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(jié)構(gòu)，因此室溫下鋅通常形成六面體晶體，在斷裂面出現(xiàn)結(jié)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(jié)合力要比層間強。這就是鋅各向異性的根源所在。鋅晶體學(xué)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(jié)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(jié)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(jié)晶會使加工造成的應(yīng)力得到松弛。由于鋅的恢復(fù)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(chǎn)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(shè)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(dāng)硬（如在水中淬火）。商品鋅因含有雜質(zhì)，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(zhì)和溫度有關(guān)。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(xì)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(fù)其延展性。金屬鋅的臨界剪切應(yīng)力較低，它取決于應(yīng)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(yīng)力不超過0.0785MNm-2。隨著溫度的升高，鋅的熱導(dǎo)率下降，而比熱容增高。單晶金屬

5、鋅的熱導(dǎo)率比多晶金屬鋅高。熱導(dǎo)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(yīng)力。含有雜質(zhì)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(dāng)鋅試樣的兩個端部置于不同溫度時，試樣內(nèi)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(yán)重時可發(fā)生開裂。鋅合金的這種現(xiàn)象通常認(rèn)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(yīng)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(chǎn)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(dá)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(jié)構(gòu)        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(biāo)準(zhǔn)電極（對H2電極）/V-0.762熱導(dǎo)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)（GB3062-1982、GB1175-1974）已不適應(yīng)鑄造鋅合金發(fā)展的需要，全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，新修訂的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1175-1997、GB/T13818-1992）參考了美國和德國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。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(xí)慣和應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(guān)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(chǎn)的。這類鋅合金已形成了國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(yīng)用。超塑性鋅合金的抗拉強度可以超過銅、鋁合金，甚至達(dá)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(jié)構(gòu)材料。模具鋅合金，該合金在日本、西歐成功地應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，

15、日本還制定了該合金的國家標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)鋅合金,主要用來制造結(jié)構(gòu)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(yīng)用目前工業(yè)生產(chǎn)用鑄造鋅合金各國均形成了自己的標(biāo)準(zhǔn)，比較規(guī)范化。鑄造鋅合金錠主要用于鑄造廠生產(chǎn)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(chǎn)品的品種減少，但產(chǎn)量增加。產(chǎn)品單一，主要是低檔的電池鋅餅。上世紀(jì)八九十年代，我國的鋅加工產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)品外，鋅加工工業(yè)產(chǎn)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(shè)備落后，產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量已達(dá)到國際先進(jìn)水平，但出口的鋅基本是初級產(chǎn)品或低檔普通產(chǎn)品，進(jìn)口多為高、精、尖

17、、技術(shù)含量高的產(chǎn)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(chǔ)上，重視高新產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)，采用世界上先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)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(dǎo)電性，當(dāng)截面積和長度相同時鋁的導(dǎo)電性為銅的64%，而在重量相同時為銅的200%；良好的導(dǎo)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(zhì)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(xué)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(xué)性能性能熔點/沸點/晶體結(jié)構(gòu)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(xué)性能、耐磨耐蝕性能、密度較低、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)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(chǎn)生火花、減振降噪性能和較低的成本，正越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)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(xué)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(yīng)用的合金材料。它可用作壓鑄合金和耐磨合金，應(yīng)用于機電產(chǎn)品(包括汽車、精密機械、儀表、風(fēng)機、家電及通用電器等)，還可作為功能性結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用(如減振器、消聲器)，目前這種合金仍在擴大應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)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(chǎn)中不會產(chǎn)生任何有毒的合金污染物或廢料。生產(chǎn)每噸鋅鑄件的耗電約為130度，生產(chǎn)每噸銅鑄件的耗電約為320度，生產(chǎn)每噸鋁鑄件的耗電約為400度，生產(chǎn)每噸鋼鑄件的耗電約為500度，可見鋅生產(chǎn)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(chǎn)成本僅為銅合金的三分之一。(3) 生產(chǎn)周期短  鋅金屬熔化潛熱比鋁低，傳導(dǎo)到模具上的熱量較少，因而導(dǎo)

21、致了鑄造周期變短。(4) 機加工性能好  可進(jìn)行粗、精車，精車零件的光潔度高，呈光亮的銀白色，也可以進(jìn)行研磨加工。(5) 優(yōu)越的表面質(zhì)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(dǎo)電導(dǎo)熱性  鋅鑄造合金通常在導(dǎo)電導(dǎo)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(dǎo)電導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)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(xué)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(xì)化鑄件晶粒結(jié)構(gòu)并因此提高力學(xué)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(dá)85%(所以以鋁為基的固熔體可達(dá)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(jié)構(gòu)而多鋅(2)和少鋅(1)的固熔體。與Zn-Al相圖(見圖2-l)相對應(yīng)，固熔體在275發(fā)生偏析轉(zhuǎn)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(dāng)快速冷卻時，偏析轉(zhuǎn)變可能不進(jìn)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(dǎo)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(yīng)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(chǎn)生固溶強化，并阻礙共析

