本发明涉及锌合金领域，具体指一种高塑性易 切削的锌合金，该合金主要应用于 F头、 制笔、 接插件、 锁具等领域。

背景技术

金属的切削加工性能是金属材料的重要性能。 如应用于 F头、 制笔、 接插件、 锁具等 领域的有色金属都要求其具有一定的切削加工 性能， 通过仪表车床、 自动车床、 数控车床 等手段对有色金属棒材或者板材进行切削加工 ， 可以得到人们需要的各种尺寸和形状的零 部件， 而合金切削性能的好坏对切削加工速度、 表面光洁度、 尺寸公差等具有非常重要的 影响。

现代制造工业中， 在金属材料中加入一定数量的易切削元素， 这类材料可以用较高的 切削速度和较大的切削深度进行切削加工， 可明显提高机加工产品的劳动生产率， 减少劳 动强度和人工成本。同时由于金属材料中加入 的易切削元素，使金属材料的切削抗力减小， 易切削材料本身的特性起润滑切削刀具的作用 ， 易断屑， 减轻了磨损， 从而降低了工件表 面的粗糙度， 提高刀具寿命和生产效率。 但是随着机械切削加工不断向自动化， 高速化和 精密化方向发展， 不但对金属材料的切削性提出了更高要求， 同时还要求材料具有一定的 强度、 硬度、 塑性等性能， 以满足目前 F头、 制笔、 接插件、 锁具等零部件对材料的综合 性能。

目前锌合金已经作为替代铜合金、 铝合金等的新一代的绿色环保、 易加工新型合金的 一个重要方向而进行研究， 但对于锌合金研究最多的为 Zn-Al系合金， 该系列合金具有高 的强度和硬度、 良好的减摩擦性能， 但 Zn-Al系合金存在切削性能较差、 晶间腐蚀倾向、 尺寸稳定性低、抗蠕变能力差、耐蚀性差等缺 点， 不能满足日前上述行业对材料的易加工、 高塑性等性能要求。

专利号为 ZL201010147727.4, —种含铋无铅易切削变形锌合金及其制备工艺 ， 该合金 重量百分计组成为铝 (Al)8〜12%， 铜 (Cu)0.6〜1.5 %， 镁 (Mg)0.03〜0.1 %， 铋 (Bi)0.1〜0.8 % , 其余为锌 (Zn)和不可避免的杂质， 杂质含量 0.05 %。 该说明书只报道了该合金具有 良好的切削性能， 并没有具体的数据证明。 而且作为一种锌铝基变形锌合金， 在实际应用 过程中发现， 其切削性依然无法满足现代加工业的需求。

专利号为 ZL201010205423. 9, —种易切削高强度锌合金， 其特征在于各组分组成按重 量百分比计分别为： 铝 1 %〜25% , 铜 0. 5%〜3. 5%， 镁 0. 005%〜0. 3%， 锰 0. 01 %〜 0. 1 % , 以及铋 0. 005 %〜0. 15 %或 /和锑 0. 01 %〜0. 1 % , 以及总量不大于 0. 05%的杂质， 余量为锌， 各组份的重量百分比总和为 100 %， 还可选择添加 0. 005%〜0. 2%的硼。 该合金 也是一种锌铝基变形锌合金， 因含有较高的铝， 因此具有较高的强度， 说明书中记载抗拉 强度可达 400MPa以上， 切削性与普通铅黄铜相比达到 80%左右， 没有超过 90%， 但对于延 伸率的记载没有任何提及。

正是考虑到目前锌铝基锌合金材料的切削性能 较差，不能满足对切削加工性能要求较 高的行业， 如制笔行业用的笔壳、 用于电子行业的连接器外壳、 F头、 锁具等行业， 因此 急需开发一种切削加工性能好、 并具有一定塑性、 强度等综合性能优异的锌合金。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有易切削 产品的现状提供一种切削性能优异、高 塑性并加工性得到很大改善的易切削锌合金。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 ：

本发明的高塑性易切削锌合金， 其特征在于该锌合金的重量百分比组成如下： 铜 1.0-10.0%、 铋 0.1-3.0%、 锰 0.01-1.5%， 钛 0.001-1%禾口 /或锆 0.01-0.3%， 以及可选择性添加 元素 X和可选择性添加元素 Y， 其余为锌和不可避免的杂质， 不可避免杂质 0.01%; 其 中 X是选自铬、 钒、 铌、 镍、 钴中的至少一种， 添加总量为 0-1.0%; Υ是选自硼、砷、 磷、 稀土金属中的至少一种， 添加总量为 0-1.0%。

优选方案之一为：所述锌合金的重量百分比组 成为：铜 2-7%、铋 0.1-1.2%、锰 0.1-0.4%、 钛 0.01-0.3%， 其余为锌和不可避免的杂质， 不可避免的杂质 0.01%。

