锌合金成分控制及应用

锌合金成分控制及应用-参考资料

一、锌的有关知识：

锌的化学符号为Zn，原子序数为30，浅蓝白色金属。主要的矿石是闪锌矿（ZnS），矿石在空气中煅烧成氧化锌，然后用炭还原即得。如将硫化锌在7000C左右焙烧成硫酸锌，以铝为阴极，铅为阳极，使硫酸锌溶液进行电解，在阴极上可得纯度为99.5%的电解锌。在空气中容易氧化，但覆上一层氧化锌即可成为保护膜，用于制镀锌铁（白铁）、黄铜及干电池等。

锌板密度为7.15-7.3g/cm3, 锌铝合金密度为6.3-6.9 g/cm3。

二、标准合金成分

1、锌锭。化学成分见表1。(GB470-83)

4、铸造锌合金。国际标准成分，见表4。

通用牌号锌合金机械特性：

表5

通用牌号锌合金物理性能：

通用牌号锌合金选择指南：

通用牌号锌合金的用途：

通用牌号锌合金性能说明：

1）3#锌合金：一向是压铸业的首选材料，它最能平衡物理及机械性能的要求。其优异的铸造性和尺寸稳定性，使超过70%锌合金压铸产品均使用3#锌合金。3#锌合金亦特别适合电镀、喷油及铬化等表面处理。

2）4#锌合金：始于亚洲，铜含量介于3#与5#之间。4#锌合金比3#更有效减少某些压铸件的粘模现象，而4#锌合金仍保持有与3#相当的柔软性。

3）5#锌合金：比3#的硬度和强度更高，但柔软性更低，如铸件需要摺、屈、卷、窝等变形工序时可能有影响。5#锌合金的特性转变是由于加入了1%的铜。此合金铸造性优异，对抗蠕变（高温受力时变形）较3#锌合金好，同样适合电镀、切削加工及一般表面处理。

4）2#锌合金：是各种低铝锌合金中，硬度及强度最高的。它含铜量高（3%）却会在老化时令合金的性能有一些改变，这些改变包括尺寸增加（20年后每毫米增长0.0014毫米），减低延展性及冲击强度。

5）8#锌合金：为重力铸造而发展，但现在却普遍用于高压压铸.它比3#及5#有较高的硬义、强度及抗蠕变（高温受力时变形）。8号亦适合表面处理及其他表面处理，工序与5#相同。因此当3#与5#的性能表现未能满足要求时，8#的高强度及抗蠕变是另一选择。

金利锌合金标准成分表（参考值）:

5、压铸锌合金：(GB/T13818-92),推荐标准，合金化学成分见表9

三、合金中各元素的作用

合金成分中，有效合金元素有铝、铜、镁；有害杂质元素有铅、镉、锡、铁。

（1）铝

作用：①改善合金的铸造性能，增加合金的流动性，细化晶粒，引起固溶强化，提高机械性能；②降低锌对铁的反应能力，减少对铁质的材料，如鹅颈管、模具、坩埚的侵蚀。

铝含量控制在3.8%-4.3%。主要考虑到所要求的强度及流动性，流动性好是获得一个完整、尺寸精确、表面光滑的铸件必需的条件。

铝对流动性和机械性能的影响见表11。流动性在含铝量5%时达到最大值；在含铝量3%时降到最小值。铝对冲击强度的影响见表6中虚线。冲击强度在含铝量3.5%时达到最大值；在含铝量6%时降到最小值。含铝量超过4.3%，合金变脆；含铝量低于规定范围，导致薄壁件充型困难，有铸后冷却破裂的可能。铝在锌合金中不利的影响是产生Fe2Al3浮渣，造成其含铝量下降。

表11 铝对合金流动性和机械性能的影响

（2）铜

作用：①增加合金的硬度和强度；②改善合金的抗磨损性能；③减少晶间腐蚀。

不利：①含铜量>1.25%时，使压铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化，即压铸后一度收缩，继而转向膨胀；②降低合金的可延伸性。

铜含量对合金强度的影响见表12。

铜含量W/%

表12 铜含量对合金强度的影响

（3）镁

作用：①减少晶间腐蚀；②细化合金组织，从而增加合金的强度；③改善使合金的抗磨损性能。

不利：①含镁量>0.08%时，产生热脆、韧性下降、流动性下降；②易在合金熔融状态下氧化损耗。

镁对合金流动性的影响见表13。

表13 镁对合金流动性的影响

（4）杂质元素：铅、镉、锡

铅、镉、锡使锌合金的晶间的腐蚀变成十分敏感，在温、湿环境中加速了本身的晶间腐蚀，降低机械性能，并引起铸件尺寸变化。表14所示为被晶间腐蚀的基体组织。

表14 铅、镉含量过高造成晶间腐蚀的显微照片

当锌合金中杂质元素铅、镉含量过高，工件刚压铸成型时，表面质量一切正常，但在室温下存放一段时间（几周至几个月）后，表面出现鼓泡。也有的锌合金产品放臵一段时间后，掉到地下就破碎，就是由于铅、锡、镉等杂质含量超过标准，引起晶间腐蚀而失效。