24、轉(zhuǎn)變，但過量的銅使鑄件尺寸不穩(wěn)定。稀土和鈦都可以細(xì)化晶粒，使樹枝晶向細(xì)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(dāng)稀土含量大于0.10%、鈦含量大于0.15%時，會析出硬質(zhì)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(yīng)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(yīng)用。目前這種合金仍在擴大應(yīng)用領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)率(%IACS)2527262727.728.329.7電阻率/ (20, )6.36946.5359  6.26.15.8相對于標(biāo)準(zhǔn)退火銅線電導(dǎo)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(dǎo)率/W(mK)-1(293K)114.7116.11

34、25.5電導(dǎo)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(xué)成分（GB/T 11751997）      %合金牌號合金代號合金元素雜質(zhì)含量（不大于）雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)量，同時也保證金屬液能充填到復(fù)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(jìn)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(jìn)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(nèi)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(dāng)鑄型打開后，壓室內(nèi)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(shè)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(nèi)。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(jié)構(gòu)及基本特點在壓鑄條件下，鋅合金凝固及冷卻極為迅速，導(dǎo)致鑄件中晶粒細(xì)小，具有很好的機械性能。鋅鑄件由表面向中心凝固，產(chǎn)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(xì)小而致密。這種具有致密而細(xì)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(chǎn)鋅合金鑄件的特點是生產(chǎn)

40、效率高、產(chǎn)品質(zhì)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(dá)400mm，最小尺寸可達(dá)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(fù)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(chǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(xì)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量分?jǐn)?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(zhuǎn)變，在進(jìn)行四相轉(zhuǎn)變時，由于減少了反應(yīng)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(yīng)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(xì)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(zhì)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(xué)性能和耐磨性能。但是，當(dāng)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(zhuǎn)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(nèi)彌散析出，使Mn強化效果更顯著，并且提高高溫力學(xué)性能。ZA27合金經(jīng)RE變質(zhì)，組織明顯細(xì)化，共晶相增加，相變小且分布均勻

46、，不僅提高力學(xué)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(zhì)的敏感性強。Fe形成FeAl3和FeZn7相，降低流動性，產(chǎn)生的硬質(zhì)點降低加工性能并使電鍍困難。Pb呈細(xì)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(dǎo)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(zhuǎn)變及晶粒大小；二是和某些合金元素形成第二相，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(shè)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(gòu)或壓縮空氣產(chǎn)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(chǎn)率較高；壓射比壓較低；金屬液從液面下進(jìn)入型腔，雜質(zhì)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(shè)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(jìn)入型腔的轉(zhuǎn)折少，壓力損耗??；采用中心澆道時，模具結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shè)計中心澆道；設(shè)備占地面積??；金屬液進(jìn)入型腔轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折少，壓力損耗也相應(yīng)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(gòu)、導(dǎo)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(gòu)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(jìn)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(gòu)皆安裝在此部分。成型部分是構(gòu)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(nèi)。構(gòu)成鑄件外形的部分叫型腔，構(gòu)成鑄件內(nèi)部形狀的叫型芯。抽芯部分是帶動活動成型部分的機構(gòu)，以完成抽拔動作。頂出機構(gòu)是將鑄件從模具中取出的機構(gòu)。導(dǎo)向機構(gòu)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(diào)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(nèi)澆口、集渣槽及排氣槽組成。從排氣的角度看，內(nèi)澆口應(yīng)設(shè)置在使金屬進(jìn)入型腔后不立即封閉排

51、氣系統(tǒng)的位置，在內(nèi)澆口導(dǎo)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(nèi)澆口，防止多個內(nèi)澆口存在時將氣體抱在液體中。內(nèi)澆口的厚度對金屬液的流速及流態(tài)有直接的影響。內(nèi)澆口的厚度可以通過公式來計算。經(jīng)驗的鋅合金的內(nèi)澆口厚度見表2-11。 表2-11  鋅合金的內(nèi)澆口厚度鑄件壁厚/mm0.81.51.53.03.06.0簡單復(fù)雜簡單復(fù)雜簡單復(fù)雜內(nèi)澆口厚度/mm0.50.40.80.81.50.60.121.52.51.22.0 內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(fù)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(dǎo)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(gòu)按驅(qū)動動力來分有手動、機動、液壓或氣壓等類型。頂芯機構(gòu)也稱為脫模機構(gòu)，其設(shè)置原則是：盡可能避免鑄件被頂部位受彎曲應(yīng)力、切應(yīng)力及拉應(yīng)力的作用；頂出部位應(yīng)設(shè)置在最靠近鑄件被包緊的部位；應(yīng)避免損傷鑄件外形，設(shè)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(gòu)的情況，一種是無增壓機構(gòu)的情況。  有增壓機構(gòu)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(nèi)工作液壓力（MPa）；D為壓射缸直徑（mm）。無增壓機構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜壓射比壓/MPa30405060 (2) 速度參數(shù)   在壓室內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)特點簡單厚壁件一般鑄件復(fù)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(yù)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(fù)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(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜預(yù)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(jié)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(dǎo)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(yīng)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、