铸造锌合金-锌合金概述

第一章锌合金概述

1.1锌的基本性能和用途

锌属于重有色金属，密度7.14g/cm3,熔点419.5℃，沸点906℃。锌为六方晶格，无同素异构转变。纯锌具有一定的强度（σb150MPa）、硬度高、塑性低。

锌是一种用途十分广泛的有色金属。多年来，广泛用于钢材镀锌防腐、电池锌皮、印刷制板。另外，还是黄铜、某些锡青铜、铝-锌合金等的主要合金化元素之一。

1.2锌合金及分类

纯锌由于性能差，作为工程结构材料使用受到限制。在锌中加入其它合金化元素可改善和提高锌的性能。

锌基合金按主要添加元素可分为Zn-Al系合金、Zn-Cu-Ti系合金[1-6]。另外还有其他类型的锌基合金，但使用不广泛。Zn-Al系合金中一般加入Cu、Mg、Cr、Si等形成多元合金化的锌合金。根据铝含量的不同，Zn-Al系合金可分为亚共晶（<5.1%Al）、共晶（5.1%Al）和过共晶（〉5.1%Al）。根据加工方法和用途可分为，传统的亚共晶Zn-Al系压铸锌合金，重力铸造合金和共析基（22%Al）超塑性变形锌合金、防震用锌合金、模具用锌合金和高强度抗蠕变性能的锌合金。

1.3铸造锌合金的发展历史

自从人们发现锌以来[6]，直到二十世纪初期锌合金才首次得到发展。研制的锌合金用于印刷活字、压铸以代替锡和铅合金，因为锡合金较昂贵，而后者又缺乏强度。在这方面，应用最早的合金之一其成分6%Sn、5%Cu、0.5% Al，其余为Zn。

早期的锌合金性能较差，在潮湿的环境中，易开裂瓦解，发现这些早期的锌合金易产生晶间腐蚀和老化，致使机械性能降低，产生剥落、膨胀、变形，引起尺寸不稳定，1922年新泽西锌业公司（New Jersey Zinc Company）的研究表明，晶间腐蚀是由于杂质Pb、Sn、Cd等引起的，而老化是由于较高的Cu含量造成的。由于这些早期的不良特性，许多冶金学家没有认识到锌及其合金由于极好的性能而成为富有生命力的工程材料。

自从发现锌的晶间腐蚀的原因之后，发现利用高纯锌添加镁可中和杂质的影响。因此随着高纯锌的发展，1929年在欧洲开始了锌合金压铸件的生产[6]，在这之前，由于锌的纯度低，压铸未能成功。在1930～1940年间，先后研制和推广了压铸合金Zamak3和Zamak5（通常称为No.3和No.5，Zamak为注册商标）[6],并且在汽车工业中应用成功，从而使锌合金得到进一步发展。在1942年，英国将压铸锌合金列入BS1004标准[7，8]。至今所用的传统的压铸锌合金与Zamak 合金大致相同。

重力铸造锌合金的使用开始于德国。第二次世界大战期间，德国研制出两种耐磨锌合金GDZnAl 14-0.7和GDZnAl 10-0.7，数字分别代表铝、铜含量。在此基础上，德国于1943年又研制了ZnAl 30-2合金。主要用于代替铜合金，以解决铜资源的紧缺问题，用于代替青铜做轴承材料使用。发现锌合金的机械性能高，摩擦系数小，与润滑性油的亲合力高，有较好的自润滑性能。在1939～1943年间，德国锌的用量从7800吨猛增到49000吨，四年间猛增了七倍[6]。

