一种锌铜钛多元合金功能结构材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及锌合金领域，具体来说，涉及采用铝、硼、镁、铁等合金元素对锌铜钛合金进一步合金化并采取铸造、轧制或挤压等加工工艺得到具有不同力学性能以及物理性质的锌合金，同时提供了制备该合金的方法。本发明的合金作为功能结构材料，满足了建筑、电力、通讯、交通等部门的需要。
背景技术
目前，国内尚未发现同类多元锌合金产品。国外厂家生产的商品主要是含有铜钛的锌合金板材，不能满足各行业对不同合金性能的需求。现有欧洲的德国、希腊等国家主要生产钛锌合金制成的钛锌板材，主要的厂家有：RHEINZINK、VM ZINC、NEDZINK、DOMA ZINC等。它们生产的钛锌合金的化学成分及板材规格和性能如下文的表1所示。
表1 目前国外的钛锌合金的化学成分及板材规格和性能
我国在钛锌板在施工当中，发现其强度不够，在建筑领域制作屋面时，与其他材料例如铝镁锰合金难于匹配，因此，从立足国内多项工程使用对性能方面要求来看，需要系列高强度，高韧性而且具备不同物理性质的锌合金材料。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种锌铜钛多元合金功能结构材料，含有铜0.5-3.20wt.％；钛0.03-0.28wt.％；铝1.0-18.0wt.％；硼0.01-0.10wt.％；铁0.03-0.15wt.％；余量为锌。
进一步地，优选所述材料含有铜1.80wt.％；钛0.28wt.％；铝1.8wt.％；硼0.03wt.％；铁0.09wt.％。
进一步地，优选所述材料含有铜1.9wt.％；钛0.12wt.％；铝2.9wt.％；硼0.02wt.％；铁0.11wt.％。
进一步地，所述材料含有镁0.01-0.08wt.％。优选0.05wt.％。
本发明的另一目的是提供一种制备锌铜钛多元合金功能结构材料的方法，包括以下步骤：
1)炼制中间合金将金属锌、铜、钛以配比55∶45∶5或以配比45∶55∶5或者将金属铝、铜、钛以重量比74∶12∶4在真空感应炉内于600-820℃熔融均匀；
2)熔融锌锭将纯度99.995％的锌锭在感应炉内熔融，熔融温度为520-570℃，加入中间合金，中间合金占锌锭重量的3-7％。
3)添加金属按照锌铜钛多元合金功能结构材料中所含的添加金属(铝、铜、钛、硼、铁等)的重量百分比来称量并以碎块或合金丝棒添加到熔融物中；
4)除渣及气体利用陶瓷芯滤网去除渣，在静置炉中去气；
5)浇铸浇铸到铸模中获得合金坯料。
进一步地，锌铜钛多元合金功能结构材料为板材，所述板材的连续浇铸步骤是在连续浇铸机中铸成厚度10-50毫米，宽度为600-1200毫米的板坯，并经温轧、冷轧，卷板后获得本发明的板材。
进一步地，所述温轧是经过2-5架轧机轧制，轧制温度为100-250℃，轧后卷取，冷却；
进一步地，所述冷轧是经过2架轧机。
本发明技术效果如下：
1)本发明锌铜钛合金的化学成分比上述钛锌板所含有的铜、钛、铝元素的数量范围不同，而且通过添加镁、硼和铁以及稀土元素的成分，显著地起到了根据不同产业部门的要求能够在较大范围调整力学性能及磁性、阻尼和腐蚀性能等各项指标。
2)在加工工艺方面，从单一的轧制发展到可采用铸造、挤压，因而可得到除板材以外的工件、型材，满足不同产业部门对结构材料的需要。
3)由于合金化以及加工方式的不同，在产品性能方面，抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能达到一定幅度的提高，本发明的合金材料的力学参数具体参见表2。
表2 本发明的锌铜钛合金的力学性能
抗拉强度 (Mpa) 屈服强度0.2 (Mpa) 延伸率(％) 硬度(HBW) 300-550 220-450 10-95 60-195
【具体实施方式】
以下结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1 高性能多元锌合金的制备
制造过程如下：
1.1用真空感应炉在650-750℃冶炼锌铜钛的三元中间合金，三者的重量比为锌∶铜∶钛＝55∶45∶5；
1.2用外热式坩锅炉在500-550℃融化99.995％的纯锌锭；
1.3基于纯锌锭的重量加入5％的锌铜钛三元中间合金；
