铸造锌合金材料详解概要.docx

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铸造锌合金材料详解概要

铸造锌合金材料介绍

2.1 概述

2.1.1锌的存在形式及基本属性

自然界中未曾发现过自然锌，锌往往是以硫化矿物和氧化矿物的形式存在。

在硫化矿物中，锌主要是以闪锌矿形式存在，而在氧化矿中主要以菱锌矿和异极矿的形式存在。

在现代炼锌工业所采用的原料，绝大部分是硫化矿物。

同时，自然界中很少存在单一的锌矿床，一般多与其他金属伴生，如铅锌矿、铜锌矿及铜铅锌矿等。

锌是一种具有金属光泽的银白色金属。

其熔点为419.5℃，沸点为907℃。

在未合金化时，它是一种较软的金属，其强度和硬度值要比锡和铅大，但比铝和铜要小。

锌是同素异晶型金属，在低于170℃时，主要以μ形式存在；在170～330℃范围以β形式存在；在330～419℃范围以α形式存在。

μ相具有密排六方结构，因此室温下锌通常形成六面体晶体，在断裂面出现结晶状。

一般讲，锌的晶格常数a及c分别为0.2665nm和0.4947nm，c/a的理论值为1.856。

每个锌原子周围有12个临位原子，其中6个原子的间距为0.2665nm，另外6个为0.2907nm。

在六方基面中，原子之间的结合力要比层间强。

这就是锌各向异性的根源所在。

锌晶体学的另一个很重要的方面是高温条件下原子在晶格中的易动性及纯锌在室温条件下变形后的再结晶。

假如某些合金元素如镉、铜等会形成锌固溶体，锌金属的再结晶温度则会提高。

对纯锌而言，几乎不发生加工硬化，因为再结晶会使加工造成的应力得到松弛。

由于锌的恢复特性及加工硬化程度很小，因此其蠕变抗力或在长期作用下承受变形的能力较小。

这就是锌不能用作工程材料的原因，但是如果加入某些合金元素如Ti及Cu等，蠕变抗力会增加许多倍。

2.1.2铸造锌合金的优缺点

铸造锌合金的生产历史较长，主要适用于压力铸造或重力铸造，用来浇注汽车、拖拉机等机电部门的各种仪表壳体类铸件或浇注各种起重设备、机床、水泵等的轴承，并且近些年来又发展了高铝的高强度高耐磨性的铸造锌合金。

