鑄造鋅合金材料詳解

1、鑄造鋅合金材料介紹2.1  概述2.1.1 鋅的存在形式及基本屬性       自然界中未曾發(fā)現(xiàn)過自然鋅，鋅往往是以硫化礦物和氧化礦物的形式存在。在硫化礦物中，鋅主要是以閃鋅礦形式存在，而在氧化礦中主要以菱鋅礦和異極礦的形式存在。在現(xiàn)代煉鋅工業(yè)所采用的原料，絕大部分是硫化礦物。同時，自然界中很少存在單一的鋅礦床，一般多與其他金屬伴生，如鉛鋅礦、銅鋅礦及銅鉛鋅礦等。鋅是一種具有金屬光澤的銀白色金屬。其熔點為419.5，沸點為907。在未合金化時，它是一種較軟的金屬，其強度和硬度值要比錫和鉛大，但比鋁和銅要小。鋅是同素異晶型金屬，在低于1

2、70時，主要以形式存在；在170330范圍以形式存在；在330419范圍以形式存在。相具有密排六方結構，因此室溫下鋅通常形成六面體晶體，在斷裂面出現(xiàn)結晶狀。一般講，鋅的晶格常數(shù)a及c分別為0.2665nm和0.4947nm，c/a的理論值為1.856。每個鋅原子周圍有12個臨位原子，其中6個原子的間距為0.2665nm，另外6個為0.2907nm。在六方基面中，原子之間的結合力要比層間強。這就是鋅各向異性的根源所在。鋅晶體學的另一個很重要的方面是高溫條件下原子在晶格中的易動性及純鋅在室溫條件下變形后的再結晶。假如某些合金元素如鎘、銅等會形成鋅固溶體，鋅金屬的再結晶溫度則會提高。對純鋅而言，幾乎

3、不發(fā)生加工硬化，因為再結晶會使加工造成的應力得到松弛。由于鋅的恢復特性及加工硬化程度很小，因此其蠕變抗力或在長期作用下承受變形的能力較小。這就是鋅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，蠕變抗力會增加許多倍。2.1.2 鑄造鋅合金的優(yōu)缺點鑄造鋅合金的生產歷史較長，主要適用于壓力鑄造或重力鑄造，用來澆注汽車、拖拉機等機電部門的各種儀表殼體類鑄件或澆注各種起重設備、機床、水泵等的軸承，并且近些年來又發(fā)展了高鋁的高強度高耐磨性的鑄造鋅合金。純金屬在鑄造后，可變得相當硬（如在水中淬火）。商品鋅因含有雜質，因而性脆而硬度高。但在大于100溫度下可以變形，能被壓成薄板或拉制成金屬絲

4、。加熱到250后，這種鋅又會變脆，在缽中能研成粉末。所以，鋅的延性與雜質和溫度有關。實驗表明，1.5mm厚的純鋅片，在125保溫半小時后，基本可以軟化。由于其蠕變抗力低，因而不能直接用于承載。鋅的延性比銅小，但是比錫大。含有細晶粒的鋅容易被輥軋。金屬中晶粒大小視冷卻條件不同而定，若熔化溫度較高即超過熔點很多并且冷卻緩慢時，其晶粒會變得粗大。鋅與其他金屬一樣有加工硬化的特點，在機械加工硬化后可在低溫狀態(tài)燜火以恢復其延展性。金屬鋅的臨界剪切應力較低，它取決于應變率及溫度。單晶鋅在自身重力作用下會彎曲，其臨界剪切應力不超過0.0785MNm-2。隨著溫度的升高，鋅的熱導率下降，而比熱容增高。單晶金屬

5、鋅的熱導率比多晶金屬鋅高。熱導率隨晶體方向不同而不同。對定向凝固的鑄造金屬，由于熱膨脹的各向異性，會引起變形應力。含有雜質的金屬鋅的電阻較大。冷軋鋅的電阻比熱軋鋅的電阻要略大一些。鋅的抗磁性隨晶體方向不同而不同。鋅具有電熱性，當鋅試樣的兩個端部置于不同溫度時，試樣內部有電流通過。鑄造鋅合金的缺點是耐蝕性差，在長期使用過程中，易發(fā)生老化現(xiàn)象。合金的老化使鑄件變脆，性能急劇下降。同時鑄件發(fā)生變形、膨脹，嚴重時可發(fā)生開裂。鋅合金的這種現(xiàn)象通常認為主要是晶間腐蝕所引起的。鋅合金的老化，大大阻礙了這類合金的廣泛應用，因此提高鋅合金的抗老化能力，防止和推遲鋅合金的老化就成了研究、生產這類合金的基本課題。在

6、我國，鋅是非鐵金屬工業(yè)中重點發(fā)展的主要金屬之一。用鋅合金取代銅合金和鋁合金，在節(jié)約能源和降低原材料成本以及合理使用本國資源方面具有重要意義。鋅的物理性能由表2-1所示。   表2-1  鋅的物理性能性能數(shù)值或表達式體膨脹系數(shù)/ 10-6K-1（293523K）0.9線膨脹系數(shù)/ 10-6K-1（293373K）多晶體39.7         （293373K）a軸14.3         （293

7、673K）c軸60.8表面張力/mNm-1(在熔點溫度時)782（450）755電阻率（ 10-2）/ m  固態(tài)（293K）5.96                液態(tài)（692.7K）37.4原子序數(shù)30相對原子量65.37原子價2晶體結構        密排六方a=0.2664nm  c=0.49469nm c/a=1.856孿晶面(1012)

