本發(fā)明涉及金屬材料，具體為一種輕質(zhì)高強度鋅合金及其制備方法和應用。

背景技術：

1、傳統(tǒng)鋅合金材料在金屬扣件制造領域長期面臨力學性能與耐蝕性的平衡難題。常規(guī)合金體系因組分設計局限，往往通過增加鋁、銅等元素含量提升強度，但伴隨密度上升與塑性下降，難以滿足高端扣件對輕量化與復雜造型加工的雙重要求。

2、此外，熔煉過程中氧化夾雜與壓鑄缺陷的累積易導致產(chǎn)品表面處理層結合力弱化，在濕熱、汗液等腐蝕環(huán)境下易出現(xiàn)鍍層剝落或基體點蝕，嚴重影響外觀品質(zhì)與使用壽命。

3、現(xiàn)有工藝雖嘗試引入稀土細化晶粒，但因缺乏對預合金化處理、增強相分散及梯度熱處理的協(xié)同調(diào)控，材料性能提升有限，且規(guī)?；a(chǎn)時易因工藝波動引發(fā)批次穩(wěn)定性問題。

4、與此同時，傳統(tǒng)高鋅含量合金的加工能耗與廢料率居高不下，難以適配綠色制造趨勢下對資源效率的嚴苛要求。

5、上述技術瓶頸制約了鋅合金在精密五金配件領域的應用升級，亟須通過材料體系與制備方法的創(chuàng)新實現(xiàn)突破。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種輕質(zhì)高強度鋅合金及其制備方法和應用，解決了傳統(tǒng)鋅合金在輕量化、機械強度、耐腐蝕性及表面處理適配性之間難以協(xié)同優(yōu)化的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：

3、本發(fā)明第一方面提供一種輕質(zhì)高強度鋅合金，按質(zhì)量百分比計包括：

4、zn82.0%～85.0%、al8.0%～9.0%、sc0.1%～0.5%、y0.05%～0.2%、tib20.5%～1.5%、ce與la稀土混合物0.05%～0.15%以及mg0.02%～0.1%；余量為不可避免的雜質(zhì)。該合金通過多組元協(xié)同設計與微觀組織調(diào)控，實現(xiàn)了輕量化與高強度的雙重突破，具體如下：

5、1.zn-al基體的輕量化設計

6、以鋅（zn）為基體，通過引入鋁（al）形成zn-al固溶體。鋁的密度（2.7?g/cm3）顯著低于鋅（7.1?g/cm3），可降低合金整體密度，同時al的固溶強化作用能夠提升基體強度。然而，傳統(tǒng)高鋁鋅合金（如za-8）中鋁含量過高會導致晶界脆性增加，本發(fā)明通過限定al含量在8.0%～9.0%，既保證輕量化效果，又避免因過量al引起的塑性下降。

7、?2.sc-y-tib2復合強化機制

8、鈧（sc）與釔（y）的協(xié)同添加是核心創(chuàng)新點之一。sc在鋅合金中優(yōu)先偏聚于晶界，通過釘扎效應抑制動態(tài)再結晶，而y與al反應生成納米級yal3相，進一步細化晶粒并阻礙位錯運動。與此同時，納米tib2顆粒作為異質(zhì)形核劑，在凝固過程中促進晶粒細化，并通過載荷傳遞機制提升合金抗拉強度。sc、y與tib2的復合作用突破了傳統(tǒng)鋅合金單一強化相的局限性，形成多尺度（晶界、析出相、納米顆粒）協(xié)同強化網(wǎng)絡。

9、?3.稀土（ce/la）的熔體凈化與微合金化

10、鈰（ce）與鑭（la）的混合稀土通過雙重作用改善合金性能：

11、熔體凈化：稀土元素與氧、硫等雜質(zhì)形成高熔點化合物（如ce2o3、la2s3），減少熔煉過程中的夾雜物含量，提高合金致密度；

12、微合金化：微量稀土固溶于基體，降低晶界能，抑制裂紋萌生。ce與la的合理配比可平衡凈化效果與成本，避免單一稀土過量導致的晶界脆化。

13、?4.mg的晶界強化與腐蝕抑制

14、鎂（mg）的添加具有雙重功能：

15、晶界強化：mg偏聚于晶界，降低晶界遷移率，抑制高溫下晶粒粗化；

16、腐蝕抑制：mg與al協(xié)同形成致密氧化膜（mgal2o4），提升合金耐鹽霧腐蝕性能。mg含量需控制在0.02%～0.1%，過量會導致熔體流動性下降，影響壓鑄成型。