（5）杂质元素：铁

①铁与铝发生反应形成Al5Fe2金属间化合物，造成铝元素的损耗并形成浮渣；

②在压铸件中形成硬质点，影响后加工和抛光；

③增加合金的脆性。

铁元素在锌液中的溶解度是随温度增加而增加，见表15所示。每一次炉内锌液温度变化都将导致铁元素过饱和(当温度下降时)或不饱和（当温度上升时）。当铁元素过饱和时，处于过饱和的铁将与合金中铝发生反应，结果造成浮渣量增加。当铁元素不饱和时，合金对锌锅和鹅颈管材料的腐蚀将会增强，以回到饱和状态。两种温度变化的一个共同结果是最终造成对铝元素的消耗，形成更多的浮渣。

表15铁在锌合金中的溶解度随温度的变化

四、合金成分在生产中的控制问题

1）控制合金成分从采购合金锭开始，合金锭必须是以特高纯度锌为基础，加上特高纯度铝、镁、铜配制成的合金锭，供应厂有严格的成分标准。优质的锌合金料是生产优质铸件的保证。

2）采购回来合金锭要保证有清洁、干燥的堆放区，以避免长时间暴露在潮湿中而出现白锈，或被工厂脏物污染而增加渣的产生，也增加金属损耗，清洁的工厂环境对合金成分的有效控制是很有作用的。

3）新料与水口等回炉料配比，回炉料不要超过50%，一般新料：旧料=70：30。连续的重熔会使合金中铝和镁逐渐减少。

4）水口料重熔时，一定要严格控制重熔温度不要超过430℃，以避免铝和镁的损耗。

5）有条件时，最好采用集中熔炉熔化锌合金，使合金锭与回炉料均匀配比，熔剂可更有效使用，使合金成分及温度保持均匀稳定。电镀废品、细屑应单独熔炼。

五、熔炉温度控制

1、压铸温度

压铸用的锌合金熔点为382-3860C,合适的温度控制是锌合金成分控制的一个重要因素。

为保证合金液良好的流动性充填型腔，压铸金锌锅内金属液温度为415-4300C，薄壁件、复杂件压铸温度可取上限，厚壁件、复杂件压铸温度可取下限。进入鹅颈壶的金属液温度与锌锅内的温度基本一致。中央熔炼炉内的金属液温度为430-4500C。

通过控制锌锅内的温度就能对浇注温度进行准确的控制，并做到：

1）金属液为不含氧化物的干净液体

2）浇注温度不波动

温度过高的害处有：

1）铝、镁元素烧损。

2）金属氧化速度加快，烧损时增加，锌渣增加。

3）热膨胀作用会发生卡死锤头故障。

4）铸铁坩埚中铁元素熔入合金更多，高温下锌与铁反应加快。会形成铁一铝金属间化合物的三角颗粒，使锤头、鹅颈壶过度磨损。

5）燃料消耗相应增加。

温度过底：合金流动性差，不利于成形，影响压铸件表面质量。

表16所示为温度对流动性的影响。表17所示为温度对力学性能的影响，温度越高，铸件结晶越粗大，而使力学性能降低。

表16温度对流动性的影响

表17 3#锌合金浇注温度对力学性能的影响

压铸工可以根据经验，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。

2、如何保持温度的稳定

1）最佳方法之一：采用中央熔炼炉，压铸机熔炉保温炉，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。

2）最佳方法之二：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。

3）目前生产条件是在锌锅中直接加料，建议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。

五、锌渣的产生及控制

通过熔炼，合金从固态变为液态，这是一个复杂的物理、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锌渣。锌渣中含有氧化物和铁、锌、铝金属间化合物，从熔体表面刮下的锌渣中通常含有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。

1、锌渣量的控制

1）严格控制熔炼温度，温度越高，锌渣越多。

2）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，从而形成更多的锌渣。

3）不要过于频繁的扒渣。当熔融的合金暴露于空气中时，都会发生氧化，形成锌渣。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（￠6mm）盘形扒渣耙，轻轻从浮渣下面刮过，尽可能

避免合金液搅动，将刮出渣盛起，扒渣耙在锌锅边轻轻磕打，使金属液流回锌锅中。

2、锌渣的处理

1）将锌渣卖回原料供应商或专门处理厂，因为自行处理可能成本更高。

2）压铸厂自行处理锌渣。需要有单独的熔炉，锌渣重熔温度在420 - 440℃范围内。同时加入助熔剂。熔炼100kg渣，需加入0.5 -1.5kg助熔剂，先均匀散发在金属液面，随后用搅拌器将其均匀混入熔融金属中(约需2 - 4min)，保温5min后，表面产生一层更似泥土类的东西，再将其刮掉。

建议一般不要自己处理锌渣，原因一：熔炼锌渣，产生烟尘厉害，环保设备投入大，成本高，得不偿失。原因二：当熔炼工艺、操作不规范时，易造成合金料质量不保证，压铸出来的铸件缺陷多，生产成本更高。