8、原子尺寸/nm     原子半徑0.1332離子半徑 M2+0.075熔點/419.5沸點/907熔化潛熱/kJ mol-1(692.7K)7.28蒸發(fā)熱/kJ mol-1(1180K)114.7密度 /g cm-3        固態(tài)（25）7.14   固態(tài)（419.5）6.83   液態(tài)（419.5）6.62 液態(tài)（800）6.25摩爾熱容/ J mol-1 (298692.7K)固態(tài)cp=22.40+10.05 10-

9、3T             液態(tài)cp=31.40             汽態(tài)cp=20.80標準電極（對H2電極）/V-0.762熱導率/W(mK)-1  固態(tài)（291K）113  固態(tài)（697.7K）96  汽態(tài)（697.7K）61 汽態(tài)（1023K）57彈性模量/Mpa (短期內承載)7 104 &#

10、160; 2.1.3 合金牌號我國原來的鑄造鋅合金的標準（GB3062-1982、GB1175-1974）已不適應鑄造鋅合金發(fā)展的需要，全國鑄造標準化技術委員會在1992年和1997年分別完成了壓鑄鋅合金和鑄造鋅合金標準的修訂工作，新修訂的標準（GB/T1175-1997、GB/T13818-1992）參考了美國和德國有關標準。鑄造鋅合金的牌號見表2-2。 表2-2 鑄造鋅合金的牌號合金牌號合金代號相近國外牌號（GB/T1175-1997）美國俄羅斯德國英國日本ZZnAl4Cu1MgZA4-1AG41AAM4-1GD-ZnAl4Cu1BS1004BZDC1ZZnAl4Cu3

11、MgZA4-3-G-ZnAl4Cu3GK-ZnAl4Cu1-ZZnAl6Cu1ZA6-1-G-ZnAl6Cu1GK-ZnAl6Cu3-ZZnAl8Cu1MgZA8-1ZA8AM9-1.5-ZZnAl9Cu2MgZA9-2-ZZnAl11Cu1MgZA11-1ZA11-ZZnAl11Cu5MgZA11-5-AM10-5-ZZnAl27Cu2MgZA27-2ZA27- 2.1.4 鑄造鋅合金的分類鋅合金種類很多，分類方法也不盡相同，按習慣和應用方式，大致有三種分類方法。(1) 按合金成分分類鋅合金按成分可分為四類:Zn一Al系、Zn一Cu系、Zn一Pb系和Zn一Pb一Al系。Zn一Al系

12、合金一般含有少量的Cu、Mg以提高強度和改善耐蝕性。ZnCu合金一般還含有Ti，也稱Zn一Cu一Ti系合金，該合金是抗蠕變合金，有時為進一步改善抗蠕變性能也加入少量Cr。 Zn一Pb系合金一般用做沖制電池殼用，并可制成各種小五金及體育運動器材等。Zn一Pb一Al系合金用于鍍鋅行業(yè)。近些年有些鍍鋅行業(yè)人員主張取消Al，單純使用Zn一Pb合金。(2) 按加工方式分類按加工方式，鋅合金主要分為三類，鑄造合金、變形合金和熱鍍鋅合金。鑄造合金又分為壓力鑄造合金、重力鑄造合金等。其中，Zn一Al合金和Zn一Cu一Ti合金既可直接鑄造，又可進行變形加工。Zn一Al合金因其具有超塑性曾引起人們大力關注。變形鋅

13、合金可分為三類。軋制鋅合金。鋅合金板、帶、箔都是軋制生產的。這類鋅合金已形成了國際標準和國家標準。擠壓鋅合金。該合金的主要用途是替代黃銅。一般情況下擠壓鋅合金的擠壓力比正常生產實踐中的擠壓黃銅大，所以該合金的發(fā)展受到了一定的限制。拉拔線、棒的鋅合金。這類合金通過拉拔制成線棒后，主要用作熱噴涂金屬線、焊接用焊料、焊絲，以及制釘、螺絲、網(wǎng)等。變形鋅合金目前使用最廣泛的是Zn-Cu-Ti系合金和Zn-Pb系合金。其中Zn-Cu-Ti系合金主要用來替代黃銅，如制做拉鏈、千層鎖、日用五金等。Zn-Pb系合金主要用于沖制電池殼、焊接電池殼、制做體育運動器材部件、制做小五金及用于照相制板等。(3) 按性能和

14、用途分類抗蠕變鋅合金,也就是前述Zn一Cu一Ti合金，它可通過變形生產所需要的零件，也可以直接壓鑄制品。超塑性鋅合金,指Zn一Al二元合金。它在一定的組織條件和變形條件下，能呈現(xiàn)出極高的延伸率。對于加工一些形狀復雜的零件，有獨到之處。該合金在美國、英國和日本研究較多，并得到了應用。超塑性鋅合金的抗拉強度可以超過銅、鋁合金，甚至達到或超過軟鋼水平。具有在270左右呈現(xiàn)超塑性，極易加工成形，同時還兼有鋅的耐腐蝕、成本低的優(yōu)點。阻尼鋅合金,也叫減震鋅合金，是一種Zn一Al系合金，它可以降低工業(yè)噪聲和減輕機械震動，是一種有發(fā)展前景的新型結構材料。模具鋅合金，該合金在日本、西歐成功地應用于汽車制造行業(yè)，