纯金属在铸造后，可变得相当硬（如在水中淬火）。

商品锌因含有杂质，因而性脆而硬度高。

但在大于100℃温度下可以变形，能被压成薄板或拉制成金属丝。

加热到250℃后，这种锌又会变脆，在钵中能研成粉末。

所以，锌的延性与杂质和温度有关。

实验表明，1.5mm厚的纯锌片，在125℃保温半小时后，基本可以软化。

由于其蠕变抗力低，因而不能直接用于承载。

锌的延性比铜小，但是比锡大。

含有细晶粒的锌容易被辊轧。

金属中晶粒大小视冷却条件不同而定，若熔化温度较高即超过熔点很多并且冷却缓慢时，其晶粒会变得粗大。

锌与其他金属一样有加工硬化的特点，在机械加工硬化后可在低温状态焖火以恢复其延展性。

金属锌的临界剪切应力较低，它取决于应变率及温度。

单晶锌在自身重力作用下会弯曲，其临界剪切应力不超过0.0785MNm-2。

随着温度的升高，锌的热导率下降，而比热容增高。

单晶金属锌的热导率比多晶金属锌高。

热导率随晶体方向不同而不同。

对定向凝固的铸造金属，由于热膨胀的各向异性，会引起变形应力。

含有杂质的金属锌的电阻较大。

冷轧锌的电阻比热轧锌的电阻要略大一些。

锌的抗磁性随晶体方向不同而不同。

锌具有电热性，当锌试样的两个端部置于不同温度时，试样内部有电流通过。

铸造锌合金的缺点是耐蚀性差，在长期使用过程中，易发生老化现象。

合金的老化使铸件变脆，性能急剧下降。

同时铸件发生变形、膨胀，严重时可发生开裂。

锌合金的这种现象通常认为主要是晶间腐蚀所引起的。

锌合金的老化，大大阻碍了这类合金的广泛应用，因此提高锌合金的抗老化能力，防止和推迟锌合金的老化就成了研究、生产这类合金的基本课题。

在我国，锌是非铁金属工业中重点发展的主要金属之一。

用锌合金取代铜合金和铝合金，在节约能源和降低原材料成本以及合理使用本国资源方面具有重要意义。

锌的物理性能由表2-1所示。

表2-1 锌的物理性能

性能

数值或表达式

体膨胀系数/10-6K-1（293～523K）

0.9

线膨胀系数/10-6K-1（293～373K）多晶体

39.7

（293～373K）a轴

14.3

（293～673K）c轴

60.8

表面张力/mNm-1（在熔点温度时）

782

（450℃）

755

电阻率（10-2）/m 固态（293K）

5.96

液态（692.7K）

37.4

原子序数

相对原子量

65.37

原子价

晶体结构密排六方

a=0.2664nm c=0.49469nm

c/a=1.856

孪晶面

（1012）

原子尺寸/nm 原子半径

0.1332

离子半径M2+

0.075

熔点/℃

419.5

沸点/℃

907

熔化潜热/kJmol-1（692.7K）

7.28

蒸发热/kJmol-1（1180K）

114.7

密度/gcm-3 固态（25℃）

7.14

固态（419.5℃）

6.83

液态（419.5℃）

6.62

液态（800℃）

6.25

摩尔热容/Jmol-1

（298～692.7K）固态

cp=22.40+10.0510-3T

液态

cp=31.40

汽态

cp=20.80

标准电极（对H2电极）/V

-0.762

热导率/W（mK）-1 固态（291K）

113

固态（697.7K）

汽态（697.7K）

汽态（1023K）

弹性模量/Mpa（短期内承载）

7104

2.1.3合金牌号

我国原来的铸造锌合金的标准（GB3062-1982、GB1175-1974）已不适应铸造锌合金发展的需要，全国铸造标准化技术委员会在1992年和1997年分别完成了压铸锌合金和铸造锌合金标准的修订工作，新修订的标准（GB/T1175-1997、GB/T13818-1992）参考了美国和德国有关标准。

铸造锌合金的牌号见表2-2。

表2-2铸造锌合金的牌号

合金牌号

合金代号

相近国外牌号

（GB/T1175-1997）

美国

俄罗斯

德国

英国

日本

ZZnAl4Cu1Mg

ZA4-1

AG41A

ЦAM4-1

GD-ZnAl4Cu1

BS1004B

ZDC1

ZZnAl4Cu3Mg

ZA4-3

G-ZnAl4Cu3

GK-ZnAl4Cu1

ZZnAl6Cu1

ZA6-1

G-ZnAl6Cu1

GK-ZnAl6Cu3

ZZnAl8Cu1Mg

ZA8-1

ZA8

ЦAM9-1.5

ZZnAl9Cu2Mg

ZA9-2

ZZnAl11Cu1Mg

ZA11-1

ZA11

ZZnAl11Cu5Mg

ZA11-5

ЦAM10-5

ZZnAl27Cu2Mg

ZA27-2

ZA27

2.1.4铸造锌合金的分类

锌合金种类很多，分类方法也不尽相同，按习惯和应用方式，大致有三种分类方法。

（1）按合金成分分类

锌合金按成分可分为四类:

Zn一Al系、Zn一Cu系、Zn一Pb系和Zn一Pb一Al系。

Zn一Al系合金一般含有少量的Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性。

Zn―Cu合金一般还含有Ti，也称Zn一Cu一Ti系合金，该合金是抗蠕变合金，有时为进一步改善抗蠕变性能也加入少量Cr。

Zn一Pb系合金一般用做冲制电池壳用，并可制成各种小五金及体育运动器材等。

Zn一Pb一Al系合金用于镀锌行业。

近些年有些镀锌行业人员主张取消Al，单纯使用Zn一Pb合金。

（2）按加工方式分类

按加工方式，锌合金主要分为三类，铸造合金、变形合金和热镀锌合金。

铸造合金又分为压力铸造合金、重力铸造合金等。

其中，Zn一Al合金和Zn一Cu一Ti合金既可直接铸造，又可进行变形加工。

Zn一Al合金因其具有超塑性曾引起人们大力关注。

变形锌合金可分为三类。

①轧制锌合金。

锌合金板、带、箔都是轧制生产的。

这类锌合金已形成了国际标准和国家标准。

②挤压锌合金。

该合金的主要用途是替代黄铜。

一般情况下挤压锌合金的挤压力比正常生产实践中的挤压黄铜大，所以该合金的发展受到了一定的限制。

③拉拔线、棒的锌合金。

这类合金通过拉拔制成线棒后，主要用作热喷涂金属线、焊接用焊料、焊丝，以及制钉、螺丝、网等。

变形锌合金目前使用最广泛的是Zn-Cu-Ti系合金和Zn-Pb系合金。

其中Zn-Cu-Ti系合金主要用来替代黄铜，如制做拉链、千层锁、日用五金等。

Zn-Pb系合金主要用于冲制电池壳、焊接电池壳、制做体育运动器材部件、制做小五金及用于照相制板等。

（3）按性能和用途分类

抗蠕变锌合金,也就是前述Zn一Cu一Ti合金，它可通过变形生产所需要的零件，也可以直接压铸制品。

超塑性锌合金,指Zn一Al二元合金。

它在一定的组织条件和变形条件下，能呈现出极高的延伸率。

对于加工一些形状复杂的零件，有独到之处。

该合金在美国、英国和日本研究较多，并得到了应用。

超塑性锌合金的抗拉强度可以超过铜、铝合金，甚至达到或超过软钢水平。

具有在270℃左右呈现超塑性，极易加工成形，同时还兼有锌的耐腐蚀、成本低的优点。

阻尼锌合金,也叫减震锌合金，是一种Zn一Al系合金，它可以降低工业噪声和减轻机械震动，是一种有发展前景的新型结构材料。

模具锌合金，该合金在日本、西欧成功地应用于汽车制造行业，日本还制定了该合金的国家标准ZAS（冲压用锌合金）。

耐磨锌合金,主要用作轴承材料，该合金具有磨擦系数低，对油有较高的亲合力，机械性能优异等特点。

防腐锌合金,指牺牲阳极和作为喷镀、热浸镀等用的锌合金。

结构锌合金,主要用来制造结构零件，一般为Zn一Cu一Ti合金和Zn一Al合金。

2.1.5铸造锌合金的应用

目前工业生产用铸造锌合金各国均形成了自己的标准，比较规范化。

铸造锌合金锭主要用于铸造厂生产铸造件，重力铸造件和热镀锌件。

2.1.6我国锌加工业的现状

锌加工产品的品种减少，但产量增加。

产品单一，主要是低档的电池锌饼。

上世纪八九十年代，我国的锌加工产品96%以上是电池锌片、锌饼以及微晶锌板、锌条、胶印锌板，小量为超塑性锌合金板、锌铜和锌铜钛带，以后由于印刷业的电脑排版和PS铝板的广泛应用，微晶锌板，胶印锌片和锌条已基本淘汰;锌铜钛和锌铜合金得不到发展，工艺落后的焊接电池锌筒已经消失；因此除了用小量超塑性锌合金板深加工产品外，锌加工工业产品几乎只有低附加值的粗加工的电池外壳坯料锌饼和少量用于叠片电池（6F22）的0.25mm锌带了。

