铸造锌合金材料详解

1、铸造锌合金材料介绍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1

2、70时，主要以形式存在；在170330范围以形式存在；在330419范围以形式存在。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

3、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

4、。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

5、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

6、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（293523K）0.9线膨胀系数/ 10-6K-1（293373K）多晶体39.7         （293373K）a轴14.3         （293

7、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=0.2664nm  c=0.49469nm c/a=1.856孪晶面(1012)

8、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/kJ mol-1(692.7K)7.28蒸发热/kJ mol-1(1180K)114.7密度 /g cm-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/ J mol-1 (298692.7K)固态cp=22.40+10.05 10-

9、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)7 104 &#

10、160; 2.1.3 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ZZnAl4Cu1MgZA4-1AG41AAM4-1GD-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 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

12、合金一般含有少量的Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性。ZnCu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

13、合金可分为三类。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。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。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

14、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，

15、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、

16、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

17、、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。  2.2  Zn-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。

18、60;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/ 10-8m（20）抗拉强度/MPa杨氏模量/GPa伸长率（%）硬度/HBAl6602510面心立方2.72.664570.54020 2.2.2 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

19、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的前景。2.2.3 锌铝合金的基本性能(1) 良好的轴承性能  用ZA-12合金及ZA-27合金与青铜轴瓦合金比较表明，锌铝合金具有较低的摩擦系数、较高的承载能力、较高的耐磨性。由于单

20、位体积锌合金的成本要比铜合金低得多，因此，这种材料的轴瓦具有良好的经济性。(2) 成本低、能量消耗少及污染小  由矿石提供炼锌的过程能耗较小而在制成铸件时熔化的能耗也较低。另外在铸造生产中不会产生任何有毒的合金污染物或废料。生产每吨锌铸件的耗电约为130度，生产每吨铜铸件的耗电约为320度，生产每吨铝铸件的耗电约为400度，生产每吨钢铸件的耗电约为500度，可见锌生产耗电最低。另外工装成本也较低，在压铸时铸造锌合金的金属模具置换及维修成本可以忽略不计。因此，锌铝铸造合金的生产成本仅为铜合金的三分之一。(3) 生产周期短  锌金属熔化潜热比铝低，传导到模具上的热量较少，因而导

21、致了铸造周期变短。(4) 机加工性能好  可进行粗、精车，精车零件的光洁度高，呈光亮的银白色，也可以进行研磨加工。(5) 优越的表面质量  锌合金可以经受各种防腐装饰表面处理。(6) 良好的耐蚀性  在普通大气中锌具有良好的耐蚀性，而且锌的耐蚀性可以通过各种表面处理加以改善。(7) 较高的导电导热性  锌铸造合金通常在导电导热性方面与铝合金相同，但要比铜压铸件高几倍。因此它可以代替铜基或铝基合金用在要求导电导热的场合。(8) 良好的铸造成形性能  锌合金优越的铸造成性能可以使其铸造较薄的铸件，例如最小壁厚2mm，最小铸出孔为1mm。而且这种合金

22、适用于多种造型材料，如砂型、石膏型、硅橡胶型、金属型及石膏型。(9) 非磁性及非火花性  非磁性导致锌合金用于制造电子元件以及受磁场干扰的精密零件。锌合金的非火花性可用于制造在有可能爆炸的场合工作的零件。（注：ZA-27合金与锈蚀铁或钢碰撞时会产生火花。）(10) 良好的电磁性及无线电屏蔽性。2.2.4 锌铝合金的显微组织锌铝合金基本化学成分为Zn和Al，添加元素主要有Cu和Mg。在铸造锌铝合金的研究中早已发现，铝与一定比例的锌熔合能明显地改善流动性、细化铸件晶粒结构并因此提高力学性能。在Zn-Al系中，可形成两个固熔体: 固熔体(几乎是纯锌)和 固熔体，变化固熔体是以铝为基，溶解锌