15、日本還制定了該合金的國家標準ZAS(沖壓用鋅合金)。耐磨鋅合金,主要用作軸承材料，該合金具有磨擦系數(shù)低，對油有較高的親合力，機械性能優(yōu)異等特點。防腐鋅合金,指犧牲陽極和作為噴鍍、熱浸鍍等用的鋅合金。結構鋅合金,主要用來制造結構零件，一般為Zn一Cu一Ti合金和Zn一Al合金。2.1.5 鑄造鋅合金的應用目前工業(yè)生產用鑄造鋅合金各國均形成了自己的標準，比較規(guī)范化。鑄造鋅合金錠主要用于鑄造廠生產鑄造件，重力鑄造件和熱鍍鋅件。2.1.6 我國鋅加工業(yè)的現(xiàn)狀鋅加工產品的品種減少，但產量增加。產品單一，主要是低檔的電池鋅餅。上世紀八九十年代，我國的鋅加工產品96%以上是電池鋅片、鋅餅以及微晶鋅板、鋅條、

16、膠印鋅板，小量為超塑性鋅合金板、鋅銅和鋅銅鈦帶，以后由于印刷業(yè)的電腦排版和PS鋁板的廣泛應用，微晶鋅板，膠印鋅片和鋅條已基本淘汰;鋅銅鈦和鋅銅合金得不到發(fā)展，工藝落后的焊接電池鋅筒已經(jīng)消失；因此除了用小量超塑性鋅合金板深加工產品外，鋅加工工業(yè)產品幾乎只有低附加值的粗加工的電池外殼坯料鋅餅和少量用于疊片電池(6F22)的0.25mm鋅帶了。工藝設備落后，產品質量不穩(wěn)定。我國鋅加工的許多中小企業(yè)，至今還有采用落后的鑄塊或立式半連鑄塊軋成板分剪成條沖制鋅餅，產品質量差，消耗高。我國鋅資源豐富，有大量的鋅錠出口，雖然鋅錠質量已達到國際先進水平，但出口的鋅基本是初級產品或低檔普通產品，進口多為高、精、尖

17、、技術含量高的產品。在鋅加工工業(yè)方面，我國具有很大的資源優(yōu)勢，具有很好的前景。在自身的基礎上，重視高新產品的開發(fā)、生產，采用世界上先進的技術和設備，對我國的煉鋅行業(yè)會有積極的推動作用。  2.2  Zn-Al系合金2.2.1 鋁元素的基本性能鋁是鋅合金中最重要的元素之一，鋁的主要特性是比重輕，只有鋼的三分之一；良好的導電性，當截面積和長度相同時鋁的導電性為銅的64%，而在重量相同時為銅的200%；良好的導熱性，是鐵的四倍；由于能形成致密的氧化鋁膜，在大氣、水及部分腐蝕介質中具有耐蝕性；良好的塑性；具有可焊性。鋅合金中鋁元素的基本物理性能及力學性能見表2-2。

18、60;表2-2  鋅合金中鋁元素的基本物理性能及力學性能性能熔點/沸點/晶體結構密度/g·cm-3電阻率/ 10-8m（20）抗拉強度/MPa楊氏模量/GPa伸長率（%）硬度/HBAl6602510面心立方2.72.664570.54020 2.2.2 鋅鋁合金的優(yōu)勢鋅鋁鑄造合金具有良好的力學性能、耐磨耐蝕性能、密度較低、熱導率和電導率適中、極限抗拉強度高、耐磨性好、承載性好、無磁性、碰撞時不產生火花、減振降噪性能和較低的成本，正越來越廣泛地應用于各個領域，并帶來顯著的經(jīng)濟效益。鋅鋁合金以其低能耗、無污染、原材料豐富、良好的力學性能、工藝性能和機械加工性能等一系列

19、優(yōu)點，已經(jīng)成為廣泛應用的合金材料。它可用作壓鑄合金和耐磨合金，應用于機電產品(包括汽車、精密機械、儀表、風機、家電及通用電器等)，還可作為功能性結構材料應用(如減振器、消聲器)，目前這種合金仍在擴大應用領域。近年來，鋅鋁合金在汽車、模具和玩具等行業(yè)倍受青睞，已成為研究和開發(fā)的熱點。我國是世界上鋅資源最豐富的國家，儲存量占世界總儲量的46%，不僅能滿足國內的需求，而且還可大量出口，所以開發(fā)鋅鋁合金具有廣闊的前景。2.2.3 鋅鋁合金的基本性能(1) 良好的軸承性能  用ZA-12合金及ZA-27合金與青銅軸瓦合金比較表明，鋅鋁合金具有較低的摩擦系數(shù)、較高的承載能力、較高的耐磨性。由于單

20、位體積鋅合金的成本要比銅合金低得多，因此，這種材料的軸瓦具有良好的經(jīng)濟性。(2) 成本低、能量消耗少及污染小  由礦石提供煉鋅的過程能耗較小而在制成鑄件時熔化的能耗也較低。另外在鑄造生產中不會產生任何有毒的合金污染物或廢料。生產每噸鋅鑄件的耗電約為130度，生產每噸銅鑄件的耗電約為320度，生產每噸鋁鑄件的耗電約為400度，生產每噸鋼鑄件的耗電約為500度，可見鋅生產耗電最低。另外工裝成本也較低，在壓鑄時鑄造鋅合金的金屬模具置換及維修成本可以忽略不計。因此，鋅鋁鑄造合金的生產成本僅為銅合金的三分之一。(3) 生產周期短  鋅金屬熔化潛熱比鋁低，傳導到模具上的熱量較少，因而導