工艺设备落后，产品质量不稳定。

我国锌加工的许多中小企业，至今还有采用落后的铸块或立式半连铸―块轧成板―分剪成条―冲制锌饼，产品质量差，消耗高。

我国锌资源丰富，有大量的锌锭出口，虽然锌锭质量已达到国际先进水平，但出口的锌基本是初级产品或低档普通产品，进口多为高、精、尖、技术含量高的产品。

在锌加工工业方面，我国具有很大的资源优势，具有很好的前景。

在自身的基础上，重视高新产品的开发、生产，采用世界上先进的技术和设备，对我国的炼锌行业会有积极的推动作用。

2.2 Zn-Al系合金

2.2.1铝元素的基本性能

铝是锌合金中最重要的元素之一，铝的主要特性是比重轻，只有钢的三分之一；良好的导电性，当截面积和长度相同时铝的导电性为铜的64%，而在重量相同时为铜的200%；良好的导热性，是铁的四倍；由于能形成致密的氧化铝膜，在大气、水及部分腐蚀介质中具有耐蚀性；良好的塑性；具有可焊性。

锌合金中铝元素的基本物理性能及力学性能见表2-2。

表2-2 锌合金中铝元素的基本物理性能及力学性能

性能

熔点/℃

沸点/℃

晶体结构

密度/g·cm-3

电阻率/10-8Ωm

（20℃）

抗拉强度/MPa

杨氏模量/GPa

伸长率（%）

硬度/HB

660

2510

面心立方

2.7

2.66

70.5

2.2.2锌铝合金的优势

锌铝铸造合金具有良好的力学性能、耐磨耐蚀性能、密度较低、热导率和电导率适中、极限抗拉强度高、耐磨性好、承载性好、无磁性、碰撞时不产生火花、减振降噪性能和较低的成本，正越来越广泛地应用于各个领域，并带来显著的经济效益。

锌铝合金以其低能耗、无污染、原材料丰富、良好的力学性能、工艺性能和机械加工性能等一系列优点，已经成为广泛应用的合金材料。

它可用作压铸合金和耐磨合金，应用于机电产品（包括汽车、精密机械、仪表、风机、家电及通用电器等），还可作为功能性结构材料应用（如减振器、消声器），目前这种合金仍在扩大应用领域。