1.4均匀融化后按照锌铜钛多元合金功能结构材料中所含的添加金属(铝、铜、钛、硼、铁等)的重量百分比来称量并添加金属碎块或合金丝到熔融物中；其中合金中所含的金属元素及其重量百分比如下：
Cu Ti Al B Fe
1.80 0.28 1.8 0.03 0.09
余量为锌；
1.5以铸嘴将熔融的合金浇铸进铸模；
1.6铸模冷却后获得本发明的多元锌合金。
实施例2 高性能多元锌合金的制备
制造过程如下：
1.1用真空感应炉在700-800℃冶炼锌铜钛的三元中间合金，三者的重量比为锌∶铜∶钛＝45∶55∶5；
1.2用外热式坩锅炉在520-550℃融化99.995％的纯锌锭；
1.3基于纯锌锭的重量加入3％的铜、钛及锌三元中间合金；
1.4均匀融化后按照锌铜钛多元合金功能结构材料中所含的添加金属(铝、铜、钛、硼、铁等)的重量百分比来称量并添加金属碎块和合金丝到熔融物中；其中合金中所含的金属元素及其重量百分比如下：
Cu Ti Al B Fe
1.9 0.12 2.9 0.02 0.11
余量为锌；
1.5以铸嘴将熔融的合金浇铸进铸模；
1.6铸模冷却后获得本发明地多元锌合金。
实施例3 高性能多元锌合金的制备
以金属铝、铜、钛以重量比74∶12∶4形成的中间合金代替实施例1中的锌、铜、钛中间合金形成新的实施例3。最终合金的化学成分(wt.％)为：
Cu Ti Al B Fe
1.8 00.28 15 0.03 0.05
实施例4 高性能多元锌合金的制备
以金属铝、铜、钛以重量比74∶12∶4形成的中间合金代替实施例2中的锌、铜、钛中间合金形成新的实施例4。最终合金的化学成分(wt.％)为：
Cu Ti Al B Fe
1.8 00.28 10 0.03 0.09
实施例5 高性能多元锌合金的制备
采用实施例3相同的方法制备，只是除了在添加金属中加入镁，最终的合金成分为化学成分(wt.％)：
Cu Ti Al Mg B Fe
0.5 0.15 4.1 0.06 0.03 0.09
实施例6 高性能多元锌合金的制备
采用实施例3相同的方法制备，只是除了在添加金属中加入镁和稀土元素La、Nd、Ce、Pr等镧系金属RE。
最终的合金成分为化学成分(wt.％)：
Cu Ti Al Mg Fe B RE
0.5 0.15 4.1 0.06 0.09 0.03 0.05
实施例7 高性能多元锌合金板材的制备
将实施例1-6中的相应步骤5)替换为将熔融合金在连续浇铸机中铸成厚度10-50毫米，宽度为600-1200毫米的板坯，并经合金板坯加热至250-300℃；再经过二架三辊式轧机往复温轧4道次，达到厚度为1.0-4.0毫米，宽度为600-1200毫米的板材；然后再将温轧板材经过三辊式冷轧机进行冷轧，得到厚度为0.5-2.0毫米。
其中，对获得的实施例1或2的合金板材按照相关测量标准(GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验法；GB/T 4340.1-1999GB/T 434-1999金属硬度试验第一部分试验方法；)的力学性能进行了测试，结果示于表3、4和表5中。
表3 对应实施例1的合金组分获得的多元锌合金板材的力学性能
抗拉强度 屈服强度 延伸率 硬度(布氏) 335Mpa 230Mpa 20％ HBW 98
表4 对应实施例2的合金组分获得的多元锌合金板材的力学性能
抗拉强度 屈服强度 延伸率 硬度(布氏) 400Mpa 290Mpa 15％ HBW 105
表5 对应实施例5的合金组分获得的多元锌合金板材的力学性能
抗拉强度 屈服强度 延伸率 硬度(布氏) 310Mpa 240Mpa 15％ HBW 100
现有的钛锌板抗拉强度为160-170兆帕，而本发明合金为300-400兆帕；现有的钛锌板屈服强度为120-145兆帕，而本发明合金为230-300兆帕，两者相比，通过同时添加硼、铁、镁、稀土元素中的一种或多种，使本发明的合金在抗拉强度和屈服强度方面均有显著提高。同时延伸率达到15％以上，这在应用领域已经可用，而且在技术结构上，由于其无磁、屏蔽不产生撞击火花的特性而完全能够满足高强度，综合强韧性的使用要求。
上述的实施例只是用具体的实例来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，熟悉该技术的人们可以明白，在不脱离本发明精神和原理下，对本发明所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。