17、?優(yōu)選的，所述sc和y以預合金化的al-sc-y中間合金形式加入，且sc與y的質(zhì)量比為（2.5～4）：1。該設計通過以下協(xié)同機制實現(xiàn)性能優(yōu)化：

18、1.預合金化中間合金的優(yōu)勢

19、傳統(tǒng)工藝中，sc與y通常以單質(zhì)或簡單混合形式加入熔體，易導致元素偏析及燒損。本發(fā)明的預合金化al-sc-y中間合金通過在高溫下（750～800℃）將sc、y預先固溶于鋁基體中，形成均勻的al-sc-y固溶體。該形式具有以下優(yōu)勢：

20、抑制元素偏析：sc與y在al基體中均勻分布，熔煉時直接溶解為納米級富sc/y相，避免局部濃度過高導致的晶界脆化；

21、減少氧化燒損：預合金化形式降低sc/y與熔體的接觸面積，氧化損失率較單質(zhì)添加下降50%以上；

22、提升工藝穩(wěn)定性：中間合金成分固定，簡化熔煉配料流程，減少批次性能波動。

23、?2.sc與y的質(zhì)量比限定為（2.5～4）：1，其設計基于以下：

24、sc主導晶界強化：sc在鋅基體中的固溶度極低，過量sc會形成粗大sczn4相，降低塑性。通過sc/y比＞2.5，確保sc優(yōu)先占據(jù)晶界位點，抑制動態(tài)再結晶；

25、y輔助析出強化：y與al結合生成納米yal3相，釘扎位錯并阻礙晶界遷移。當sc/y比＜4時，y的添加量足以形成彌散分布的yal3相，避免因y過量導致的熔體粘度上升。

26、?優(yōu)選的，所述tib2的粒徑≤500?nm，且與zn粉通過球磨預混合，形成tib2/zn混合粉，其中tib2與zn混合質(zhì)量比為1:（8～12）。該設計通過以下機理實現(xiàn)性能突破：

27、1.納米tib2的異質(zhì)形核作用

28、tib2作為高熔點陶瓷相（熔點2980℃），其粒徑為≤500?nm（優(yōu)選200-400?nm）時，可在鋅合金凝固過程中提供大量異質(zhì)形核位點，顯著細化晶粒。

29、?2.球磨預混合的均勻分散機制

30、tib2與zn粉通過球磨預混合（質(zhì)量比1:8～12），其工藝優(yōu)勢在于：

31、防止納米顆粒團聚：tib2納米顆粒因高比表面積易自發(fā)團聚，球磨過程中zn粉（粒徑50?μm）作為分散介質(zhì)，通過機械碰撞與剪切力剝離團聚體，實現(xiàn)tib2單顆粒分散；

32、預合金化效應：球磨產(chǎn)生的機械能促使部分tib2嵌入zn粉表面，形成“zn-tib2核殼結構”，在熔煉時加速tib2與熔體的潤濕性，提升分散均勻性；

33、工藝參數(shù)優(yōu)化：球磨時間1～3?h、球料比8～10:1、氬氣保護，平衡分散效果與生產(chǎn)成本。

34、?優(yōu)選的，所述稀土混合物中ce與la的質(zhì)量比為（6～8）：（2～4）。該比例設計通過以下協(xié)同機制實現(xiàn)熔體凈化、晶界強化與成本控制的平衡：

35、1.ce與la的功能分工

36、ce的熔體凈化主導作用：

37、鈰（ce）具有強脫氧、脫硫能力，優(yōu)先與熔體中的o、s反應生成高熔點ce2o3（熔點2315℃）和ce2s3（熔點2450℃），顯著降低熔體夾雜物含量。