近年来，锌铝合金在汽车、模具和玩具等行业倍受青睐，已成为研究和开发的热点。

我国是世界上锌资源最丰富的国家，储存量占世界总储量的46%，不仅能满足国内的需求，而且还可大量出口，所以开发锌铝合金具有广阔的前景。

2.2.3锌铝合金的基本性能

（1）良好的轴承性能用ZA-12合金及ZA-27合金与青铜轴瓦合金比较表明，锌铝合金具有较低的摩擦系数、较高的承载能力、较高的耐磨性。

由于单位体积锌合金的成本要比铜合金低得多，因此，这种材料的轴瓦具有良好的经济性。

（2）成本低、能量消耗少及污染小由矿石提供炼锌的过程能耗较小而在制成铸件时熔化的能耗也较低。

另外在铸造生产中不会产生任何有毒的合金污染物或废料。

生产每吨锌铸件的耗电约为130度，生产每吨铜铸件的耗电约为320度，生产每吨铝铸件的耗电约为400度，生产每吨钢铸件的耗电约为500度，可见锌生产耗电最低。

另外工装成本也较低，在压铸时铸造锌合金的金属模具置换及维修成本可以忽略不计。

因此，锌铝铸造合金的生产成本仅为铜合金的三分之一。

（3）生产周期短锌金属熔化潜热比铝低，传导到模具上的热量较少，因而导致了铸造周期变短。

（4）机加工性能好可进行粗、精车，精车零件的光洁度高，呈光亮的银白色，也可以进行研磨加工。

（5）优越的表面质量锌合金可以经受各种防腐装饰表面处理。

（6）良好的耐蚀性在普通大气中锌具有良好的耐蚀性，而且锌的耐蚀性可以通过各种表面处理加以改善。

（7）较高的导电导热性锌铸造合金通常在导电导热性方面与铝合金相同，但要比铜压铸件高几倍。

因此它可以代替铜基或铝基合金用在要求导电导热的场合。

（8）良好的铸造成形性能锌合金优越的铸造成性能可以使其铸造较薄的铸件，例如最小壁厚2mm，最小铸出孔为1mm。

而且这种合金适用于多种造型材料，如砂型、石膏型、硅橡胶型、金属型及石膏型。

（9）非磁性及非火花性非磁性导致锌合金用于制造电子元件以及受磁场干扰的精密零件。

锌合金的非火花性可用于制造在有可能爆炸的场合工作的零件。

（注：

ZA-27合金与锈蚀铁或钢碰撞时会产生火花。

）

（10）良好的电磁性及无线电屏蔽性。

2.2.4锌铝合金的显微组织

锌铝合金基本化学成分为Zn和Al，添加元素主要有Cu和Mg。

在铸造锌铝合金的研究中早已发现，铝与一定比例的锌熔合能明显地改善流动性、细化铸件晶粒结构并因此提高力学性能。

在Zn-Al系中，可形成两个固熔体:

固熔体（几乎是纯锌）和固熔体，变化固熔体是以铝为基，溶解锌可达85%（所以以铝为基的固熔体可达83%的Zn而仅有17%的Al）。

在一定的温度范围和浓度范围，固熔体可分解为两个同样晶体结构而多锌（α2）和少锌（α1）的固熔体。

与Zn-Al相图（见图2-l）相对应，α固熔体在275℃发生偏析转变:

，同时锌在铝中的溶解度自275℃随温度降低而急剧下降。

因此含5%一10%Al锌合金的组织是亚共析合金β+共析体（α+β）。

当快速冷却时，偏析转变可能不进行。

α2相过冷至室温，该不稳定组织将发生变化（过冷的α2相分解），因而导致制品尺寸的变化。

研究表明，锌铝合金中含有少量镁，可防止晶间腐蚀，延缓共析反应过程。

但含镁量大于0.1%时延伸率急剧下降。

铜使锌铝合金产生固溶强化，并阻碍共析转变，但过量的铜使铸件尺寸不稳定。

稀土和钛都可以细化晶粒，使树枝晶向细团状晶过渡，从而提高强度和硬度，并显著提高耐磨性。

稀土和钛还能提高相间电极电位，提高晶间抗蚀能力。

但是当稀土含量大于0.10%、钛含量大于0.15%时，会析出硬质点相，对性能不利。

图2-1 Zn-Al二元系统的相图

2.2.5锌铝合金的应用

锌铝合金具有良好的强度、刚度和硬度，以及耐磨、耐蚀、减振降噪性能和密度小、成本低等特点，已得到广泛应用。

目前这种合金仍在扩大应用领域。

锌铝合金于70年代开始发展，主要用于重力铸造，直到80年代，该合金才开发用于压铸件。

铸造锌铝合金若按铸造方法分，可分为压铸合金和重力铸造合金两大类；若按用途来分，可分为仪表用合金、阻尼合金、模具耐磨合金及零件耐磨合金等。

目前国际上用作铸件的标准系列有两大类，一类是ZAMAK合金，一类是ZA系列合金。

使用的ZAMAK合金有ZAMAK2、ZAMAK3、ZAMAK5及ZAMAK7；而ZA系列有ZA-8、ZA-12、ZA-27及ZA-35。

ZA-8主要用于热室压铸，ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求，只能用于冷室压铸，ZA-35一般用于重力铸件。

