锌合金的特性、分类和应用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-1～图6-4为锌合金的典型应用零件。大部分锌合金五金零部件都是通过压铸方法成形的。铜的不利作用是促进锌合金中β相的分解，从而加速锌合金的“老化过程”。Mg量过高，降低合金的塑性、韧性及蠕变强度，增加合金的热裂、冷裂敏感性。锌合金中的Mg量尽管低，但却十分重要，因为Mg还能防止晶间腐蚀发生。所以高铝锌基合金的铝含量一般选择在12%、27%左右，或结晶温度间隔较小的8%左右。

锌的密度为7.133g/cm³，熔点为420℃，沸点为911℃。锌与Al、Cu、Mg等组成的锌合金有良好的熔铸性能，合金熔点低[（370～500）℃]，铸造性能（流动性）优良，熔炼时不易吸收气体，同时铸件尺寸精度高，表面粗糙度低，所以压铸锌基合金（通常w_Al>5%）自1930年以来就已经在工业部门获得广泛应用，并且随着工业的现代化，得到迅速发展。

纯锌强度、塑性都较低，是一种硬而脆的金属，所以在砂型等重力铸造条件下，Al含量较低的锌合金性能不高。为了充分发挥锌合金的优良特性，近十多年来，通过多元合金化方法和采用金属型、压铸等特种铸造方法研制出一系列性能优良的高铝锌基合金（w_Al=18%～27%）。这类合金具有较高的力学强度、优良的湿摩擦性能，可代替锡青铜、锡基和铅基铸造轴承合金制造轴承材料、机床导轨等。锌基合金有出色的力学性能、铸造性能和光洁的表面，耐磨性也较高。与铸铁相比，高铝锌基合金的成本要低20%以上，与锡青铜（如5-5-5锡青铜）相比，成本仅为其1/7，所以是一种价廉、质优、节能的新型材料，有着广阔的应用前景。图6-1～图6-4为锌合金的典型应用零件。大部分锌合金五金零部件都是通过压铸方法成形的。

下面分别介绍压铸用锌合金和高铝锌基合金的性能和应用。

图6-1 锌合金饰品手链

图6-2 锌合金五金配件

1.Zn-Al合金及其合金化

（1）Zn-Al二元合金

压铸锌合金和高铝锌基合金都是以Zn-Al为主加其他元素的多元合金。根据相图可知，Zn-Al合金包括了一个共晶反应和一个共析反应，共晶点在5%Al处。

图6-3 锌合金拉手

图6-4 锌合金外壳

在w_Al<5%时，合金的室温组织应为η+（η+β′）共晶；

在w_Al>5%时，合金组织为β′+（η+β′）共晶。

实际铸造过程中，由于冷速较快，共析转变β→η+β′不易发生，所以常温组织仍是β相。但是β相又是一种不稳定相，随着时间的迁移，它将会逐步分解为富Al的β′相和含Al低的η相，并在这个转变过程中，伴随着体积膨胀，称为锌合金的“老化”。这种“老化”在合金中造成很大的内应力，使合金变脆，是一种需要注意的铸造缺陷。

Al是锌基合金的主要合金元素，它能固溶于锌中，提高合金的强度和塑性，减轻合金的氧化能力，提高耐蚀性。在过共晶成分范围（w_Al>5%）内，随着Al含量增加，R_m有两次增加的倾向，第一次是w_Al＜22%时（共析点），另一次是w_Al=27%时。之所以如此，主要与铝量增加形成的初生β相呈等轴枝晶，使晶粒细化有关。而在过共晶其他范围，初生β枝晶一次分枝长度增加，于性能不利。所以高铝锌基合金的铝含量一般选择在12%、27%（质量分数）左右，或结晶温度间隔较小的8%左右。压铸锌基合金，由于金属型压铸过程能大幅度提高力学性能，所以成分选择在铸造性能最好的共晶成分（w_Al=5%）。

