成分是鋅、鋁、銅、鎂，Zn-Al-Cu-Mg系合金是現有技術中性能最 好和實際使用最多的製造模具用鋅合金，在Zn-Al-Cu-Mg合金中通過添加某些微量元素可 以提高其性能。Al是鋅合金的重要組成元素，具有良好的耐熱性和鑄造性能，添加Al可以 增加合金的流動性，細化晶粒，並引起合金固溶強化，提高其機械性能，Cu是鋅合金中主要 的強化元素，與Zn可形成CuZn3金屬化合物，可以提高鋅合金的強度和塑性。鎂元素的添 加可以起到細化晶粒的作用，減少鋅鋁晶間腐蝕，來提高合金的硬度和耐磨性，並改善合金 的尺寸穩定性。另外，熔煉時加入少量鎂，其熔化沸騰過程，不僅可吸收液體中的氣體(氫、 氧、氮)上浮起淨化作用，而且更重要的是在液體中形成攪拌作用，減緩鋁、鋅的成份偏析 現象。本領域技術人員曾進行了大量的其他元素添加研究，如鄒勇志、曾建民等在《高鋁製 造模具用鋅合金模具材料性能研究》中指出Zn-Al-Cu-Mg (Al 30. 0-50. 0%, Cu 1.0-2.5%， Mg 0. 05%,餘量，Zn)高鋁30. 0%鋅合金中添加微量Mn (0. 15% 0. 3%)，塑性和強度得到提 高，並具有較好的高溫性能。張翔、李子全在《RE、Mg及Ti對Zn-4. 5%A1合金耐蝕性的影 響》中研究了稀土和鈦的含量變化對低鋁(4.5%)合金耐腐蝕性能的影響。但上述研究主 要針對添加合金元素以改善某一方面的性能，且只是研究了在高鋁或低鋁範圍內添加微量 元素對合金性能的影響，所有研究還沒有從根本上解決模具鋅合金材料的本質缺陷問題， 儘管Zn-Al-Cu-Mg合金中的ZA8、ZA12、ZA27等牌號鋅鋁合金已具有良好的力學性能和耐 磨性能等優良的綜合性能，為鋅合金在模具上的應用開闢了新的方向，如ZnA127CulMg (Al 25. 0-28. 0%, Cu 1.0-2.0%, Mg 0. 01-0. 02%,餘量，Zn)，其抗拉強度達 350MPa，延伸率為 10%，布氏硬度為90，但上述指標仍只能滿足一般的鑄造性能，作為製造模具用鋅合金仍存 在如下問題
1、力學性能仍未達到模具製造要求，強度比鋼模低得多，且合金的硬度和耐磨性較差， 布氏硬度一般小於110，在較大的衝裁力或型腔注射壓力和鎖模力作用下容易損壞；合金 的硬度和耐磨性較差，模具的使用壽命短，只能達到上千件的生產數量；
2、凝固收縮率大，鋅合金模具材料的凝固收縮率高達0.8%_1.4%，而且收縮率變化不 穩定，模具精度難以保證；
3、鋅合金軟化溫度低，尺寸不穩定。鋅合金熔點低，在200°C以上工作時，強度、硬度降低，在大的衝裁力或高的注射壓力作用下，模具型腔容易產生熱變形，影響製件的精度，而 且磨損量加大。由於模具用的鋅合金仍然存在許多的局限性，限制了它的推廣應用，需進一步改 進。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，提供一種製造模具用鋅合金材料，使其 硬度和耐磨性得到進一步提高，布氏硬度大於120，而且在保證抗拉強度基本不變的前提 下，其合金的尺寸穩定性、制模精度和耐腐蝕等性能也均有明顯的提高。本發明是通過以下技術方案實現的
一種製造模具用鋅合金，其特徵在於它的組分及其質量百分比為鋁5% 22%、鎂 0. 005% 0. 03%、銅 1% 10%、稀土 0. 05% 0. 5%、硼 0. 01% 0. 05%、鈦 0. 05% 0. 2%、猛 0. 05% 0. 2%,餘量為鋅(Zn)。作為對本發明的進一步改進，所述稀土的質量百分比為0. 1% 0. 3%。作為對本發明的進一步改進，所述的硼質量百分比為0. 02% 0. 03%。作為對本發明的進一步改進，所述的鈦質量百分比為0. 1% 0. 2%。作為對本發明的進一步改進，所述的錳質量百分比為0. 1% 0. 2%。作為對本發明的進一步改進，所述的硼質量百分比為0. 02% 0. 03%。本發明的有益效果在於
稀土、錳、硼和鈦等微量元素的添加可以顯著提高合金的塑性以及綜合機械性能，減少 成分偏析和「底縮」現象。合金中加入適量的Re變質劑可以細化晶粒，提高機械性能。由 於稀土元素主要以化合物形式存在，它們分別與Al，Cu, Mg形成穩定性極高的化合物。如 AlRe4, Al4CuRe, Mg9Re等。這些化合物熔點較高，在液態合金中首先析出，做為活性質點， 成為合金的非自發晶核，增加了晶粒數，抑制晶粒的長大、細化晶粒，這就使合金在結晶過 程中，過飽和程度顯著降低。在時效過程中，它們同樣阻礙原子擴散，阻止新相析出，防止老 化。外來晶核的增多同時也抑制著結晶過程中低密度富鋁相的上浮所造成的成分偏析和 「底縮」的發生。