而ZAMAK合金发展要先于ZA系列合金，主要用于压力铸造。

表2-3、表2-4、表2-5及表2-6分别列出了ASTM规定的重力铸造合金和压力铸造合金铸件及铸锭的成分。

表2-7和表2-8分别列出了压力铸造合金和重力铸造合金的物理性能。

表2-9列出了我国的铸造锌铝合金的化学成分，可以看出，我国的合金系列已与国际接轨。

表2-9中的ZA4-1、ZA4-3、ZA8-1、ZA27-2分别与表2-6中的ZAMAK5、ZAMAK2、ZA-8及ZA-27合金一致。

表2-3 重力铸造合金铸锭的化学成分（wt%）

牌号

Fe（≥）

Pb（≥）

Cd（≥）

Sn（≥）

来源

ZA-8

8.0～8.8

0.015～0.3

0.8～1.3

0.1

0.004

0.003

0.002

ASTMB669

ZA-12

10.5～11.5

0.015～0.3

0.5～1.2

0.075

0.004

0.003

0.002

其余

ZA-27

25.0～28.0

0.01～0.2

2.0～2.5

0.1

0.004

0.003

0.002

表2-4 重力铸造合金铸件的化学成分（wt%）

牌号

Fe（≤）

Pb（≤）

Cd（≤）

Sn（≤）

ZA-8

8.0～9.8

0.015～0.03

0.8～1.3

0.1

0.004

0.003

0.002

其余

ZA-12

11.0～12.5

0.01～0.03

0.8～1.5

0.075

0.004

0.003

0.002

其余

ZA-27

25.0～28.0

0.01～0.02

2.0～2.5

0.1

0.004

0.003

0.002

其余

ZA-35

30.0～35.0

Si3～5

3～5

0.1

0.004

0.003

0.002

其余

表2-5 压力铸造合金铸件的化学成分（wt%）

牌号

Fe（）

Pb（≤）

Cd（≤）

Sn（≤）

来源

ZAMAK2

3.5～4.3

0.02～0.05

2.5～3.0

0.1

0.005

0.004

0.003

―

其余

ASTMB86

ZAMAK3

3.5～4.3

0.02～0.05

≤0.25

0.1

0.005

0.004

0.003

―

其余

ZAMAK5

3.5～4.3

0.03～0.08

0.75～1.25

0.1

0.005

0.004

0.003

―

其余

ZAMAK7

3.5～4.3

0.005～0.02

≤0.25

0.075

0.003

0.002

0.001

0.005～0.02

其余

ZA-8

8.0～8.8

0.015～0.03

0.8～1.3

0.075

0.006

0.003

―

其余

ASTMB791

ZA-12

10.5～11.5

0.015～0.03

0.5～1.2

0.075

0.006

0.003

―

其余

ZA-27

25.0～28.0

0.01～0.02

2.0～2.5

0.075

0.006

0.003

―

其余

表2-6 压力铸造合金铸锭的化学成分（wt%）

牌号

Fe（）

Pb（≤）

Cd（≤）

Sn（≤）

来源

ZAMAK2

3.59～4.3

0.025～0.05

2.6

0.075

0.004

0.003

0.002

―

其余

ASTMB240

ZAMAK3

3.9～4.3

0.025～0.05

≤0.10

0.075

0.004

0.003

0.002

―

其余

ZAMAK5

3.9～4.3

0.03～0.06

0.75～1.25

0.075

0.004

0.003

0.002

―

其余

ZAMAK7

3.9～4.3

0.01～0.02

≤0.10

0.075

0.002

0.001

0.005～0.02

其余

ZA-8

8.0～8.8

0.015～0.03

0.8～1.3

0.10

0.004

0.003

0.002

―

其余

ASTMB669-84

ZA-12

10.5～11.5

0.015～0.03

0.5～1.25

0.075

0.004

0.003

0.002

―

其余

ZA-27

25.0～28.0

0.01～0.02

2.0～2.5

0.10

0.004

0.003

0.002

―

其余

表2-7压力铸造合金的物理性能

物理性能

ZAMAK2

ZAMAK3

ZAMAK5

ZAMAK7

ZA-8

ZA-12

ZA-27

密度/g·cm-3

6.6

6.3

6.0

5.0

凝固温度/℃

390～379

387～381

386～380

387～381

404～375

432～377

484～376

凝固收缩（%）

1.25

1.17

1.1

1.25

热膨胀系数/（293～373）

27.8

27.4

23.2

24.2

26.0

热导率/W（mK）-1（343～413K）

104.7

113.

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