21、致了鑄造周期變短。(4) 機加工性能好  可進行粗、精車，精車零件的光潔度高，呈光亮的銀白色，也可以進行研磨加工。(5) 優(yōu)越的表面質量  鋅合金可以經(jīng)受各種防腐裝飾表面處理。(6) 良好的耐蝕性  在普通大氣中鋅具有良好的耐蝕性，而且鋅的耐蝕性可以通過各種表面處理加以改善。(7) 較高的導電導熱性  鋅鑄造合金通常在導電導熱性方面與鋁合金相同，但要比銅壓鑄件高幾倍。因此它可以代替銅基或鋁基合金用在要求導電導熱的場合。(8) 良好的鑄造成形性能  鋅合金優(yōu)越的鑄造成性能可以使其鑄造較薄的鑄件，例如最小壁厚2mm，最小鑄出孔為1mm。而且這種合金

22、適用于多種造型材料，如砂型、石膏型、硅橡膠型、金屬型及石膏型。(9) 非磁性及非火花性  非磁性導致鋅合金用于制造電子元件以及受磁場干擾的精密零件。鋅合金的非火花性可用于制造在有可能爆炸的場合工作的零件。（注：ZA-27合金與銹蝕鐵或鋼碰撞時會產生火花。）(10) 良好的電磁性及無線電屏蔽性。2.2.4 鋅鋁合金的顯微組織鋅鋁合金基本化學成分為Zn和Al，添加元素主要有Cu和Mg。在鑄造鋅鋁合金的研究中早已發(fā)現(xiàn)，鋁與一定比例的鋅熔合能明顯地改善流動性、細化鑄件晶粒結構并因此提高力學性能。在Zn-Al系中，可形成兩個固熔體: 固熔體(幾乎是純鋅)和 固熔體，變化固熔體是以鋁為基，溶解鋅

23、可達85%(所以以鋁為基的固熔體可達83%的Zn而僅有17%的Al)。在一定的溫度范圍和濃度范圍，固熔體可分解為兩個同樣晶體結構而多鋅(2)和少鋅(1)的固熔體。與Zn-Al相圖(見圖2-l)相對應，固熔體在275發(fā)生偏析轉變: ，同時鋅在鋁中的溶解度自275隨溫度降低而急劇下降。因此含5%一10%Al鋅合金的組織是亞共析合金+共析體（+）。當快速冷卻時，偏析轉變可能不進行。2相過冷至室溫，該不穩(wěn)定組織將發(fā)生變化(過冷的2相分解)，因而導致制品尺寸的變化。研究表明，鋅鋁合金中含有少量鎂，可防止晶間腐蝕，延緩共析反應過程。但含鎂量大于0.1%時延伸率急劇下降。銅使鋅鋁合金產生固溶強化，并阻礙共析

24、轉變，但過量的銅使鑄件尺寸不穩(wěn)定。稀土和鈦都可以細化晶粒，使樹枝晶向細團狀晶過渡，從而提高強度和硬度，并顯著提高耐磨性。稀土和鈦還能提高相間電極電位，提高晶間抗蝕能力。但是當稀土含量大于0.10%、鈦含量大于0.15%時，會析出硬質點相，對性能不利。 圖2-1  Zn-Al二元系統(tǒng)的相圖 2.2.5 鋅鋁合金的應用鋅鋁合金具有良好的強度、剛度和硬度，以及耐磨、耐蝕、減振降噪性能和密度小、成本低等特點，已得到廣泛應用。目前這種合金仍在擴大應用領域。鋅鋁合金于70年代開始發(fā)展，主要用于重力鑄造，直到80年代，該合金才開發(fā)用于壓鑄件。鑄造鋅鋁合金若按鑄造方法分，可分為壓

25、鑄合金和重力鑄造合金兩大類；若按用途來分，可分為儀表用合金、阻尼合金、模具耐磨合金及零件耐磨合金等。目前國際上用作鑄件的標準系列有兩大類，一類是ZAMAK合金，一類是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主要用于熱室壓鑄，ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求，只能用于冷室壓鑄，ZA-35一般用于重力鑄件。而ZAMAK合金發(fā)展要先于ZA系列合金，主要用于壓力鑄造。表2-3、表2-4、表2-5及表2-6分別列出了ASTM規(guī)定的重力鑄造合金和壓力鑄造合金鑄件及鑄錠的成分。表2-7

26、和表2-8分別列出了壓力鑄造合金和重力鑄造合金的物理性能。表2-9列出了我國的鑄造鋅鋁合金的化學成分，可以看出，我國的合金系列已與國際接軌。表2-9中的ZA4-1、ZA4-3、ZA8-1、ZA27-2分別與表2-6中的ZAMAK5、ZAMAK2、ZA-8及ZA-27合金一致。                       表2-3  重力鑄造合金鑄錠的化學成分 

27、;                   （wt%）牌號AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）Zn來源ZA-88.08.80.0150.30.81.30.10.0040.0030.002   ASTM B669ZA-1210.511.50.0150.30.51.20.0750.0040.0030.002其余ZA-2725.028.00.010.22.02.50.10.0040.003

28、0.002  表2-4   重力鑄造合金鑄件的化學成分   （wt%）牌號AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）ZnZA-88.09.80.0150.030.81.30.10.0040.0030.002其余ZA-1211.012.50.010.030.81.50.0750.0040.0030.002其余ZA-2725.028.00.010.022.0 2.50.10.0040.0030.002其余ZA-3530.035.0Si 35350.10.0040.0030.002其余 表2-5   壓力鑄造

