服裝紐扣用鋅－銅－鈦合金帶材的研制

魏華光, 李偉文

(廣州有色金屬集團有限公司, 廣東 廣州510170)

摘要：通過研究鋅-銅-鈦合金帶材中銅、鈦等合金元素的合理控制以及軋制變形工藝與退火工藝的優化控制,根據服裝紐扣等五金制品的使用要求,提出了服裝紐扣等五金制品用鋅-銅-鈦合金帶材合理的化學成分及生產工藝,并批量生產出鋅-銅-鈦合金帶材,用于代替黃銅帶材生產服裝紐扣等五金制品.

關鍵詞：鋅-銅-鈦合金;服裝紐扣;化學成分;加工率;退火工藝

收稿日期：2014-10-28

作者簡介：魏華光(1957—),男,高級工程師,主要從事有色金屬加工技術研究及企業管理. E-mail:leanea@sina.com

中圖分類號：TG 146.1+3文獻標志碼： A

Investigation of Zinc-copper-titanium Alloy Strip and Its Application in Clothing ButtonsWEI Hua-guang, LI Wei-wen

(Guangzhou nonferrous metals group Co., Ltd., Guangzhou 510170,China)

Abstract：This paper explores reasonable weights of individual constituents of the zinc-copper-titanium(Zn-Cu-Ti) alloy,i.e.Cu,Ti,and so on.It also investigates the optimization of the rolling deformation and annealing process for Zn-Cu-Ti alloy.The findings of this paper associated with the requirements of manufacturing clothing buttons and other hardware are employed to assist designing the manufacturing process of clothing buttons and other hardware.Necessary chemical compositions used in the processes are proposed.This manufacturing method has been successfully implemented in the industry,which mass-produces the zinc-copper-titanium alloy strips and supplies them to many customers as an excellent replacement of brass strips in producing clothing buttons and other hardware.

Keywords：zinc-copper-titanium alloy; clothing button; chemical composition; processing rate; annealing process

0引言

鋅-銅-鈦合金為變形鋅合金,具有較高的強度、較好的塑韌性、較強的耐蝕性和較好的抗蠕變性,不但可以用于深沖成型,而且可制作五金及結構件.鋅-銅-鈦合金的部分性能指標接近黃銅,密度是黃銅的80%,價格是黃銅的1/2左右,所以生產企業具有材料成本方面的優勢[1-2].而且該合金不含鉛、鎘等有害元素,是一種環境友好型材料,在許多領域是黃銅的理想替代品.

中國是銅資源儲量貧乏的國家,自給率嚴重不足.相反,中國鋅資源儲量居世界第二位[3],這一“自然優勢”以及下游企業的低能耗、低成本需求使得鋅-銅-鈦合金成為人們研究和生產代替黃銅材料的理想對象.

目前國內用鋅-銅-鈦合金帶材來代替黃銅帶材生產服裝紐扣等五金制品的研究幾乎空白,因而加深我國科技人員和生產企業對鋅-銅-鈦合金的認識,對促進我國用鋅-銅-鈦合金代替黃銅材料以節約資源、提高我國的鋅加工技術水平具有一定的意義.

1技術要求與難點

目前國內生產和使用的鋅-銅-鈦合金幾乎都是以板帶材為主.限于設備工藝的原因,國內生產的帶材寬度不超過200 mm,厚帶卷重不超過2 000 kg、薄帶卷重不超過500 kg,所以不能像歐、美等國用于屋頂、排水管等大型物件.但我國在服裝紐扣、鞋帽孔眼、拉鏈及首飾等小五金產品方面的應用卻具有生產設備小、生產流程短和生產成本低等優勢,所以在我國長三角和珠三角等地區陸續出現了使用鋅-銅-鈦合金帶材代替H60、H65黃銅帶材沖制服裝紐扣、鞋帽孔眼、拉鏈及首飾等小五金產品的需求,并根據不同品種進行電鍍,做成各種顏色,倍受服裝業、鞋業和首飾業的青睞,且有蓬勃發展之勢.

1.1服裝紐扣用鋅-銅-鈦合金帶材的要求

服裝紐扣種類紛繁復雜、結構千差萬別,但從材料的變形量大小和組合紐扣的位置可籠統地分為紐面、紐底和紐釘,如圖1所示.

圖1　紐扣的組成

紐面在組合紐的最外層,在沖制時變形量小,對帶材的塑性要求不高、著重要求帶材的強度和硬度;紐底在組合紐的內層或底部,沖制變形量較大,對帶材的塑性和強度要求較高;紐釘的變形量最大,對帶材的塑性和強度要求最高.也有極個別的紐面(圖1(d))變形量也很大.不同類型的紐扣應選擇不同狀態(如硬態、軟態)的鋅合金帶材.