23、可达85%(所以以铝为基的固熔体可达83%的Zn而仅有17%的Al)。在一定的温度范围和浓度范围，固熔体可分解为两个同样晶体结构而多锌(2)和少锌(1)的固熔体。与Zn-Al相图(见图2-l)相对应，固熔体在275发生偏析转变: ，同时锌在铝中的溶解度自275随温度降低而急剧下降。因此含5%一10%Al锌合金的组织是亚共析合金+共析体（+）。当快速冷却时，偏析转变可能不进行。2相过冷至室温，该不稳定组织将发生变化(过冷的2相分解)，因而导致制品尺寸的变化。研究表明，锌铝合金中含有少量镁，可防止晶间腐蚀，延缓共析反应过程。但含镁量大于0.1%时延伸率急剧下降。铜使锌铝合金产生固溶强化，并阻碍共析

24、转变，但过量的铜使铸件尺寸不稳定。稀土和钛都可以细化晶粒，使树枝晶向细团状晶过渡，从而提高强度和硬度，并显著提高耐磨性。稀土和钛还能提高相间电极电位，提高晶间抗蚀能力。但是当稀土含量大于0.10%、钛含量大于0.15%时，会析出硬质点相，对性能不利。 图2-1  Zn-Al二元系统的相图 2.2.5 锌铝合金的应用锌铝合金具有良好的强度、刚度和硬度，以及耐磨、耐蚀、减振降噪性能和密度小、成本低等特点，已得到广泛应用。目前这种合金仍在扩大应用领域。锌铝合金于70年代开始发展，主要用于重力铸造，直到80年代，该合金才开发用于压铸件。铸造锌铝合金若按铸造方法分，可分为压

25、铸合金和重力铸造合金两大类；若按用途来分，可分为仪表用合金、阻尼合金、模具耐磨合金及零件耐磨合金等。目前国际上用作铸件的标准系列有两大类，一类是ZAMAK合金，一类是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主要用于热室压铸，ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求，只能用于冷室压铸，ZA-35一般用于重力铸件。而ZAMAK合金发展要先于ZA系列合金，主要用于压力铸造。表2-3、表2-4、表2-5及表2-6分别列出了ASTM规定的重力铸造合金和压力铸造合金铸件及铸锭的成分。表2-7

26、和表2-8分别列出了压力铸造合金和重力铸造合金的物理性能。表2-9列出了我国的铸造锌铝合金的化学成分，可以看出，我国的合金系列已与国际接轨。表2-9中的ZA4-1、ZA4-3、ZA8-1、ZA27-2分别与表2-6中的ZAMAK5、ZAMAK2、ZA-8及ZA-27合金一致。                       表2-3  重力铸造合金铸锭的化学成分 

27、;                   （wt%）牌号AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）Zn来源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   重力铸造合金铸件的化学成分   （wt%）牌号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   压力铸造

29、合金铸件的化学成分   （wt%）牌号AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）NiZn来源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   压力铸造合金铸锭的化学成分   （wt%）牌号AlMgCuFe（）Pb（）Cd（）Sn（）NiZn来源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 压力铸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凝固温度/390379387381386380387381404375432377484376凝固收缩(%)1.251.171.171.171.11.251.25热膨胀系数/ (293373)27.827.427.427.423.224.226.0热导率/W(mK)-1(343413K)104.7113.3108.9113.0114.7116.1125.5比热容/J·(kg·K)-1(293373K)418.7418.7418.7418.7435.44

33、48.0534.4电导率(%IACS)2527262727.728.329.7电阻率/ (20, )6.36946.5359  6.26.15.8相对于标准退火铜线电导率的百分比 表2-8 重力铸造合金的物理性能物理性能ZA-8ZA-12ZA-27硬度(HB)100110105120110120收缩率（%）1.11.251.25密度/g·cm-36.36.05.0热膨胀系数/ (293373)23.324.126.0比热容/J·(kg·K)-1(293373K)435450525热导率/W(mK)-1(293K)114.7116.11