29、合金鑄件的化學成分   （wt%）牌號AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）NiZn來源ZAMAK23.54.30.020.052.53.00.10.0050.0040.003其余ASTM B86ZAMAK33.54.30.020.050.250.10.0050.0040.003其余ZAMAK53.54.30.030.080.751.250.10.0050.0040.003其余ZAMAK73.54.30.0050.020.250.0750.0030.0020.0010.0050.02其余ZA-88.08.80.0150.030.81.30.0750.0060.0060

30、.003其余ASTM B791ZA-1210.511.50.0150.030.51.20.0750.0060.0060.003其余ZA-2725.028.00.010.022.02.50.0750.0060.0060.003其余 表2-6   壓力鑄造合金鑄錠的化學成分   （wt%）牌號AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）NiZn來源ZAMAK23.594.30.0250.052.60.0750.0040.0030.002其余ASTM B240ZAMAK33.94.30.0250.050.100.0750.0040.0030.002其

31、余ZAMAK53.94.30.030.060.751.250.0750.0040.0030.002其余ZAMAK73.94.30.010.020.100.0750.0020.0020.0010.0050.02其余ZA-88.08.80.0150.030.81.30.100.0040.0030.002其余ASTM B669-84ZA-1210.511.50.0150.030.51.250.0750.0040.0030.002其余ZA-2725.028.00.010.022.02.50.100.0040.0030.002其余 表2-7 壓力鑄造合金的物理性能物理性能ZAMAK2ZAMAK

32、3ZAMAK5ZAMAK7ZA-8ZA-12ZA-27密度/g·cm-36.66.66.66.66.36.05.0凝固溫度/390379387381386380387381404375432377484376凝固收縮(%)1.251.171.171.171.11.251.25熱膨脹系數(shù)/ (293373)27.827.427.427.423.224.226.0熱導率/W(mK)-1(343413K)104.7113.3108.9113.0114.7116.1125.5比熱容/J·(kg·K)-1(293373K)418.7418.7418.7418.7435.44

33、48.0534.4電導率(%IACS)2527262727.728.329.7電阻率/ (20, )6.36946.5359  6.26.15.8相對于標準退火銅線電導率的百分比 表2-8 重力鑄造合金的物理性能物理性能ZA-8ZA-12ZA-27硬度(HB)100110105120110120收縮率（%）1.11.251.25密度/g·cm-36.36.05.0熱膨脹系數(shù)/ (293373)23.324.126.0比熱容/J·(kg·K)-1(293373K)435450525熱導率/W(mK)-1(293K)114.7116.11

34、25.5電導率(%IACS)27.728.329.7電阻率/ (20, )6.26.15.8熔化潛熱/kJ·kg-1112118128凝固溫度范圍/404375432377484376       表2-9  鑄造鋅鋁合金的化學成分（GB/T 11751997）      %合金牌號合金代號合金元素雜質含量（不大于）雜質總和AlCuMgZnFePbCdSn其他ZZnAl 4Cu1MgZA4-13.54.50.751.250.030.08其余0.10.0150.005

35、0.003 0.2ZZnAl 4Cu3MgZA4-33.54.32.53.20.030.06其余0.075Pb+Cd0.0090.002 ZZnAl 6Cu1ZA6-15.66.01.21.6其余0.075Pb+Cd0.0090.002Mg0.005ZZnAl 8Cu1MgZA8-18.08.80.81.30.0150.030其余0.0750.0060.0060.003Mn 0.01Cr 0.01Ni 0.01ZZnAl 9Cu2MgZA9-28.010.01.02.00.030.06其余0.20.030.020.01Si 0.10.35ZZnAl 11Cu1MgZA11-

36、110.511.50.51.20.0150.030其余0.0750.0060.0060.003Mn 0.01Cr 0.01Ni 0.01ZZnAl 11Cu5MgZA11-510.012.04.05.50.030.06其余0.20.030.020.01Si 0.050.35ZZnAl 27Cu2MgZA27-225.028.02.02.50.0100.020其余0.0750.0060.0060.003Mn 0.01Cr 0.01Ni 0.01加圖（鑄造合金及其熔煉p312 鋁鋅合金狀態(tài)圖）2-2       2.3 

37、;     壓鑄用鋅合金2.3.1   壓力鑄造的基本概念及原理壓力鑄造是將液態(tài)或半固態(tài)金屬在高壓下瞬間填充鑄型并在短時凝固成鑄件的一種方法。鑄型通常采用優(yōu)質鋼制成。壓力在幾兆到幾十兆帕范圍。充型速度在0.570ms范圍。充型時對最小件只需幾毫秒，而對大件約需半秒鐘。鑄型的溫度約150，要比金屬凝固溫度低得多，因此鑄件凝固極快。在凝固時需保持高壓以保證鑄件高的表面質量，同時也保證金屬液能充填到復雜型腔中。按照盛液室類型不同，可將壓鑄機分成熱室壓鑄機和冷室壓鑄機。在熱室壓鑄機中，沖頭及缸體浸在保溫熔化坩堝的液態(tài)金屬中。將液體射入型腔的能

38、量由液壓泵提供，工作時由保壓罐進行保壓。熱室壓鑄機工作的基本過程為：沖頭向下使液態(tài)金屬通過鵝形管噴嘴進入型腔，在金屬凝固時保壓；凝固完成后打開鑄型，沖頭返回到原始位置；鑄件被取出后，在鑄型型腔內噴撒分型劑，下一周期的工作即開始。熱室壓鑄機主要適用于3號、5號、7號及ZA8合金。熱室壓鑄一般有如下優(yōu)點，即當鑄型打開后，壓室內的液體自動補充，減少了工作時間；液體的溫度不會像冷室壓鑄那樣降低，即金屑溫度穩(wěn)定；注射壓力較低，對設備施加載荷作用低；可充填薄壁處，保證完善鑄件；液態(tài)金屬不暴露在大氣中，減少了金屬的氧化。冷室壓鑄機的壓室與保溫爐是分開的。冷室壓鑄的工作程序與熱室壓鑄基本相同，只是冷室壓鑄的液