1.2技術要求

用于服裝紐扣上的鋅-銅-鈦合金帶材在力學性能上必須滿足三個條件:一是帶材沖制紐扣時不能出現爆裂;二是帶材要有一定的強度、硬度,達到紐扣拉力測試標準;三是有良好的抗蠕變性能.這也就是要求鋅合金帶材在盡可能高的強度、硬度的情況下,保持良好的成型塑性和抗蠕變性.事實上,紐扣用鋅合金帶材在生產過程中常遇到的難題是:帶材能沖壓成型不爆裂時,硬度和強度不夠高;能達到硬度和強度要求時,在沖壓成型時出現爆裂;抗蠕變性能差,初始可達到紐扣拉力要求,但隨時間推移,在外力(如紐扣內彈簧力)作用下發生變形(由圓形變橢圓形),或者是在服裝穿著過程中,過早地由緊密結合變成松離結合,縮短使用壽命.上述問題在黃銅帶材中基本不會出現,因為黃銅帶材的力學性能遠超過紐扣所需的性能指標,甚至可以說是過剩浪費.但對于剛剛應用于服裝紐扣的鋅-銅-鈦合金來說,因合金本身的特性令其不易達到這些條件,所以必須探索出鋅-銅-鈦合金的合理化學成分和合適的帶材性能,來達到要求.

2化學成分優化控制

2.1國內外的鋅-銅-鈦合金成分以及力學性能

美國根據不同的應用領域所需要的產品,有不同化學成分和狀態.在歐洲,軋制板材的成分范圍較寬.不同國家使用的鋅-銅-鈦合金化學成分不盡相同,但一般Cu的質量分數為0.5%～1.5%,Ti的質量分數為0.1%～0.3%,余量為Zn.表1和表2是不同國家的鋅-銅-鈦合金的成分及性能[4].以此為基礎,對鋅-銅-鈦合金的化學成分和力學性能進行研究和優化.

表1　不同國家的鋅-銅-鈦合金的化學成分

表2　不同國家的鋅-銅-鈦合金的力學性能

2.2合金及雜質元素對鋅-銅-鈦合金組織性能的影響

Cu在鋅合金中的作用主要表現在以下幾個方面[1,5-6]:一是固溶強化;二是形成金屬間化合物ε相(CuZn4);三是減緩共析轉變速度.

圖2中(a)、(b)、(c)分別是Zn-1.0Cu-0.2Ti、Zn-2.0Cu-0.2Ti、Zn-3.0Cu-0.2Ti合金鑄態時的微觀組織,(d)、(e)、(f)分別是Zn-1.0Cu-0.2Ti、Zn-2.0Cu-0.2Ti、Zn-3.0Cu-0.2Ti合金均勻化后的微觀組織.由于Ti元素的存在,使包晶不明顯.隨著含Cu量的升高,ε相(CuZn4)的數量逐漸增多,均勻化后,部分ε相溶解于晶粒內,部分分布在晶界處.當含Cu的質量分數為3%時,ε相開始聚合長大,使基體硬而脆不易變形.

圖2　不同含Cu量的鋅-銅-鈦合金鑄態組織和均勻化組織

圖3和圖4是含Cu量不同的合金力學性能.隨著Cu含量的升高,合金的強度、硬度都升高;合金的伸長率先升后降,當Cu的質量分數超過2%時,合金的伸長率降低.總體而言,Cu元素能提高合金的硬度、強度和沖擊韌性,但過量的Cu會降低鋅液的流動性,惡化鑄造質量、降低力學性能.因此在設計產品應用領域和在抗蠕變結構件的Zn-Cu-Ti合金時,應考慮Cu的最佳添加量.

圖3　不同含Cu量的合金伸長率變化

Ti在固態鋅中的溶解度極小,300 ℃時只有0.007%～0.150%(質量分數).合金中加入適量的Ti可細化晶粒,Ti以TiZn15相細小質點分布,提高了合金的強度、硬度和塑性,也提高了合金的再結晶溫度,從而影響其高溫抗蠕變性能[7-11].但過量的Ti使合金塑性惡化.因此,在保證強度的同時必須考慮合金的加工性能[12].

圖4　不同含Cu量的合金抗拉強度

圖5為含Ti量不同的合金鑄態組織照片.從圖5中可看出,未添加Ti的Zn-1.0Cu合金樹枝晶發達;而分別添加了質量分數為0.1%和0.2%的Ti后,枝晶細化;添加質量分數為0.2%Ti的合金晶粒細化更加明顯;添加質量分數為0.3%的Ti時,有不規則的小刻面組織,且有發展成枝晶的傾向.