34、25.5电导率(%IACS)27.728.329.7电阻率/ (20, )6.26.15.8熔化潜热/kJ·kg-1112118128凝固温度范围/404375432377484376       表2-9  铸造锌铝合金的化学成分（GB/T 11751997）      %合金牌号合金代号合金元素杂质含量（不大于）杂质总和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加图（铸造合金及其熔炼p312 铝锌合金状态图）2-2       2.3 

37、;     压铸用锌合金2.3.1   压力铸造的基本概念及原理压力铸造是将液态或半固态金属在高压下瞬间填充铸型并在短时凝固成铸件的一种方法。铸型通常采用优质钢制成。压力在几兆到几十兆帕范围。充型速度在0.570ms范围。充型时对最小件只需几毫秒，而对大件约需半秒钟。铸型的温度约150，要比金属凝固温度低得多，因此铸件凝固极快。在凝固时需保持高压以保证铸件高的表面质量，同时也保证金属液能充填到复杂型腔中。按照盛液室类型不同，可将压铸机分成热室压铸机和冷室压铸机。在热室压铸机中，冲头及缸体浸在保温熔化坩埚的液态金属中。将液体射入型腔的能

38、量由液压泵提供，工作时由保压罐进行保压。热室压铸机工作的基本过程为：冲头向下使液态金属通过鹅形管喷嘴进入型腔，在金属凝固时保压；凝固完成后打开铸型，冲头返回到原始位置；铸件被取出后，在铸型型腔内喷撒分型剂，下一周期的工作即开始。热室压铸机主要适用于3号、5号、7号及ZA8合金。热室压铸一般有如下优点，即当铸型打开后，压室内的液体自动补充，减少了工作时间；液体的温度不会像冷室压铸那样降低，即金屑温度稳定；注射压力较低，对设备施加载荷作用低；可充填薄壁处，保证完善铸件；液态金属不暴露在大气中，减少了金属的氧化。冷室压铸机的压室与保温炉是分开的。冷室压铸的工作程序与热室压铸基本相同，只是冷室压铸的液

39、态金属被人工或自动浇包浇入压室内。冷室压铸机分为立式压铸机和卧式压铸机两种。冷室主要适用于ZA-12合金及ZA-27合金。因为这些合金的浇注温度正好处在锌铝合金腐蚀冲头及钢模的温度范围。2.3.2   压铸锌合金的组织结构及基本特点在压铸条件下，锌合金凝固及冷却极为迅速，导致铸件中晶粒细小，具有很好的机械性能。锌铸件由表面向中心凝固，产生两个不同的区域，一个是组织致密区，另一个是普通组织区。在距铸件表面0.380.50mm处，组织细小而致密。这种具有致密而细小晶粒组织的部位具有优越的机械性能，因此这种薄层处单位面积的性能要比其它部位大得多。压力铸造生产锌合金铸件的特点是生产

40、效率高、产品质量好以及经济效益好，因而可广泛用于汽车、拖拉机、电器仪表、医疗器械、日用五金等零部件的制造上。目前，锌合金铸件的外形最大尺寸达400mm，最小尺寸可达0.3mm。铸件的最小孔为0.7mm，最大平均壁厚为10mm，最小平均壁厚为0.3mm。但是这种方法也有一些缺点，如一次性投资较高，模具寿命较低等。压铸锌合金的优点是：熔点低，可延长压铸寿命；不易粘膜；铸造工艺好，可形成各种复杂、薄壁铸件；具有良好的电镀性；具有良好的常温使用性能。此外压铸锌合金也有与重力铸造锌合金一样的缺点：密度大；易老化；抗蚀性差，易产生晶间腐蚀。压铸锌合金的物理性能如表2-10所示。 表2-10 压铸

41、锌合金的物理性能锌合金密度/g·cm-3膨胀系数/ (293373)比热容/J·(kg·K)-1(293373K)热导率/W(mK)-1(293337K)液相线温度/固相线温度/凝固收缩率（%）YZZnAl46.627.40.10113.043873811.17YZZnAl4Cu16.727.40.10108.853863801.172.3.3   掺杂元素在压铸锌合金中的作用为了提高压铸锌合金的某些物理性能和组织结构，可以在锌合金中加入少量的其它元素以改善压铸锌合金的性能。这些金属或非金属元素能和锌形成化合物或固溶体，从而实现强化的作用。压铸

