锌合金制备

四、锌合金的熔炼
• 锌合金的熔化不仅是获得熔融的金属液，更重要 的是得到化学成分符合规定，能使铸件得到良好 的结晶组织以及气体、夹杂物都很小的金属液。 • 在熔炼过程中，金属与气体的相互作用和金属液 与坩埚的相互作用使组分发生变化，产生夹杂物 和吸气。 • 锌合金的熔炼温度低，熔炼铝合金的各种熔炼设 备均可用于熔炼锌合金，使用寿命也较长；铅和 锡严重降低锌合金的耐蚀性，故应与熔炼铜合金 的坩埚严格分开，ZA系列合金易渗铁，用铸铁坩 埚时，应和熔炼工具一起刷好涂料。
• ZA系列合金的变质处理： • ZA系列合金的含铝量高，初晶是α固溶体，和铝 合金一样，加入钛、硼后同样能细化晶粒，提高 力学性能。 • ZA27中加入铈0.1%，强度、塑性均出现峰值， 晶粒尺寸，枝晶间距、枝晶体积分数均变小，还 能减轻铝，尤其是铜分可分为四类: Zn-Al系、Zn-Cu系、Zn-Pb系和 Zn-Pb-Al系。 • Zn-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-Cu-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-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-Pb-Al系合金用于镀锌行业。 • 锌合金按加工方式分三类：铸造锌合金、变形锌合金和热镀 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：轧制锌合金板、带、箔，挤压锌合 金替代黄铜棒，拉拔线丝用作热喷涂金属线、焊接用焊料、 焊，以及制钉、螺丝、网等。
• 按性能和用途分类： • 抗蠕变锌合金：Zn-Cu-Ti合金，可变形生产零件，也可以 直接压铸。 • 超塑性锌合金：Zn-Al二元合金，在一定的组织和变形条件 下，呈现极高的延伸率。抗拉强度可超过铜、铝合金甚至 软钢。 • 阻尼锌合金：也叫减震锌合金，也是一种Zn-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。 • 耐磨锌合金：主要用作轴承材料，磨擦系数低，对油亲合。 • 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：制造结构零件，一般为Zn-Cu-Ti合金和Zn-Al 合金。
补充：锌合金制备技术
一、锌的性质
• 锌以硫化矿物和氧化矿物形式存在。硫化矿物中锌以闪锌矿 形式存在，在氧化矿中菱锌矿和异极矿形式存在。现代炼锌 工业绝大部分用硫化矿物。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。 • 锌是具金属光泽的银白色金属。锌的密度7.133，熔点 419.5℃，沸点907℃。纯锌的强度、塑性都较差。锌的电 化学次序在铬、铁之前，标准电极电位为-0.763V，在空气、 各种酸类及海水等介质中易被腐蚀，因而纯锌、Zn-Al-Cd 合金可用钢质船舶或钢铁大型设备的牺牲阳极，以保护船舶、 大型设备。 • 高温条件下锌原子在晶格中易动性及纯锌在室温条件下变形 后的再结晶。因此其蠕变抗力或承受变形能力较小，不能用 作工程材料。加入合金元素如Ti及Cu等，蠕变抗力会增加 许多倍。
• 压铸机熔锅或熔炉都配备温度测控系统，并定期用 便携式测温器（温度表）实测熔炉实际温度，予以 校正。有经验的压铸工会用肉眼观察熔液，若刮渣 后觉得熔液不太粘稠，也较清亮，起渣不是很快， 说明温度合适；熔液过于粘稠，则说明温度偏低； 刮渣后液面很快泛出一层白霜，起渣过快，说明温 度偏高，应及时调整。 • 最佳方法是采用中央熔炼炉，压铸机熔炉作保温炉， 从而避免在锌锅中直接加锌锭熔化时造成大幅度温 度变化。集中熔炼能保证合金成分稳定。或者采用 先进的金属液自动送料系统，能够保持稳定的供料 速度、合金液的温度及锌锅液面高度。如果是在锌 锅中直接加料，可将一次加入整条合金锭改为多次 加入小块合金锭，可减少因加料引起的温度变化幅 度。