圖5　不同Ti含量的合金鑄態組織

圖6為Ti的含量不同時,合金的伸長率變化結果.從圖6中可見,隨著Ti含量的升高,合金的伸長率增大;當Ti的質量分數超過0.2%后,合金的伸長率開始降低.

圖6　不同Ti含量合金的伸長率變化

圖7為Ti的含量不同時,合金的抗拉強度變化結果.從圖7中可見,添加Ti后,合金強度明顯提高;且合金隨著Ti含量的增大,抗拉強度增大.

圖7　不同Ti含量合金的抗拉強度變化

Al元素的加入能顯著提高合金的抗拉強度和硬度,但在鋅-銅-鈦合金的成分范圍內,Al的質量分數較小,若超過0.5%,則會影響鑄坯的質量,引起爆裂,也容易使熱軋產生爆邊現象.所以應根據產品的不同應用,嚴格控制Al的含量.

Mg在鋅-銅-鈦合金中的含量極微.Mg的主要作用是細化晶粒、提高硬度和抗蝕性能[5-6].

在普通電池(低鉛低鎘環保電池除外)用的變形鋅合金中,Pb、Cd是要加入的主要元素.在電池用Zn的質量分數范圍(Pb:0.36%～0.80%,Cd:0.03%～0.06%)內,Pb、Cd對鑄造和軋制加工無不良影響,但有利于調節硬度、提高塑性.在鋅-銅-鈦合金中,Pb、Cd是要求控制的有害元素.原料鋅錠中所帶來的微量Pb、Cd,對鑄造和加工影響甚微,但過大的含量將使力學性能惡化.主要原因是由于這些元素不固溶于Zn,且分布于晶界引起晶間腐蝕,降低合金的耐蝕性,也降低合金的韌性,應當嚴格控制.

鋅-銅-鈦合金中的Fe是有害元素.Fe嚴重危害合金的力學性能,尤其是塑性和韌性.Fe通常不與Cu、Zn發生作用,而與Al形成以FeA13為基的固溶體,其主體形貌為針狀.FeAl3屬單斜晶系,是一種比較穩定的硬脆相,隨著Fe含量的增加,FeAl3也增加,必然給塑性和韌性帶來損害.Fe主要來源于原料和熔煉時所使用的鐵質工具的污染.因此,在原料準備和熔煉過程中應格外注意.合金中Fe的質量分數最好控制在0.05%以下.

對于容易從鋅錠等原料中帶入的Sn、Sb,其有害作用大于Fe,會大幅度降低合金的沖擊韌性[5].Sn不固溶于Zn,與Zn形成低熔點共晶體存在于晶界中引起晶間腐蝕、熱脆,降低韌性;Sb常以十分細長的針狀相存在于合金中,是一種金屬間化合物.

2.3鋅-銅-鈦合金帶材的化學成分優化控制

由于鋅-銅-鈦合金的生產和應用在我國起步較晚,目前國內還沒有關于鋅-銅-鈦合金帶材的行業標準和國家標準.因此,經過長時間對合金成分、生產工藝及產品性能的跟蹤摸索,結合用戶的使用情況,設計優化出用于生產服裝紐扣等五金制品用的鋅-銅-鈦合金帶材的合理化學成分(見表3),并以其作為企業內部標準來控制產品的質量.

表3　優化的鋅-銅-鈦合金帶材的化學成分

3軋制變形工藝優化控制

3.1熱軋溫度和熱軋終了帶坯厚度的控制

熱軋溫度是鋅-銅-鈦合金的重要塑性變形參數,優化出的控制熱軋溫度是200～220 ℃,若過高或過低都會使帶坯在熱軋過程中出現爆邊現象,從而影響帶坯的后續加工.熱軋終了帶坯厚度對帶材的成品性能有重大的影響,在設備能力允許的情況下,選擇熱軋終了帶坯厚度的大小要重點考慮最終的成品性能.優化出的紐扣用鋅-銅-鈦合金帶材熱軋終了帶坯厚度是4.0 mm,該厚度能夠滿足成品性能的要求.

3.2冷軋道次加工率的控制

鋅-銅-鈦合金帶材在冷軋后明顯變軟,強度和硬度不斷降低,延伸率增加.冷軋加工率越大,軟化程度就越大.表4是冷軋道次厚度和對應的力學性能.掌握了這一規律后,則可根據不同的產品類型、不同的使用要求選擇預留不同的冷軋加工率,以達到所需要的鋅合金帶材性能.

表4　鋅-銅-鈦合金帶材冷軋道次厚度及力學性能

注:拉力試驗速度,100 mm/min;硬度測試條件,負荷1 kg,15 s.