42、锌和锌铝合金中主要元素有Al，Cu和Mg;杂质元素有Fe，Pb，Sb，Sn和Cd等。Al以-Al固溶体形式形成初生枝晶和共晶相，少量Al固溶于-Zn固溶体中，可以细化晶粒，提高合金的强度，并能改善合金液的流动性，减弱合金的氧化倾向。近共晶成分的锌合金具有较高的抗拉强度、硬度和冲击韧度。当铝的含量为45%时，提高强度的作用较为明显，超过5%时，则铝的强化作用很小，故锌合金的含铝量一般不超过5%。在高铝锌基合金中随Al量的增加，强度和硬度提高，ZA-27合金强度最高。Cu除了部分固溶于相和相外，主要形成(CuZn4)相。Cu对亚稳相的转变起到抑制作用，提高强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和合金液的流动性

43、。但含铜量以不超过1%为宜，因为过高可使老化现象加重。Cu使铸件尺寸不稳定。Mg固溶于相和亚稳相中，抑制相转变。Mg能提高合金的强度和硬度，减小晶间腐蚀，使组织稳定。但较高的Mg量会显著降低塑韧度，增大热裂和冷裂倾向性，Mg的质量分数规定为0.01%0.06%。Sb化合物相形成时消耗了合金中部分Al，从而使相的数量减少。并且Sb促使Zn-Al合金中的一部分相在凝固过程中发生了转变，在进行四相转变时，由于减少了反应相相的数量，从而使生成相的数量减少，由此减少了由四相反应造成合金体积的膨胀。在锌合金中添加适量的锑元素能明显提高材料的强韧性和耐磨性。Sb在锌合金中形成条块状Sb、Al、Zn化合物，具

44、有钝化枝晶、细化合金组织的作用。Sb提高了铸件的尺寸稳定性。Sb加入后使合金组织均匀、枝晶钝化，促使合金中的杂质脆性相弥散分布，提高合金的致密性。Sb的上述这些作用都有利于提高合金的力学性能和耐磨性能。但是，当Sb量较多时，化合物中Sb的比例增加，化合物的脆性可能加大，同时，合金中Sb化合物的数量和尺寸也随之增加，从而对合金基体起割裂、脆化的作用。因此，Sb量过高时，Zn-Al合金的硬度增加，而强度和塑性降低。锑对ZA27合金强度、伸长率、冲击韧性、硬度和磨损性能的影响分别见图2-3、图2-4、图2-5及表2-11。图2-3  锑对ZA27合金强度和伸长率的影响 图2-4

45、锑对ZA27合金冲击韧性和硬度的影响 图2-5 锑对ZA27合金摩擦磨损性能的影响 表2-11 不同合金的摩擦磨损性能合金磨痕宽度/mm摩擦系数摩擦面温度/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热性。Mn固溶于基体和形成富Mn相，抑制相转变，提高强度和硬度。富Mn相的存在，降低合金的伸长率。热处理使富Mn相分解并在基体内弥散析出，使Mn强化效果更显著，并且提高高温力学性能。ZA27合金经RE变质，组织明显细化，共晶相增加，相变小且分布均匀

46、，不仅提高力学性能和耐磨性，而且提高阻尼性能，尤其是频率高于70Hz时强迫振动衰减效果更明显。锌和锌铝合金对杂质的敏感性强。Fe形成FeAl3和FeZn7相，降低流动性，产生的硬质点降低加工性能并使电镀困难。Pb呈细小粒状或表面膜分布于晶界和枝晶间，引起晶间腐蚀。Sn与Zn形成低熔点共晶体，导致热脆性，引起晶间腐蚀，降低韧度。Cd存在于固溶体中，引起热脆性，降低耐腐蚀性。为了改善锌铝合金的高温性能，提高使用工作温度，可采用含更高Al的锌铝合金，如ZA-35，ZA-43等。稀土对锌合金的作用是：一是稀土元素在合金中的偏聚，影响合金的组织转变及晶粒大小；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。稀土元素与锌铝合金中的Al及其他合金能发生微合金化作用。因此，ZA27合金中加入适量稀土元素，可以提高合金在常温和高温下的机械性能和物理性能。2.3.4   压力铸造的基本设备(1)  压铸机压铸机一般分为两类，一类是热压室压铸机，一类是冷压室压铸机。    热压室压铸机一般与合金熔化炉连接在一起，有的是压室浸于熔化的液态金属中，用杠杆机构或压缩空气产生压力。热室压铸机按合型力的大小可有630kN、1000 kN、1600kN、2500kN、4000kN和6300kN六种。热室压铸机的特点是：压铸过程全自