六、水口料、废件重熔与使用

水口料、废料、溢流槽，报废工件等，不宜直接放入压铸机锌锅内重熔。原因是这些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。

把水口料等另外重熔，是为了将氧化锌和液体合金中有效成份分离开，熔炼中须加入一些溶剂，铸成锭后使用。

七、电镀废料重熔

电镀废料应同无电镀的废料分开熔炼，因为电镀废料中含铜、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。

电镀废料重熔中注意将镀层物质与锌合金溶液分开。

工作程序：

1）坩埚内先装有一定量的锌合金液，然后在锌合金液上面先撒上一层锌合金灰渣，作用是利用灰渣的浮力，托起加入的电镀废料，使电镀废不能与锌合金液接触。加入电镀废料时，注意加入量。

2）当电镀废料受热分解时，低熔点的锌合金熔化后到灰渣下面的锌液中，而熔点高的电镀层废物仍然留在灰渣上面。

3）捞出灰渣时，一定要注意操作，用扒渣耙轻轻拨开一些灰渣，斜切入，从灰渣底部向上捞出电镀层废物及灰渣，不能有任何搅动，以免电镀层废物落入锌合金液中。

4）把锌合金液表面灰渣刮干净后，再看是否需要加精炼剂处理。

八、熔炼操作中注意事项

1）坩埚：使用前必须进行清理，去除表面的油污、铁锈、熔渣的氧化物等。为防止铸铁坩埚中铁元素溶解于合金中，坩埚应预热到150 -200℃，在工作表面上喷一层涂料，再加热到200-300℃，彻底去除涂料中水分，涂料要涂二层，涂料成分：①滑石粉+6%水玻璃；②石英粉+水玻璃。

2）工具：熔炼工具在使用前应清除表面脏物，与金属接触的部分，必须预热并刷上涂料。工具不能沾有水分，否则引起溶液飞溅及爆炸。

3）合金料：熔炼前要清理干净并预热，去除表面吸附的水分。为了控制合金成分，建议采用2/3的新料与1/3的回炉料搭配使用。

4）熔炼温度绝对不能超过440℃，超过440℃时，对铁坩埚、工具腐蚀大。

5）及时清理锌锅中液面上的浮渣，及时补充锌料，保持溶液面正常的高度（不低于坩埚面30mm）因为过多的浮渣和过低的液面都容易造成料渣进入鹅颈司筒，拉伤钢环、锤头和司筒本身，导致卡死锤头、鹅颈司筒和锤头报废。

6）用扒渣耙平静地搅动熔液上面的浮渣，使之集聚以便取出。

九、本厂锌合金材料说明

1、本厂锌合金压铸件图纸上标注为ZZnAlD4A,其对应国际标准牌号为3#锌合金.目前本厂一直实际使用牌号为ZZnAlD4-1A，其对应国际标准牌号为5#锌合金。

2）以前自配5#锌合金料时，铜料使用的是铜包铝（外层铜20%，中间铝80%）。在保证铜用量的前提下，铝余量用铝皮补足用量。

3、原始锌锭及水口料名称说明：

1）一次锌：指自配锌料熔好后的锌锭或直接从外厂买回可直接用于压铸的原始锌锭。

2）二次锌：一次锌使用后从产品上摘下的水口料，如浇道料，排渣料等。重熔后成为二次锌。

3）三次锌：二次锌使用后从产品上摘下的水口料，如浇道料，排渣料等。重熔后成为三次锌。如此种料经再次使用后水口料重熔，仍称为三次锌，依此类推。

4）废锌：经电镀后的不合格产品重熔后称作废锌。

4、水口料的使用必须注意。一般原则是

1）一次锌：对于需电镀的外观要求特别高的装饰件，如面板、把手、AK锁壳电镀件等零件，必须使用一次锌；对部分外观要求较高的浴室件产品，应使用一次锌。

2）二次锌：有外观要求的小五金件一般使用二次锌。

3）三次锌：对于外表喷粉、喷漆的零件，如AK锁壳、手柄等结构件，可以使用三次锌。对一些有特殊强度要求的内部结构件，应考虑使用三次锌，如45锁体把手转块。

4）废锌：对不需电镀或镀彩锌、蓝锌等的内部结构件，如锁体内部压铸件、浴室件内部安装座等可以使用废锌。

5）上述各等级锌合金性能从较好到较差排序为：

一次锌>二次锌>三次锌>废锌

在生产中，当没有相应等级锌合金时，允许用较高等级锌合金替代使用。

5、使用建议：

1）能否试验在使用一次锌时，配用一定比例的二次锌或三次锌，比例按70：30。

2）在使用三次锌时，配比使用一定量的废锌，比例按70：30

十、部分外协厂锌合金成分化验结果

参考资料：《中国工业材料大典》

《压铸实用技术》

《压铸模具设计手册》

《金利合金制造工业有限公司资料》

《最新实用金属材料手册》

《实用五金手册》

《机械设计手册第1卷》

技术开发部

2005.05.19

2006.03.01修订编制：批准：日期：