• (3)不要过于频繁的扒渣。当熔融的合金暴露于空气中都会 发生氧化，形成浮渣，保留炉面一层薄的浮渣有利于锅中液 体不进一步氧化。 (4)扒渣时，使用一个多孔（Ф6 mm）盘形扒渣耙，轻轻从 浮渣下面刮过，尽可能避免合金液搅动，将刮出的渣盛起， 扒渣耙在锌锅边轻轻磕打，使金属液流回锌锅中。 • (5)电镀废料中含铜、镍、铬等金属是不溶于锌的，留在锌 合金中会以坚硬的颗粒物存在，带来抛光和机加工的困难, 避免和水口直接放入压铸机锌锅内重熔回炉再压铸。 (6)水口料表面在压铸成形过程中发生氧化，其氧化锌的含 量远远超过原始合金锭，当这些水口料在锌锅中重熔时，由 于氧化锌在高温条件下呈粘稠状态，将其从锌锅取出时，会 带走大量的合金成分。
• 铸造锌合金适用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。 • 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，使铸件变脆，并发生变形、膨胀，严重时可 发生开裂，主要是晶间腐蚀引起。因此提高锌合金的抗老 化能力就成了研究、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。 • 锌合金有一定的强度，足够的硬度，熔点低，流动性好， 广泛用作压铸合金，压铸件尺寸精度高，电镀性能好。 锌合金的耐磨性好，可砂型铸造大中型轴承、轴套等。
• 压铸用的锌合金熔点为382 ~ 386℃，为保证合金 液良好的流动性，压铸机锌锅内金属液温度为 415 ~ 430℃，中央熔炼炉内金属液温度为430 ~ 450℃。进入鹅颈管的金属液温度与锌锅内的温 度基本一样。通过控制锌锅金属液温度就能对浇 注温度进行准确的控制。 • 熔化温度过高时，铁质坩埚与锌液反应加快，坩 埚表面铁氧化Fe2O3，还会与锌液反应生成 FeZn13化合物（锌渣），溶解在锌液中。铝、镁 元素烧损量增加，锌渣增加。温度越高，铸件结 晶粗大而使力学性能降低。 • 熔化温度过低时，合金流动性差，不利于成形， 影响压铸件表面质量。
二、锌的冶炼
• 原料为硫化锌精矿和氧化锌。火法炼锌用竖罐蒸 馏、平罐蒸馏或电炉，所得粗锌采用蒸馏法精炼 或直接应用；湿法炼锌近20年迅速发展，总产量 70-80%，所得电解锌质量较高，无需精炼。 • 对难分选的硫化铅锌混合精矿，一般采用同时产 出铅和锌的密闭鼓风炉熔炼法处理。 • 对极难分选的氧化铅锌混合矿，我国独特的处理 方法是经烧结或制团后在鼓风炉熔化，获得粗铅 和含铅锌的熔融炉渣，炉渣进一步在烟化炉烟化， 得到氧化锌产物，并用湿法炼锌得到电解锌。此 外，也可以用回转窑直接烟化得氧化锌。
• 锌渣的控制。 合金从固态变为液态是一个复杂的物 理、化学过程。气体与熔融金属发生化学反应，其 中氧的反应最为强烈，合金表面被氧化而产生一定 量的浮渣。浮渣中含有氧化物和铁、锌、铝金属间 化合物，从熔体表面刮下的浮渣中通常含有90%左 右的锌合金。锌渣形成的反应速度随熔炼温度上升 成指数增加。正常情况下，原始锌合金锭的产渣量 低于1%，在0.3 ~ 0.5%范围内；而重熔水口、废工 件等产渣量通常在2 ~ 5%之间。为减低锌渣的产生 (1) 尽可能避免锌锅中合金液的搅动，任何方式的 搅动都会导致更多的合金液与空气中氧原子的接触， 从而形成更多的浮渣。 (2)严格控制熔炼温度，温度越高，锌渣越多。