48、动，生产率较高；压射比压较低；金属液从液面下进入型腔，杂质不易卷入。    冷压室压铸机的压室是相对独立的，与熔化炉无直接连接。每次压铸时，需用铁勺将定量的液体金属从熔化炉中取出，浇入压室。冷压室压铸机分卧式、立式及全立式。卧式的特点是：设置有中心和偏心浇道位置；操作程序少，以实现自动化；金属液进入型腔的转折少，压力损耗小；采用中心浇道时，模具结构较为复杂；金属液在压室中与空气的接触面积大，易带入气体或氧化夹渣。卧式压铸机按合型力的大小可有630kN、1000kN、1600kN、2500kN、4000kN、6300kN、8000kN、10000kN、12500kN

49、、16000kN、20000kN及25000kN十二种。立式压铸机的特点是：易于设计中心浇道；设备占地面积小；金属液进入型腔转折多，压力损耗大。全立式压铸机的占地面积也较小，金属液计入型腔的转折少，压力损耗也相应的小。立式冷室压铸机与热室压铸机一样，也有六种形式。  (2) 压铸模压铸模由定模系统、动模系统、成型系统、抽芯系统、顶出机构、导向零件、模架部分、冷却部分、安全装置、浇注系统、排溢系统及吊装机构组成。定模与机器的压射部分相连接并固定在机器的定模安装板上，使金属液开始进入模具的部分，也是压铸模的型腔部分之一。动模部分固定于机器的移动板上，随动模板合拢与开启而移动。一般抽芯和脱

50、模机构皆安装在此部分。成型部分是构成铸件的部分，包括镶块、型芯和活动型芯等，分别放置在定模和动模内。构成铸件外形的部分叫型腔，构成铸件内部形状的叫型芯。抽芯部分是带动活动成型部分的机构，以完成抽拔动作。顶出机构是将铸件从模具中取出的机构。导向机构的作用是将模具各活动部分开启和合拢时保证按着一定的方向动作。模架部分的作用是将模具各部分按一定位置组合固定，它包括模板、支座等。冷却部分的作用是调节模具温度。安全装置的作用是防止在工作时金属液从分型面射出。排溢部分包括排气和集渣槽等。压铸的浇注系统是由直浇道、横浇道、内浇口、集渣槽及排气槽组成。从排气的角度看，内浇口应设置在使金属进入型腔后不立即封闭排

51、气系统的位置，在内浇口导入金属液时，使难于排气的地方先流入金属液，尽量采用单个内浇口，防止多个内浇口存在时将气体抱在液体中。内浇口的厚度对金属液的流速及流态有直接的影响。内浇口的厚度可以通过公式来计算。经验的锌合金的内浇口厚度见表2-11。 表2-11  锌合金的内浇口厚度铸件壁厚/mm0.81.51.53.03.06.0简单复杂简单复杂简单复杂内浇口厚度/mm0.50.40.80.81.50.60.121.52.51.22.0 内浇口的截面f可按公式2.1计算：        