39、態(tài)金屬被人工或自動澆包澆入壓室內。冷室壓鑄機分為立式壓鑄機和臥式壓鑄機兩種。冷室主要適用于ZA-12合金及ZA-27合金。因為這些合金的澆注溫度正好處在鋅鋁合金腐蝕沖頭及鋼模的溫度范圍。2.3.2   壓鑄鋅合金的組織結構及基本特點在壓鑄條件下，鋅合金凝固及冷卻極為迅速，導致鑄件中晶粒細小，具有很好的機械性能。鋅鑄件由表面向中心凝固，產生兩個不同的區(qū)域，一個是組織致密區(qū)，另一個是普通組織區(qū)。在距鑄件表面0.380.50mm處，組織細小而致密。這種具有致密而細小晶粒組織的部位具有優(yōu)越的機械性能，因此這種薄層處單位面積的性能要比其它部位大得多。壓力鑄造生產鋅合金鑄件的特點是生產

40、效率高、產品質量好以及經(jīng)濟效益好，因而可廣泛用于汽車、拖拉機、電器儀表、醫(yī)療器械、日用五金等零部件的制造上。目前，鋅合金鑄件的外形最大尺寸達400mm，最小尺寸可達0.3mm。鑄件的最小孔為0.7mm，最大平均壁厚為10mm，最小平均壁厚為0.3mm。但是這種方法也有一些缺點，如一次性投資較高，模具壽命較低等。壓鑄鋅合金的優(yōu)點是：熔點低，可延長壓鑄壽命；不易粘膜；鑄造工藝好，可形成各種復雜、薄壁鑄件；具有良好的電鍍性；具有良好的常溫使用性能。此外壓鑄鋅合金也有與重力鑄造鋅合金一樣的缺點：密度大；易老化；抗蝕性差，易產生晶間腐蝕。壓鑄鋅合金的物理性能如表2-10所示。 表2-10 壓鑄

41、鋅合金的物理性能鋅合金密度/g·cm-3膨脹系數(shù)/ (293373)比熱容/J·(kg·K)-1(293373K)熱導率/W(mK)-1(293337K)液相線溫度/固相線溫度/凝固收縮率（%）YZZnAl46.627.40.10113.043873811.17YZZnAl4Cu16.727.40.10108.853863801.172.3.3   摻雜元素在壓鑄鋅合金中的作用為了提高壓鑄鋅合金的某些物理性能和組織結構，可以在鋅合金中加入少量的其它元素以改善壓鑄鋅合金的性能。這些金屬或非金屬元素能和鋅形成化合物或固溶體，從而實現(xiàn)強化的作用。壓鑄

42、鋅和鋅鋁合金中主要元素有Al，Cu和Mg;雜質元素有Fe，Pb，Sb，Sn和Cd等。Al以-Al固溶體形式形成初生枝晶和共晶相，少量Al固溶于-Zn固溶體中，可以細化晶粒，提高合金的強度，并能改善合金液的流動性，減弱合金的氧化傾向。近共晶成分的鋅合金具有較高的抗拉強度、硬度和沖擊韌度。當鋁的含量為45%時，提高強度的作用較為明顯，超過5%時，則鋁的強化作用很小，故鋅合金的含鋁量一般不超過5%。在高鋁鋅基合金中隨Al量的增加，強度和硬度提高，ZA-27合金強度最高。Cu除了部分固溶于相和相外，主要形成(CuZn4)相。Cu對亞穩(wěn)相的轉變起到抑制作用，提高強度、硬度、耐磨性、耐蝕性和合金液的流動性

43、。但含銅量以不超過1%為宜，因為過高可使老化現(xiàn)象加重。Cu使鑄件尺寸不穩(wěn)定。Mg固溶于相和亞穩(wěn)相中，抑制相轉變。Mg能提高合金的強度和硬度，減小晶間腐蝕，使組織穩(wěn)定。但較高的Mg量會顯著降低塑韌度，增大熱裂和冷裂傾向性，Mg的質量分數(shù)規(guī)定為0.01%0.06%。Sb化合物相形成時消耗了合金中部分Al，從而使相的數(shù)量減少。并且Sb促使Zn-Al合金中的一部分相在凝固過程中發(fā)生了轉變，在進行四相轉變時，由于減少了反應相相的數(shù)量，從而使生成相的數(shù)量減少，由此減少了由四相反應造成合金體積的膨脹。在鋅合金中添加適量的銻元素能明顯提高材料的強韌性和耐磨性。Sb在鋅合金中形成條塊狀Sb、Al、Zn化合物，具

44、有鈍化枝晶、細化合金組織的作用。Sb提高了鑄件的尺寸穩(wěn)定性。Sb加入后使合金組織均勻、枝晶鈍化，促使合金中的雜質脆性相彌散分布，提高合金的致密性。Sb的上述這些作用都有利于提高合金的力學性能和耐磨性能。但是，當Sb量較多時，化合物中Sb的比例增加，化合物的脆性可能加大，同時，合金中Sb化合物的數(shù)量和尺寸也隨之增加，從而對合金基體起割裂、脆化的作用。因此，Sb量過高時，Zn-Al合金的硬度增加，而強度和塑性降低。銻對ZA27合金強度、伸長率、沖擊韌性、硬度和磨損性能的影響分別見圖2-3、圖2-4、圖2-5及表2-11。圖2-3  銻對ZA27合金強度和伸長率的影響 圖2-4