4退火工藝優化控制

4.1鋅-銅-鈦合金帶材的交貨狀態

鋅-銅-鈦合金帶材經過成品退火處理的稱之為“軟態帶”(M),沒有經過成品退火處理的稱之為“硬態帶”(Y).從性能數據上看,雖然硬態帶的抗拉強度、伸長率比軟態帶都高,但硬態帶是經過連續多道次冷軋得到的帶材組織,各向異性比較突出,所以要沖制變形量大的紐扣時極易出現爆裂現象.因此,沖制變形量較小的紐面(紐蓋)可選用硬態帶材,成型后的紐面既不出現爆裂又有一定的強度和剛性;沖制變形量較大的紐底、紐釘應選用軟態帶材,否則容易出現沖爆現象.但是有個別紐面(圖1(d))變形量也很大,也需要選用軟態帶材作為沖制材料.

4.2鋅-銅-鈦合金帶材的退火工藝優化控制

鋅-銅-鈦合金帶材經過多道次冷軋后,雖然變形熱使部分組織發生回復再結晶,但仍以纖維組織為主,各向異性沒有消除.如何獲得細小等軸晶粒組織、達到良好的性能以利于后續沖制加工是要解決的重要問題,因此合理制定退火工藝是鋅合金帶材獲得細小等軸晶粒的必要條件.圖8是0.3 mm鋅合金帶材分別在150,200,250,310 ℃退火,保溫2 h下得到的微觀晶粒組織.從圖8(a)中可以觀察到仍有軋制纖維狀組織;圖8(b)達到完全再結晶,晶粒較細小,晶粒度等級達到12級;圖8(c)晶粒略大、晶粒度等級達到11級;圖8(d)晶粒最大、晶粒度等級達到10級.經過反復試驗,優化出用于生產服裝紐扣等五金制品的鋅-銅-鈦合金帶材的較佳退火工藝為:退火溫度180～200 ℃,保溫時間2～2.5 h.

4.3鋅-銅-鈦合金帶材退火前、后的力學性能變化

鋅-銅-鈦合金帶材從鑄坯厚度一直軋制至成品厚度不需要經過中間退火,如果最終產品是軟態的產品,則需要經過成品退火處理.經過退火后的產品,抗拉強度、伸長率及杯突值明顯降低,而硬度則升高.這一性能的變化特征與其他有色金屬(如Al、Cu及其合金)有明顯的不同,這也是服裝紐扣等五金制品用鋅-銅-鈦合金帶材的一個重要特點.表5是在現場試驗中統計得出的合金帶材退火前、后的力學性能的變化.

表5　鋅-銅-鈦合金帶材退火前、后的力學性能變化

備注:拉力試驗速度100 mm/min;杯突沖頭半徑10 mm;HV條件:負荷1 kg,15 s.

圖8　不同退火溫度的帶材晶粒組織

4.4鋅-銅-鈦合金帶材性能達到使用要求

經過一系列的反復試制,設計制定出了一整套合理的化學成分及生產工藝,并大批量生產出了鋅-銅-鈦合金帶材供給多家用戶使用,代替黃銅帶材用于沖制服裝紐扣、鞋帽孔眼及拉鏈、首飾等五金制品,均能達到用戶的使用性能要求.

5結論

(1) 鋅-銅-鈦合金的部分性能接近黃銅,在某些領域是黃銅的理想替代材料,是一種低能耗、低成本的環保型材料.

(2) 在鋅-銅-鈦合金中,Cu、Ti等合金元素的含量大小對合金的組織、性能產生較大的影響,應根據產品的不同用途嚴格控制合金元素的含量.對于服裝紐扣等五金制品用鋅-銅-鈦合金,Cu、Ti的最佳質量分數為0.7%～1.0%、0.03%～0.10%.

(3) 鋅-銅-鈦合金帶材的力學性能優良,其抗拉強度為250～300 MPa、伸長率為40%～70%,硬度(HV)為50～80,能代替H60、H65黃銅帶材用于生產服裝紐扣、鞋眼孔眼、拉鏈及首飾等小五金產品.目前在我國長江三角洲和珠江三角洲地區正在興起使用.由于有低能耗、低成本、小投資的優勢,其發展前景值得期待.

(4) 經過退火后,鋅-銅-鈦合金帶材的抗拉強度、伸長率及杯突值明顯降低,而硬度升高.這一性能特征與其他有色金屬,如Al、Cu及其合金,有明顯的不同,這也是服裝紐扣等五金制品用鋅-銅-鈦合金帶材的一個重要特點.

(5) 正確控制服裝紐扣等五金制品用鋅-銅-鈦合金帶材的化學成分,合理優化軋制加工與退火工藝,是生產高質量鋅合金帶材的重要保證.

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