52、60;        （公式2.1）式中V为压铸件的容积（cm3）；u为内浇口的流动速度（m/s）；t为填充型腔的时间（s）。 直浇道是指由浇口套开始到横浇道为止的部分，其尺寸会影响液态金属的流动速度及填充时间。横浇道截面积的大小应在满足压力传递良好和填充时间合理的要求下确定，同时要求横浇道对液态金属流动的阻力要小，并且横浇道的界面不能有突然缩小或增大的现象。横浇道的厚度根据铸件的大小和复杂程度而定，对小件取46mm，对中大件取810mm。横浇道长度对金属液流起平稳作用，横浇道过短，会出现金属液冲击及飞溅现象；横浇道过长，会

53、导致金属液温度降低。因此，依据经验，对中小铸件而言，横浇道长度一般取30mm左右。锌合金铸件用模的排气道尺寸见表2-12。 表2-12 锌合金铸件用模的排气道尺寸 深度宽度与型腔连通的正常排气道的长度排气道尺寸/mm0.050.155202030 抽芯机构按驱动动力来分有手动、机动、液压或气压等类型。顶芯机构也称为脱模机构，其设置原则是：尽可能避免铸件被顶部位受弯曲应力、切应力及拉应力的作用；顶出部位应设置在最靠近铸件被包紧的部位；应避免损伤铸件外形，设置在使铸件受影响最小的部位。锌合金的许用顶压力为400MPa。2.3.5   锌合金压铸的工

54、艺参数(1) 压力参数  压射力可用压射压力和压射比压来表示。压射压力的计算可以分为两种情况，一种是压铸机有增压机构的情况，一种是无增压机构的情况。  有增压机构的压射压力py按公式2.2计算：                                 

55、 (公式2.2)式中pf为增压后压射型腔内工作液压力（MPa）；D为压射缸直径（mm）。无增压机构的压射压力pw可以按公式2.3计算：                              （公式2.3）式中pg为压射缸内工作液压力（MPa）；D为压射缸直径（mm）。  &#

56、160; 压射比压是压射时，压室内金属液在单位面积上所受到的压力。锌合金的计算压射比压见表2-13。 表2-13  锌合金的计算压射比压铸件壁厚/mm3>3结构简单结构复杂结构简单结构复杂压射比压/MPa30405060 (2) 速度参数   在压室内压射冲头推动金属液移动的速度成为压射速度。压射速度分低速压射速度和高速压射速度两个阶段。低速压射速度可根据浇注到压室内的金数量多少而定，而锌合金的高速压射速度可按表2-14来选择。 表2-14  锌合金的高速压射速度铸件结构特点简单厚壁件一般铸件复杂薄壁件压射速度/m&#

57、183;s-11015151520 (3) 温度参数   温度参数有浇注温度和压铸模预热温度两种。锌合金的浇注温度可根据铸件的壁厚和铸件的复杂程度而定，如表2-15所示。锌合金的压铸模的工作温度见表2-16。 表2-15  锌合金的浇注温度铸件壁厚/mm3>3结构简单结构复杂结构简单结构复杂浇注温度/420440430450410430420440 表2-16  锌合金压铸模的工作温度铸件壁厚/mm3>3结构简单结构复杂结构简单结构复杂预热温度/130180150180110140120150持续工作温度/180

58、200190220140170150200 (4) 时间参数  金属也充满型腔后，在压力作用下使铸件完全凝固的时间成为持压时间。从持压结束到开摸顶出铸件为止的时间为留模时间。锌合金的持压时间见表2-17，而留模时间见表2-18。 表2-17 锌合金的持压时间壁厚/mm<2.52.56持压时间/s1237 表2-18 锌合金的留模时间壁厚/mm<335>5留模时间/s5107122025 (5) 压铸用涂料  涂料的作用是避免液态金属对压铸模的直接冲刷、降低压铸模的导热性以利于合金液的充型以及对压铸模活动部分起润滑作用。因而涂料应满足如下要求：高温时具有良好的润滑性；对压铸模和压铸件材料没有腐蚀性；高温不析出，也不分解出有害气体，同时也不残留污物，一般采用30#和40#的锭子油作为压铸锌合金的润滑剂。可以按照氧化锌：水玻璃：水=5：1.2：93.8的比例配置涂料用于锌合金铸件。(6) 压铸模零件常用材料  压铸模零件常用材料选择的原则是耐高温、