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(yōu)化控制，根據(jù)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(chǎn)工藝，并批量生產(chǎn)出鋅-銅-鈦合金帶材，用于代替黃銅帶材生產(chǎn)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

　　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(chǎn)企業(yè)具有材料成本方面的優(yōu)勢[1-2].而且該合金不含鉛、鎘等有害元素，是一種環(huán)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(yōu)勢”以及下游企業(yè)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(chǎn)代替黃銅材料的理想對象.

　　目前國內(nèi)用鋅-銅-鈦合金帶材來代替黃銅帶材生產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)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(jié)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(nèi)生產(chǎn)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(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)品方面的應用卻具有生產(chǎn)設備小、生產(chǎn)流程短和生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，所以在我國長三角和珠三角等地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)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(chǎn)品的需求，并根據(jù)不同品種進行電鍍，做成各種顏色，倍受服裝業(yè)、鞋業(yè)和首飾業(yè)的青睞，且有蓬勃發(fā)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(tǒng)地分為紐面、紐底和紐釘，如圖1所示.

　　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(nèi)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?shù)淖冃瘟孔畲螅瑢Р牡乃苄院蛷姸纫笞罡?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(tài)（如硬態(tài)、軟態(tài)）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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(nèi)彈簧力）作用下發(fā)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(xiàn)，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(yōu)化控制

　　2.1國內(nèi)外的鋅銅鈦合金成分以及力學性能

　　美國根據(jù)不同的應用領域所需要的產(chǎn)品，有不同化學成分和狀態(tài).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(zhì)量分數(shù)為0.5%～1.5%，Ti的質(zhì)量分數(shù)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(yōu)化.

　　2.2合金及雜質(zhì)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(xiàn)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(zhuǎn)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(tài)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(shù)量逐漸增多，均勻化后，部分ε相溶解于晶粒內(nèi)，部分分布在晶界

　　Ti在固態(tài)鋅中的溶解度極小，300 ℃時只有0.007%～0.150%（質(zhì)量分數(shù)）.合金中加入適量的Ti可細化晶粒，Ti以TiZn15相細小質(zhì)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5為含Ti量不同的合金鑄態(tài)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(fā)達；而分別添加了質(zhì)量分數(shù)為0.1%和0.2%的Ti后，枝晶細化；添加質(zhì)量分數(shù)為0.2%Ti的合金晶粒細化更加明顯；添加質(zhì)量分數(shù)為0.3%的Ti時，有不規(guī)則的小刻面組織，且有發(fā)展成枝晶的傾向.

　　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(nèi)，Al的質(zhì)量分數(shù)較小，若超過0.5%，則會影響鑄坯的質(zhì)量，引起爆裂，也容易使熱軋產(chǎn)生爆邊現(xiàn)象.所以應根據(jù)產(chǎn)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(huán)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(zhì)量分數(shù)范圍（Pb：0.36%～0.80%，Cd：0.03%～0.06%）內(nèi)，Pb、Cd對鑄造和軋制加工無不良影響，但有利于調(diào)節(jié)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(fā)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(wěn)定的硬脆相，隨著Fe含量的增加，F(xiàn)eAl3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(zhì)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(zhì)量分數(shù)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(yōu)化控制

　　由于鋅-銅-鈦合金的生產(chǎn)和應用在我國起步較晚，目前國內(nèi)還沒有關于鋅-銅-鈦合金帶材的行業(yè)標準和國家標準.因此，經(jīng)過長時間對合金成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能的跟蹤摸索，結合用戶的使用情況，設計優(yōu)化出用于生產(chǎn)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(yè)內(nèi)部標準來控制產(chǎn)品的質(zhì)量.

　　3.軋制變形工藝優(yōu)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(shù)，優(yōu)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(xiàn)爆邊現(xiàn)象，從而影響帶坯的后續(xù)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(yōu)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(guī)律后，則可根據(jù)不同的產(chǎn)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.

　　4.退火工藝優(yōu)化控制

　　4.1鋅銅鈦合金帶材的交貨狀態(tài)

　　鋅-銅-鈦合金帶材經(jīng)過成品退火處理的稱之為“軟態(tài)帶”（M），沒有經(jīng)過成品退火處理的稱之為“硬態(tài)帶”（Y）.從性能數(shù)據(jù)上看，雖然硬態(tài)帶的抗拉強度、伸長率比軟態(tài)帶都高，但硬態(tài)帶是經(jīng)過連續(xù)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(xiàn)爆裂現(xiàn)象.因此，沖制變形量較小的紐面（紐蓋）可選用硬態(tài)帶材，成型后的紐面既不出現(xiàn)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(tài)帶材，否則容易出現(xiàn)沖爆現(xiàn)象.但是有個別紐面（圖1（d））變形量也很大，也需要選用軟態(tài)帶材作為沖制材料. 　　4.2鋅銅鈦合金帶材的退火工藝優(yōu)化控制

　　鋅-銅-鈦合金帶材經(jīng)過多道次冷軋后，雖然變形熱使部分組織發(fā)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(xù)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(jīng)過反復試驗，優(yōu)化出用于生產(chǎn)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(jīng)過中間退火，如果最終產(chǎn)品是軟態(tài)的產(chǎn)品，則需要經(jīng)過成品退火處理.經(jīng)過退火后的產(chǎn)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(xiàn)場試驗中統(tǒng)計得出的合金帶材退火前、后的力學性能的變化.

　　4.4鋅銅鈦合金帶材性能達到使用要求

　　經(jīng)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(chǎn)工藝，并大批量生產(chǎn)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(huán)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(chǎn)生較大的影響，應根據(jù)產(chǎn)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(zhì)量分數(shù)為0.7%～1.0%、0.03%～0.10%.

　　（3） 鋅-銅-鈦合金帶材的力學性能優(yōu)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(chǎn)服裝紐扣、鞋眼孔眼、拉鏈及首飾等小五金產(chǎn)品.目前在我國長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)正在興起使用.由于有低能耗、低成本、小投資的優(yōu)勢，其發(fā)展前景值得期待.

　　（4） 經(jīng)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(yōu)化軋制加工與退火工藝，是生產(chǎn)高質(zhì)量鋅合金帶材的重要保證.

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