由于钢材镀锌防腐涂层和压铸合金消耗了当时锌产量的绝大部分，亦由于战争和其他原因，锌合金在重力铸造方面未能得到广泛应用和深入的发展，但战后在欧洲重力铸造锌合金一直有所应用。在1954年，苏联把锌合金ЦAM10-5（9～12%Al、4.0～5.5%Cu、0.03～0.06%Mg、余为Zn）和ЦAM9-1.5（8～11%Al、1.0～2.0%Cu、0.03～0.06%Mg、余为Zn）列入标准(ГOCT7117-54)。并且还研究了其它类型的锌合金，如Zn-Sb-Sn合金ЦOC3-3（2.5～4.0%Sb、2.5～4.0%Sn、余为Zn），并被推荐作为巴氏合金Б16代用品[10]。我国对锌合金的研究较早，据文献[11]报道，国内早在1959年，研制了重力铸造高铝锌合金并投入了生产应用。研究的铝含量为10%-30%，采用砂型、金属型、石墨型、离心铸造方法生产的大型轴瓦、轴套、蜗轮、螺母等零件，用于代替锡青铜ZQSn6-6-3、ZQSn10-1，铸件最大重量150Kg。但是锌合金在

国内没有得到进一步的发展和推广应用，但在五十年代到七十年代，国内有些机械制造业中采用ZZnAl10-5合金制造轴瓦、轴套件等。在七十年代，我国将ZZnAl 10-5和ZZnAl 9-1.5到入标准[1]，其数字分别代表铝、铜的名义含量。在七十年代后期，国内采用锌合金ZZnAl 12-3（11～13%Al、2.5～3.5%Cu、0.05～0.08%Mg、余为Zn）制造蜗轮、轴套、衬套、阀体等铸件，以代替锡青铜和铝青铜。

直到六十年代以前，以No.3、No.5为代表的压铸锌合金主要用于压铸方面，六十年代由于模压塑料的发展，锌合金的部分市场丧失，为保持同塑料工业相竞争，刺激了薄壁压铸技术的研究和发展。另外No.3、No.5合金虽然有较好的性能，在大量的工程应用中得到满意的结果，但这两种合金在高温（90℃～150℃）时强度降低很大。1952～1962年间，国际铅锌研究组织（ILZRO）在新泽西锌业公司发起了压铸锌合金的研究计划[9]，旨在提高锌合金的抗蠕变性能，结果研制出了三种锌合金，分别命名为ILZRO-12（12%Al、0.7%Cu、0.02%Mg、余为Zn）、ILZRO-14（0.01～0.03%Al、1.0～1.5%Cu、

0.25～0.30%Ti、余为Zn）和 ILZRO-16（0.01～0.03%Al、

1.0～1.5%Cu、0.25～0.30%Ti、0.15～0.25%Cr、余为Zn），其中ILZRO-14和 ILZRO-16合金具有很高的抗蠕变性能，尤其是ILZRO-16最好，只有在需要抗蠕变高的地方才使用。

当时深刻认识到ILZRO-12用于重力铸造时具有出色的

机械性能。后来，加拿大Noranda矿业有限公司(Noranda Mines Limited)研究中心，对ILZRO-12合金所做的研究以及工业中使用的实践表明，该合金的冲击韧性太低，不宜在冲击环境下使用，于是该合金的铝含量从12%降低到11%，并命名为ZA12.这种合金在加拿大、澳大利亚、英国并小规模的在美国成功的打开了市场。这充分表明，铸造锌合金具有一定的市场。但是为了能和已经充分研究和发展成熟的一些合金系列有效地竞争，需要有一个合金系列。其中每种合金具有特定的性能。市场研究分析表明，急需较ZA12更高的机械性能和韧性的砂型铸造合金。在七十年代初，St.Joe 矿业公司曾提出一种窄结晶温度范围的合金，以改善ILZRO-12合金的精加工特性，由美国Easter合金公司（Easter Alloys Inc）试销的结果表明，需要一种金属型铸造锌合金，但是该合金不能令人满意。为此，七十年代中期，Noranda矿业有限公司在设在魁北克（Quebec）的研究中心对Zn-Al系铸造合金进行进一步的系统研究工作，最初的研究工作是研制出了ZA27砂型铸造合金，又根据St.Joe 矿业有限公司的推荐，用优化方法进行了多次试验，研制了金属型铸造合金命名为ZA8,以前的ZA12一起形成现在有代表性的ZA合金新系列-ZA8、ZA12、 ZA27，是目前国际上公认的合金新系列。

在七十年代末和八十年代初，我国、日本都在大力研究