45、銻對ZA27合金沖擊韌性和硬度的影響 圖2-5 銻對ZA27合金摩擦磨損性能的影響 表2-11 不同合金的摩擦磨損性能合金磨痕寬度/mm摩擦系數(shù)摩擦面溫度/ZA272.160.04726ZA27+Sb1.490.05228ZcuSn6Zn6Pb32.340.06229 ZA合金中加入少量的Mn或Si，提高合金的耐磨性和耐熱性。Mn固溶于基體和形成富Mn相，抑制相轉變，提高強度和硬度。富Mn相的存在，降低合金的伸長率。熱處理使富Mn相分解并在基體內彌散析出，使Mn強化效果更顯著，并且提高高溫力學性能。ZA27合金經(jīng)RE變質，組織明顯細化，共晶相增加，相變小且分布均勻

46、，不僅提高力學性能和耐磨性，而且提高阻尼性能，尤其是頻率高于70Hz時強迫振動衰減效果更明顯。鋅和鋅鋁合金對雜質的敏感性強。Fe形成FeAl3和FeZn7相，降低流動性，產生的硬質點降低加工性能并使電鍍困難。Pb呈細小粒狀或表面膜分布于晶界和枝晶間，引起晶間腐蝕。Sn與Zn形成低熔點共晶體，導致熱脆性，引起晶間腐蝕，降低韌度。Cd存在于固溶體中，引起熱脆性，降低耐腐蝕性。為了改善鋅鋁合金的高溫性能，提高使用工作溫度，可采用含更高Al的鋅鋁合金，如ZA-35，ZA-43等。稀土對鋅合金的作用是：一是稀土元素在合金中的偏聚，影響合金的組織轉變及晶粒大?。欢呛湍承┖辖鹪匦纬傻诙?，改善合金的某些

47、性能；三是抑制有害元素的作用。稀土元素與鋅鋁合金中的Al及其他合金能發(fā)生微合金化作用。因此，ZA27合金中加入適量稀土元素，可以提高合金在常溫和高溫下的機械性能和物理性能。2.3.4   壓力鑄造的基本設備(1)  壓鑄機壓鑄機一般分為兩類，一類是熱壓室壓鑄機，一類是冷壓室壓鑄機。    熱壓室壓鑄機一般與合金熔化爐連接在一起，有的是壓室浸于熔化的液態(tài)金屬中，用杠桿機構或壓縮空氣產生壓力。熱室壓鑄機按合型力的大小可有630kN、1000 kN、1600kN、2500kN、4000kN和6300kN六種。熱室壓鑄機的特點是：壓鑄過程全自

48、動，生產率較高；壓射比壓較低；金屬液從液面下進入型腔，雜質不易卷入。    冷壓室壓鑄機的壓室是相對獨立的，與熔化爐無直接連接。每次壓鑄時，需用鐵勺將定量的液體金屬從熔化爐中取出，澆入壓室。冷壓室壓鑄機分臥式、立式及全立式。臥式的特點是：設置有中心和偏心澆道位置；操作程序少，以實現(xiàn)自動化；金屬液進入型腔的轉折少，壓力損耗??；采用中心澆道時，模具結構較為復雜；金屬液在壓室中與空氣的接觸面積大，易帶入氣體或氧化夾渣。臥式壓鑄機按合型力的大小可有630kN、1000kN、1600kN、2500kN、4000kN、6300kN、8000kN、10000kN、12500kN

49、、16000kN、20000kN及25000kN十二種。立式壓鑄機的特點是：易于設計中心澆道；設備占地面積?。唤饘僖哼M入型腔轉折多，壓力損耗大。全立式壓鑄機的占地面積也較小，金屬液計入型腔的轉折少，壓力損耗也相應的小。立式冷室壓鑄機與熱室壓鑄機一樣，也有六種形式。  (2) 壓鑄模壓鑄模由定模系統(tǒng)、動模系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、抽芯系統(tǒng)、頂出機構、導向零件、模架部分、冷卻部分、安全裝置、澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)及吊裝機構組成。定模與機器的壓射部分相連接并固定在機器的定模安裝板上，使金屬液開始進入模具的部分，也是壓鑄模的型腔部分之一。動模部分固定于機器的移動板上，隨動模板合攏與開啟而移動。一般抽芯和脫

50、模機構皆安裝在此部分。成型部分是構成鑄件的部分，包括鑲塊、型芯和活動型芯等，分別放置在定模和動模內。構成鑄件外形的部分叫型腔，構成鑄件內部形狀的叫型芯。抽芯部分是帶動活動成型部分的機構，以完成抽拔動作。頂出機構是將鑄件從模具中取出的機構。導向機構的作用是將模具各活動部分開啟和合攏時保證按著一定的方向動作。模架部分的作用是將模具各部分按一定位置組合固定，它包括模板、支座等。冷卻部分的作用是調節(jié)模具溫度。安全裝置的作用是防止在工作時金屬液從分型面射出。排溢部分包括排氣和集渣槽等。壓鑄的澆注系統(tǒng)是由直澆道、橫澆道、內澆口、集渣槽及排氣槽組成。從排氣的角度看，內澆口應設置在使金屬進入型腔后不立即封閉排