优选方案之二为：所述锌合金的重量百分比组 成为：铜 2-7%、铋 0.1-1.2%、锰 0.1-0.4%、 锆 0.01-0.3%， 其余为锌和不可避免的杂质， 不可避免的杂质 0.01%。

优选方案之三为：所述锌合金的重量百分比组 成为：铜 2-7%、铋 0. 1.2%、锰 ( -0.4%、 钛 0.01-0.3%、 锆 0.01-0.3%， 其余为锌和不可避免的杂质， 不可避免的杂质 0.01%。

作为上述技术方案的优选， 所述锌合金中还含有稀土金属 0.001-0.5%。

作为上述技术方案的优选， 所述锌合金中还含有铬 0.01-0.3%。

作为上述技术方案的优选， 所述锌合金中还含有镍 0.01-0.3%。

本发明若无特殊说明， 所述元素含量均为重量百分比。

制备上述易切削锌合金的方法为： 熔铸配料时钛、 锆、 铬、 钒、 铌、 镍、 钴元素分别 以锌钛、 锌锆、 锌铬、 锌钒、 锌铌、 锌镍、 锌钴中间合金的形式加入， 其含量占中间合金 的 10%。 锰以锌锰中间合金的形式加入， 其中锰含量为 30%。 铜以铜锌中间合金的形式加 入，铜含量为 60-70%。合金中余下的铜根据含量用纯铜补齐。 铋和锌根据合金元素的含量， 采用纯金属的形式加入。 该合金的熔铸工艺采用工频炉、 中频炉或反射炉熔炼， 采用连续 铸造或硬模铸造的方法制成铸坯。 然后采用热挤压的方法制成所需的棒材、 管材或型材坯 料， 热挤压的温度为 180°C-38(TC， 最后经过冷拉加工制成各种规格的棒、 线、 型材产品， 应用于自动车床、 钻床和仪表车床等机加工产品领域。

本发明新合金中， 铜的添加增加了第二相的含量， 起到硬化和强化的作用。 铜的添加 量小于 1.0%不能起到硬化和强化效果， 添加量超高 10%， 塑性变差， 不易冷热加工。铜主 要以高硬度的金属间化合物的形式存在锌的基 体中。

铋在锌合金中以游离态的形式分布于晶界， 在高速切削时起到断屑的作用。 铋含量过 低不能很好起到断削作用， 铋含量过高， 易引起材料变脆， 降低了合金的塑性， 因此铋含 量控制在 0.1-3.0%。

合金中的钛、 锆起到细化晶粒、 增强强度， 防止偏析的作用。

铬、 镍、 钒、 铌、 钴分别以少量的金属间化合物第二相存在于锌 的基体中， 起到强化 的作用。 硼、 砷、 磷、 稀土金属起到净化晶界， 排除气体的作用。

所述锌合金的铸态组织的相组成为： 由基体相 Zn， 分布于基体相中近球形的锌铜化合 物、鱼骨形金属间化合物以及游离态呈球形的 Bi颗粒组成；所述鱼骨形金属间化合物主要 是锌锰铜钛化合物和 /或锌锰铜锆化合物， 其余为锌铜钛和 /或锌铜锆化合物。 具体是锌锰 铜钛 Zn-Cu-Ti-Mn还是锌锰铜锆 Zn-Cu-Zr-Mn化合物抑或两种都有， 取决于合金中钛、 锆 二者只添加了其中之一或二者都有添加； 锌铜钛 Zn-Cu-Ti、 锌铜锆 Zn-Cu-Zr的情形类似。