因此，少量的稀土(0. 05% 0. 5%)可以提高合金的強度和硬度，降低合金 的伸縮率，有效地解決成分偏析和「底縮」現象。Ti和B作為合金的晶粒細化劑加入，Ti、B 加入合金中可形成高熔點TiAl3、TiB2、AlB2、TiZn3和Al5Ti2Zn等金屬化合物，成為有效的形 核基底，促進晶粒細化，同時提高了再結晶溫度，使合金具有更高的輕度、硬度和抗蠕變能 力。Mn元素的添加可以使晶間存在富Mn相分布，而富Mn相硬度高、熱硬性好，分散於晶界 和枝晶間，可以提高合金的再結晶溫度，強化組織，有效地阻礙高溫時基體的變形和晶界移 動。本發明不但使硬度和耐磨性得到進一步提高，而且在保證抗拉強度基本不變的前 提下，其合金的尺寸穩定性、制模精度和耐腐蝕等性能也均有明顯的提高。
具體實施例方式為進一步描述本發明實施方式，現結合具體實施例對其技術方案作進一步說明。實施例1
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al)5%，鎂(Mg) 0.005%、銅(Cu)l%、稀土(RE)O. 05%、硼(B)O. 01%、鈦(Ti)O. 05%、錳(Mn) 0. 05%，餘量為 鋅(Zn)。實施例2
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al)5%，鎂 (Mg) 0. 005%、銅(Cu) 1%、稀土 (RE) 0. 05%、硼(B)O. 015%、鈦(Ti)O. 05%、錳(Mn) 0. 05%，餘量為 鋅(Zn)。實施例3
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al)6%，鎂 (Mg)O. 008%、銅(Cu)2%、稀土(RE)O. 075%、硼(B)O. 018%、鈦(Ti)O. 06%、猛(Mn)O. 06%，餘量 為鋅(Zn)。實施例4
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al)8%，鎂 (Mg)O. 01%、銅(Cu)3%、稀土 (RE) 0. 1%、硼(B)O. 02%、鈦(Ti)O. 075%、錳(Mn) 0. 075%，餘量為 鋅(Zn)。實施例5
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al)9%，鎂 (Mg) 0.015%、銅(Cu)4%、稀土 (RE) 0. 1%、硼(B)O. 02%、鈦(Ti)O. 1%、錳(Mn) 0. 1%，餘量為鋅 (Zn)。實施例6
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al) 10%，鎂 (Mg)O. 02%、銅(Cu)4%、稀土 (RE)0. 2%、硼(B)O. 025%、鈦(Ti)O. 1%、錳(Mn)0. 1%，餘量為鋅 (Zn)。實施例7
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al) 14%，鎂 (Mg)O. 02%、銅(Cu)6%、稀土 (RE) 0. 25%、硼(B)O. 025%、鈦(Ti)O. 12%、錳(Mn) 0. 12%，餘量為 鋅(Zn)。實施例8
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al) 16%，鎂 (Mg) 0. 025%、銅(Cu)8%、稀土 (RE) 0. 3%、硼(B)O. 03%、鈦(Ti)O. 15%、錳(Mn) 0. 15%，餘量為鋅 (Zn)。實施例9
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al) 18%，鎂 (Mg) 0. 025%、銅(Cu)8%、稀土 (RE) 0. 3%、硼(B)O. 03%、鈦(Ti)O. 15%、錳(Mn) 0. 15%，餘量為鋅 (Zn)。實施例10
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al) 20%，鎂 (Mg) 0. 03%、銅(Cu) 9%、稀 土 (RE) 0. 4%、硼(B) 0. 04%、鈦(Ti) 0. 2%、錳(Mn) 0. 2%，餘量為鋅 (Zn)。實施例11一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al)21.5%，鎂 (Mg)O. 03%、銅(Cu) 10%、稀土 (RE)O. 4% Jf (B)O. 04%、鈦(Ti)O. 2%、錳(Mn) 0. 15%，餘量為鋅 (Zn)。實施例12