（2）Zn-Al合金的合金化

Cu：Zn-Al合金加入Cu，除少量固溶于η、β外，还能形成以CuZn₃化合物为基的ε相固溶体，从而使合金强化，提高了力学性能。CuZn₃化合物质点较硬，它均匀分布在锌基合金中的η、β软基底内，形成一种优良的耐磨结构，所以，铜含量较高的高铝锌基合金（w_Cu=0.75%～2.2%）具有良好的耐磨性。铜的不利作用是促进锌合金中β相的分解，从而加速锌合金的“老化过程”。含铜量越高，这个“老化过程”越显著。

Mg：Mg在Zn-Al合金中的溶解度不大，在共析成分的Zn-Al合金中（w_Al=22%）275℃时的溶解度仅为0.025%，但Mg同样能起到固溶强化、提高强度和硬度的作用。高强度铸造锌合金Mg的质量分数不宜超过0.02%～0.03%（大体上是固溶强化的极限）。Mg量过高，降低合金的塑性、韧性及蠕变强度，增加合金的热裂、冷裂敏感性。锌合金中的Mg量尽管低，但却十分重要，因为Mg还能防止晶间腐蚀发生。另外，Mg可降低Zn-Al合金的共析转变温度，抑制β相的分解，防止合金老化。

图6-5所示为ZA4-3锌合金的铸态显微组织。合金名义成分如下：w_Al=3.5%～4.5%，w_Cu=2.5%～3.2%，w_Mg=0.03%～0.06%，其余为Zn。图中白色树枝晶为初晶Zn基固溶体η。合金凝固过程中发生L→η+β+CuZn₃共晶反应。黑色部分为共晶混合物。铸态相组成为η+β+CuZn₃化合物。

图6-5 ZA4-3锌合金的铸态显微组织（铁型）

2.压铸用锌基合金

我国压铸锌合金牌号、化学成分与及杂质含量见表6-1。

表6-1 压铸锌合金牌号、化学成分及杂质含量（摘自GB/T 13818—2009）

注：YZZnAl4B中w_Ni=0.005～0.020。

由表6-1可知，上述合金成分许多在共晶点左右，熔点低，所以锌合金的压铸性能比铝合金好，表现在：结晶温度范围小，不易产生疏松；流动性好，易于成形；熔化及浇注温度低，熔炼方便，模具寿命长；力学性能高。因此，在压铸的发展历史中，锌合金的压铸占有相当重要的地位。

但锌合金在自然时效中会出现“老化现象”，降低强度和塑性，为了增大尺寸稳定性，常采用90℃，约5h的时效处理。

3.高铝锌基合金

普通压铸用锌基合金w_Al＜4.5%，高铝锌基合金w_Al=8.0%～28.0%，其性能见表6-2。表中仅列出了三种典型的高铝锌基合金牌号：ZZnAl11Cu1Mg（代号ZA11-1）、ZZnAl27Cu2Mg（代号ZA27-2）、ZZnAl8Cu1Mg（代号ZA8-1）。

表6-2 高铝锌基合金的性能（砂型铸造）

从表6-2中可见，除了伸长率尚嫌较低外，高铝锌基合金的力学性能及铸造性能明显优于其他合金。尤其是这类合金具有良好的耐磨组织结构，成本低，使它有可能代替青铜等传统耐磨材料。

三种高铝锌基合金都是过共晶成分，组织由β+η+ε组成，主要用于重力铸造（砂型、金属型、石墨砂），也可用于压铸。由于Al含量不同，性能和用途也有所不同。ZA27-2、ZA11-1合金Al含量高，β相相对较多，所以力学性能高，同时这两种合金的耐磨性和自润滑性较好，是目前耐磨材料中应用最多的高铝锌基合金。但是，ZA27-2、ZA11-1合金由于结晶温度范围大，加上Zn、Al密度相差也较大，所以易于产生分散缩孔、枝晶偏析以及比重偏析，而ZA8-1合金则要好些，铸造性能优于前者。

高铝锌基合金存在的主要问题是工作温度不高和老化问题，同时需要进一步提高它的力学性能和耐磨性。

锌合金的特性、分类和应用

相关推荐