所述近球形的铜锌化合物尺寸在 10微米以上。

所述铋以单质的球形状态分布于基体相的晶界 上， 尺寸在 10微米以下。

当合金中添加有铬、 钒、 铌、 镍、 钴中至少一种时， 这些元素也与锰、 锌和铜形成化 合物， 并以鱼骨形的形貌存在于 HCP的锌晶界上。

本发明中鱼骨形， 指的是其形状与鱼骨类似， 呈非直线、 横向尺寸不均匀且有横向突 出物的条形形状。 具体参见附图所示。

元素铋以单质的球形状态分布于基体相的晶界 上， 尺寸在 10微米以下 （参见图 1 )， 能起到迅速断屑的作用。

本发明合金经过挤压等塑性加工后， 粗大的金属间化合物晶体发生破裂， 合金组织发 生细化， 表现出更高的塑性 （见图 2)。

如上所述， 本发明的易切削锌合金除了含有游离态分布的 铋元素外， 还存在高硬度细 小的 Z _n -Cu-Ti-(Mri)等金属间化合物铸态组织， 能谱分析确定见图 3、 图 4、 图 5、 图 6、 图 7、 图 8。 发明人研究发现， 这些金属间化合物的存在， 不但能提高合金的强度和塑性， 而 且能提高合金的切削性能， 并且是使合金表现出比单纯添加铋更好的切削 性能， 特别是存 在有适量的由钛和 /或锆跟锌铜锰形成的金属间化合物的情况下� �对切削性能的改善尤为明 显， 钛和锆二者之间又以钛的效果较佳， 对合金切削性的测试结果显示这些金属间化合 物 与铋在对改善合金的切削性能方面产生了某种 协同作用。总之，这些金属间化合物的存在， 能使合金具有非常好的综合性能， 不但综合机械性能好， 而且切削效率高。 试验表明， 该 合金的切削性与 C3604 相比可以达到 80%以上， 延伸率可以达到 15%以上， 抗拉强度 330-485MPa, 硬度 HV85-120。

本发明的合金的优点：

( 1 ) 切削效率可达铅黄铜的 80%以上， 可以实现无冷却或润滑条件下的干式切削加 工、 车削等机械加工， 适合采用仪表车床、 自动车床和数控车床加工。

(2) 该合金除了具有优异的切削加工性能外， 还具有较高的延伸率， 延伸率可达到 15%以上。

(3 ) 该合金可作为一些铅黄铜合金棒材的替代品， 主要应用于 F头、 制笔、 接插件、 锁具等机加工件。

附图说明

图 1 为本发明的典型铸造态组织， 由基体相 （Zn)、 近圆形的锌铜化合物， 鱼骨形金 属间化合物及游离态的小尺寸铋颗粒组成。

图 2 为经过塑性加工后破碎的组织。

图 3为 Zn-Cu-Mn-Ti四元金属间化合物的能谱分析。

图 4为 Zn-Cu-Mn-Ti四元金属间化合物的形貌。

图 5为二元 Zn-Cu合金的能谱分析。

图 6为二元 Zn-Cu合金的形貌。

图 7为三元 Zn-Cu-Ti化合物的能谱分析。

图 8为三元 Zn-Cu-Ti化合物的形貌。

具体实施方式

以下结合实施例， 对本发明作进一步详细描述。

该合金的熔铸工艺采用工频炉、 中频炉或反射炉熔炼， 采用连续铸造或硬模铸造的方 法制成铸坯。 然后采用热挤压的方法制成所需的棒材、 管材或型材坯料， 热挤压的温度为 180°C-380°C , 最后经过冷拉加工制成各种规格的棒、 线、 型材产品。 各实施例性能测试数 据见表 1。对比例 ZL201010147727.4、ZL201010205423.9采用相应专利中的� ��法进行熔铸， 该两对比例以及对比例 C3604采用本实施例中相同的方法进行加工并测� ��有关性能数据。 实施例 1、 2、 3和 4

生产工艺流程： 采用半连铸的方法制成直径 170毫米的母合金胚料， 在 380°C的温度 下热挤压成棒材胚料， 用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。 采用凸轮式自动车床钻孔将棒材成品加工成零 件， 切屑易碎， 加工效率能达到 C3604 铅黄铜棒的 90%。 （加工效率指形状、 尺寸完全相同的零件， 采用相同的切削工具， 切削 参数相同， 二者进行对比。 如 lmin内 C3604铜合金加工 100个， 锌合金可以达到 90个， 则加工效率为 90%。 下同。）。 零件表面可进行镀镍、 镀铬、 镀锡等表面处理。 实施例 5、 6、 7、 8、 9和 10

工艺生产流程： 采用感应加热的方法熔炼合金， 用硬模铸造的方法制成合金铸锭。 在 240Ό的温度下挤压成棒材坯料， 用履带式拉床制成锌合金棒材， 经过抛光矫直后， 在数 控机床上加工电子产品。 同样规格的零件， 数控机床加工效率能达到 C3604铅黄铜棒材的 85%。 零件表面可以进行镀镍、 镀铬、 镀锡等表面处理。 实施例 11、 12、 13

生产工艺流程： 使用感应加热的方法熔炼， 用硬模铸造的方法得到母合金铸锭， 在 180°C的条件下挤压成合金棒材的胚料， 经过多模拉丝机至成品前尺寸， 再经过联合拉拔 的减径、较直、抛光到成品。在凸轮机型自动 车床干式加工，加工效率可达同样规格 C3604 铅黄铜的 80%。 实施例 14、 15、 16、 17

生产工艺流程： 使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料 ， 经过 240Ό的挤压制 成 42mmxl5mm异型材。

下料后使用专用钻床加工， 03mm的孔深度达 20mm， 可以连续钻孔 20个以上而不 需要冷却， 制成挂锁锁体零件成品， 加工效率可达到 C3604铅黄铜棒材的 90%。