38、?la的晶界強化主導作用：

39、鑭（la）與al結合生成納米laal3相，釘扎晶界并阻礙位錯運動，同時la在晶界處偏析，降低晶界能，抑制裂紋擴展。

40、?2.協(xié)同作用機制

41、凈化-強化耦合效應：

42、ce的熔體凈化減少夾雜物對laal3相形核的干擾，使laal3相分布更均勻；

43、晶界穩(wěn)定性提升：

44、ce在晶界處的微量固溶與la協(xié)同抑制晶界遷移，高溫下晶粒粗化速率降低50%。

45、?本發(fā)明第二方面提供本發(fā)明第一方面所述輕質(zhì)高強度鋅合金的制備方法，包括以下步驟：

46、步驟1：真空熔煉

47、1.裝料與順序：

48、將原料按以下順序加入真空感應爐中：

49、鋅錠（zn，純度≥99.995%）；

50、鋁錠（al，純度≥99.9%）；

51、預合金化al-sc-y中間合金（sc:y質(zhì)量比=3:1）；

52、tib2/zn混合粉（tib2:zn質(zhì)量比=1:10，tib2粒徑≤500?nm）；

53、鎂粒（mg，純度≥99.9%，鋁箔封裝）。

54、?2.熔煉參數(shù)：

55、熔煉溫度：420～440℃；

56、真空度：≤10-2pa；

57、保護氣體：氬氣（ar）與二氧化碳（co2）混合氣體（co2體積占比3～8%，分壓10～20kpa）；

58、電磁攪拌：頻率20?khz，時間10?min。

59、?3.熔體凈化：

60、靜置5?min后扒渣兩次，渣量≤0.1%總質(zhì)量。

61、步驟2：電磁輔助高壓壓鑄

62、1.模具預處理：

63、模具預熱溫度：150～200℃；

64、潤滑劑噴涂：納米石墨懸浮液（粒徑≤100?nm），涂層厚度5～10?μm。

65、?2.壓鑄參數(shù)：

66、注射壓力：80～120?mpa；

67、充型速度：4～5?m/s；

68、保壓時間：3～5?s；

69、模具冷卻水流量：20～30?l/min。

70、?3.電磁場動態(tài)調(diào)控：

71、充型階段：施加10～25?khz高頻交變磁場，磁場強度150～250?mt；

72、保壓階段：切換至5～15?hz低頻旋轉磁場，磁場強度40～60?mt；

73、切換延遲時間：≤0.1?s。

74、步驟3：梯度時效處理

75、1.第一階段時效：

76、溫度：100～130℃；

77、保溫時間：1～3?h；

78、冷卻方式：以0.5～1℃/min速率降溫至70～90℃。

79、?2.第二階段時效：

80、溫度：70～90℃；

81、保溫時間：按公式計算：t?=?k·d?+?c，其中：

82、t：時間（h）；

83、d：工件厚度（mm，范圍1～10?mm）；

84、k：比例系數(shù)（0.05～0.15）；

85、c：常數(shù)項（1～3）。

86、冷卻方式：空冷至室溫。

87、本發(fā)明第三方面提供本發(fā)明第一方面所述輕質(zhì)高強度鋅合金在生產(chǎn)金屬扣件中的應用，包括但不限于以下具體產(chǎn)品：

88、服飾類扣件：皮帶扣、鞋扣、牛仔褲紐扣、拉鏈頭；

89、箱包配件：箱包鎖扣、提手連接扣、d形環(huán)；

90、工業(yè)五金件：標牌鉚釘、電氣柜鎖扣、機械緊固件；

91、戶外裝備：帳篷地釘、登山扣、工具掛扣。

92、本發(fā)明提供了一種輕質(zhì)高強度鋅合金及其制備方法和應用。具備以下有益效果：

93、1.通過優(yōu)化鋅合金組分與工藝，本發(fā)明使材料在長期使用中抗磨損、抗變形能力大幅增強。尤其適用于皮帶扣、鞋扣等頻繁受力部件，即使在潮濕或汗液接觸環(huán)境下，依然保持結構穩(wěn)定，避免因腐蝕或疲勞導致的斷裂、脫扣問題，延長產(chǎn)品服役周期。

94、?2.本發(fā)明鋅合金在保證強度的同時降低材料密度，特別適合高端腰帶扣、標牌等對輕量化要求嚴格的場景。其優(yōu)異的流動性與低收縮率特性，可支持復雜紋理（如仿古花紋、鏤空雕飾）的精密壓鑄成型，減少后續(xù)機加工工序，降低生產(chǎn)成本。

95、?3.本發(fā)明材料內(nèi)部低缺陷的特性，使電鍍、噴涂等表面處理層更均勻致密。對于五金扣件常見的鍍鎳、仿金鍍層或氧化著色工藝，可顯著減少麻點、起泡等不良現(xiàn)象，提升產(chǎn)品光澤度與色彩附著力，滿足高端品牌對外觀一致性的嚴苛要求。

96、?4.本發(fā)明通過組分協(xié)同作用，材料在鹽霧、濕熱等惡劣環(huán)境中仍能保持表面光潔，避免傳統(tǒng)鋅合金易產(chǎn)生的白銹、黑斑問題。這一特性尤其適用于戶外標牌、航海用五金配件等場景，減少因腐蝕導致的返修或更換頻率，降低全生命周期維護成本。

97、?5.本發(fā)明工藝優(yōu)化減少了熔煉過程中的能耗與廢渣排放，同時高材料利用率降低了邊角料浪費。對于鞋扣、釘鈕等大批量生產(chǎn)的小型金屬件，可顯著減少單位產(chǎn)品的資源消耗，契合環(huán)保法規(guī)要求，提升企業(yè)可持續(xù)競爭力。