一種製造模具用鋅合金，所述鋅合金組份及其質量百分比為鋁(Al) 22%，鎂 (Mg)O. 03%、銅(Cu) 10%、稀土 (RE)0. 5%、硼(B)O. 05%、鈦(Ti)O. 2%、錳(Mn)0. 2%，餘量為鋅 (Zn)。以上所述，實施例1 12為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局 限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明實施例揭露的技術範圍內，可以輕易想 到變化和替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求 的保護範圍為準。本實施例實驗效果比較如表1所示，本發明具有較高的硬度和強度，較低的凝固 收縮率，並明顯地降低了成分偏析和「底縮」現象。表1模具鋅合金性能比較
其中1 12為對應的實施例1 12模具鋅合金性能，13為現有技術中模具鋅合金性能。
權利要求
一種製造模具用鋅合金，其特徵在於:它的組分及其質量百分比為鋁5%～22%、鎂0.005%～0.03%、銅1%～10%、稀土0.05%～0.5%、硼0.01%～0.05%、鈦0.05%～0.2%、錳0.05%～0.2%，餘量為鋅(Zn)。
2.根據權利要求1所述的製造模具用鋅合金，其特徵在於所述稀土的質量百分比為 0. 1% 0. 3%O
3.根據權利要求1所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的硼質量百分比為 0. 02% 0. 03%。
4.根據權利要求1所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的鈦質量百分比為0. 1% 0. 2%O
5.根據權利要求1所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的錳質量百分比為0. 1% 0. 2%O
6.根據權利要求2所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的硼質量百分比為 0. 02% 0. 03%。
7.根據權利要求2所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的鈦質量百分比為0. 1% 0. 2%O
8.根據權利要求2所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的錳質量百分比為0. 1% 0. 2%O
9.根據權利要求6所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的鈦質量百分比為0. 1% 0. 2%O
10.根據權利要求6所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的錳質量百分比為0. 1% 0. 2%O
11.根據權利要求9所述的製造模具用鋅合金，其特徵是，所述的錳質量百分比為0. 1% 0. 2%O
全文摘要
本發明實施方式提供一種製造模具用鋅合金，所述的鋅合金的組份組成包括鋅(Zn)、鋁(Al)、鎂(Mg)、銅(Cu)，稀土(RE)、硼(B)、鈦(Ti)、錳(Mn)，各組份的重量百分比為鋁(Al)5%～22%、鎂(Mg)0.005%～0.03%、銅(Cu)1%～10%、稀土(RE)0.05%～0.5%、硼(B)0.01%～0.05%、鈦(Ti)0.05%～0.2%、錳(Mn)0.05%～0.2%，其餘為鋅(Zn)，所述各組成重量百分比之和為100%。Al是鋅合金的重要組成元素，具有良好的耐熱性和鑄造性能。Cu是鋅合金中主要的強化元素，與Zn可形成CuZn3金屬化合物，可以提高鋅合金的強度和塑性。Mg、RE、B、Ti、Mn等為微量添加元素，可以起到細化晶粒、減少成分偏析和「底縮」現象。本發明不但使硬度和耐磨性得到進一步提高，而且在保證抗拉強度基本不變的前提下，其合金的尺寸穩定性、制模精度和耐腐蝕等性能也均有明顯的提高。
文檔編號C22C18/04GK101928860SQ201010296808
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者張偉, 張德晶, 李正明, 趙為上, 陳順 申請人:株洲冶煉集團股份有限公司