锁体零件表面可以进行镀镍、 镀铬、 镀锡等表面处理。 实施例 18、 19、 20

生产工艺流程： 使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料 ， 经过 300Ό的挤压。 用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。 下料后使用专用钻床加工， 9. 8mm 的孔 深度达 20mm， 可以连续钻孔 20个以上， 制成金属笔零件成品， 加工效率可达到 C3604 铅黄铜棒材的 85%。 实施例 21、 22、 23

生产工艺流程：使用连续铸造的冶金方法制成 母合金铸锭坯料，经过 32CTC的挤压出， 合适规格的棒材坯料。 用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。

下料后使用专用钻床加工， Φ 3παηι的孔深度达 35mm， 可以连续钻孔 20个以上而, 制成金属笔零件成品， 加工效率可达到 C3604铅黄铜棒材的 85%。 实施例 24、 25、 26、 27

生产工艺流程： 使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料 ， 经过 320Ό的挤压制 成 a 25mm棒材用联合拉拔的方法制成所需直径的棒� �。

下料后使用台式钻床加工， 2. 8mm的孔深度达 25mm， 可以连续钻孔 20个以上， 加工效率可达到 C3604铅黄铜棒材的 85%。 实施例 28、 29、 30

生产工艺流程： 使用连续铸造的冶金方法制成母合金铸锭坯料 ， 经过 34CTC的挤压制 成 12mm棒材， 用联合拉拔的方法制成所需直径的棒材。

下料后使用凸轮机床加工， 可以连续生产 200个以上零件而不需要冷却， 制成金属笔 零件成品， 加工效率可达到 C3604铅黄铜棒材的 90%。 实施例 31、 32

生产工艺流程： 使用连续铸造的冶金方法制成合金母线坯料， 经过剥皮、 减径拉伸制 成直径 10毫米线材。

下料后使用专用钻床加工， Φ 5ΠΗΉ的孔深度达 30mm， 可以连续钻孔 20个以上而零 件成品， 加工效率可达到 C3604铅黄铜棒材的 80%。

表 1 本发明合金实施例与对比合金成分及性能对比

合金成分 （wt%)

本发明合

金与对比

Cu Bi Mn Ti Zr Cr V Nb Ni B 例

1 2.53 0.28 0.89 0.34 0.27

2 3.12 2.10 1.22 0.19 0.16

3 4.15 0.38 0.19

4 7.54 0.16 0.08 0.01

5 6.07 0.15 0.21 0.098 0.14

6 5.89 0.35 0.1 1 0.11 0.18

7 1.51 2.04 0.25 0.89

8 5.03 0.51 0.45 0.18 0.12

9 4.51 0.75 0.53 0.33 0.23

10 3.53 1.25 1.32 11 9.23 0.82 0.05 0.02 0.15

12 4.02 0.85 1.02 0.16 0.21

13 3.02 2.54 0.65 0.26

14 2.51 1.75 0.39 0.71 0.02

15 4.45 0.88 0.67 0.001 0.02

16 1.02 2.98 0.15 0.25

17 3.01 0.43 0.36 0.12 0.03

18 4.27 0.91 0.80 0.28

19 3.21 0.77 1.42 0.25

20 5.21 0.25 0.28 0.017

Co

21 4.59 0.59 0.19 0.31 0.06

0.03

22 5.59 2.31 0.32 0.43 0.05

23 2.58 0.32 1.23 0.22

24 3.51 0.65 0.98 0.60

25 6.59 1.89 1.36 0.54 0.23

26 3.14 1.45 1.49 0.74

27 8.12 0.18 0.13 0.009 0.29 0.01 0.01 0.005

28 5.55 0.49 0.42 0.21

29 2.01 0.20 0.15 0.82

30 4.36 0.1 1 0.59 0.09

31 6.51 0.35 0.15 0.19

32 9.98 0.12 0.01 0.002 0.01

ZL201010 Mg:

1.2 0.5 Al:7.2

147727.4 0.06

ZL201010 Mg:0 Sb:0.0

2.1 0.08 0.08 Al: 10.2

205423. 9 .18 6

C3604 61.5 Pb:3.01

(续） 表 1 本发明合金实施例与对比合金成分及性能对比 合金成分 （wt%) 性能 本发明合

抗拉强 切削性能 金与对比 延伸

P As RE Zn 硬度

度 /% ( C3604 例 率 /% /Hv

/MPa 相比）

1 余量 360 23 95 85

2 余量 360 23 95 85

3 0.02 余量 330 20 90 85

4 余量 485 16 120 90

5 余量 385 19 95 85

6 余量 365 25 93 85

7 0.03 余量 405 22 100 90

8 余量 485 25 120 85

9 余量 485 25 120 85 -iioosu/uld /-U OSAV