51、氣系統(tǒng)的位置，在內澆口導入金屬液時，使難于排氣的地方先流入金屬液，盡量采用單個內澆口，防止多個內澆口存在時將氣體抱在液體中。內澆口的厚度對金屬液的流速及流態(tài)有直接的影響。內澆口的厚度可以通過公式來計算。經(jīng)驗的鋅合金的內澆口厚度見表2-11。 表2-11  鋅合金的內澆口厚度鑄件壁厚/mm0.81.51.53.03.06.0簡單復雜簡單復雜簡單復雜內澆口厚度/mm0.50.40.80.81.50.60.121.52.51.22.0 內澆口的截面f可按公式2.1計算：        

52、60;        （公式2.1）式中V為壓鑄件的容積（cm3）；u為內澆口的流動速度（m/s）；t為填充型腔的時間（s）。 直澆道是指由澆口套開始到橫澆道為止的部分，其尺寸會影響液態(tài)金屬的流動速度及填充時間。橫澆道截面積的大小應在滿足壓力傳遞良好和填充時間合理的要求下確定，同時要求橫澆道對液態(tài)金屬流動的阻力要小，并且橫澆道的界面不能有突然縮小或增大的現(xiàn)象。橫澆道的厚度根據(jù)鑄件的大小和復雜程度而定，對小件取46mm，對中大件取810mm。橫澆道長度對金屬液流起平穩(wěn)作用，橫澆道過短，會出現(xiàn)金屬液沖擊及飛濺現(xiàn)象；橫澆道過長，會

53、導致金屬液溫度降低。因此，依據(jù)經(jīng)驗，對中小鑄件而言，橫澆道長度一般取30mm左右。鋅合金鑄件用模的排氣道尺寸見表2-12。 表2-12 鋅合金鑄件用模的排氣道尺寸 深度寬度與型腔連通的正常排氣道的長度排氣道尺寸/mm0.050.155202030 抽芯機構按驅動動力來分有手動、機動、液壓或氣壓等類型。頂芯機構也稱為脫模機構，其設置原則是：盡可能避免鑄件被頂部位受彎曲應力、切應力及拉應力的作用；頂出部位應設置在最靠近鑄件被包緊的部位；應避免損傷鑄件外形，設置在使鑄件受影響最小的部位。鋅合金的許用頂壓力為400MPa。2.3.5   鋅合金壓鑄的工

54、藝參數(shù)(1) 壓力參數(shù)  壓射力可用壓射壓力和壓射比壓來表示。壓射壓力的計算可以分為兩種情況，一種是壓鑄機有增壓機構的情況，一種是無增壓機構的情況。  有增壓機構的壓射壓力py按公式2.2計算：                                 

55、 (公式2.2)式中pf為增壓后壓射型腔內工作液壓力（MPa）；D為壓射缸直徑（mm）。無增壓機構的壓射壓力pw可以按公式2.3計算：                              （公式2.3）式中pg為壓射缸內工作液壓力（MPa）；D為壓射缸直徑（mm）。  &#

56、160; 壓射比壓是壓射時，壓室內金屬液在單位面積上所受到的壓力。鋅合金的計算壓射比壓見表2-13。 表2-13  鋅合金的計算壓射比壓鑄件壁厚/mm3>3結構簡單結構復雜結構簡單結構復雜壓射比壓/MPa30405060 (2) 速度參數(shù)   在壓室內壓射沖頭推動金屬液移動的速度成為壓射速度。壓射速度分低速壓射速度和高速壓射速度兩個階段。低速壓射速度可根據(jù)澆注到壓室內的金數(shù)量多少而定，而鋅合金的高速壓射速度可按表2-14來選擇。 表2-14  鋅合金的高速壓射速度鑄件結構特點簡單厚壁件一般鑄件復雜薄壁件壓射速度/m&#

57、183;s-11015151520 (3) 溫度參數(shù)   溫度參數(shù)有澆注溫度和壓鑄模預熱溫度兩種。鋅合金的澆注溫度可根據(jù)鑄件的壁厚和鑄件的復雜程度而定，如表2-15所示。鋅合金的壓鑄模的工作溫度見表2-16。 表2-15  鋅合金的澆注溫度鑄件壁厚/mm3>3結構簡單結構復雜結構簡單結構復雜澆注溫度/420440430450410430420440 表2-16  鋅合金壓鑄模的工作溫度鑄件壁厚/mm3>3結構簡單結構復雜結構簡單結構復雜預熱溫度/130180150180110140120150持續(xù)工作溫度/180

58、200190220140170150200 (4) 時間參數(shù)  金屬也充滿型腔后，在壓力作用下使鑄件完全凝固的時間成為持壓時間。從持壓結束到開摸頂出鑄件為止的時間為留模時間。鋅合金的持壓時間見表2-17，而留模時間見表2-18。 表2-17 鋅合金的持壓時間壁厚/mm<2.52.56持壓時間/s1237 表2-18 鋅合金的留模時間壁厚/mm<335>5留模時間/s5107122025 (5) 壓鑄用涂料  涂料的作用是避免液態(tài)金屬對壓鑄模的直接沖刷、降低壓鑄模的導熱性以利于合金液的充型以及對壓鑄?；顒硬糠制饾櫥饔?。因而涂料應滿足如下要求：高溫時具有良好的潤滑性；對壓鑄模和壓鑄件材料沒有腐蝕性；高溫不析出，也不分解出有害氣體，同時也不殘留污物，一般采用30#和40#的錠子油作為壓鑄鋅合金的潤滑劑?？梢园凑昭趸\：水玻璃：水=5：1.2：93.8的比例配置涂料用于鋅合金鑄件。(6) 壓鑄模零件常用材料  壓鑄模零件常用材料選擇的原則是耐高溫、