铸造锌合金材料介绍

铸造锌合金材料介绍2011-04-0808:37:43|分类：生产技术|举报|字号订阅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30相对原子量65.37原子价2晶体结构密排六方a=0.2664nmc=0.49469nmc/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）96汽态（697.7K）61汽态（1023K）57弹性模量/Mpa(短期内承载)71042.1.3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ZZnAl4Cu1MgZA4-1AG41AЦAM4-1GD-ZnAl4Cu1BS1004BZDC1ZZnAl4Cu3MgZA4-3--G-ZnAl4Cu3GK-ZnAl4Cu1--ZZnAl6Cu1ZA6-1--G-ZnAl6Cu1GK-ZnAl6Cu3--ZZnAl8Cu1MgZA8-1ZA8ЦAM9-1.5---ZZnAl9CuZA9-2-----2MgZZnAl11Cu1MgZA11-1ZA11----ZZnAl11Cu5MgZA11-5-ЦAM10-5---ZZnAl27Cu2MgZA27-2ZA27----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。2.2Zn-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/HBAl6602510面心立方2.72.664570.540202.2.2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