铸造锌合金材料介绍

铸造锌合金材料介绍铸造锌合金材料介绍 铸造锌合金材料介绍xx 04 0808 37 43 分类生产技术 举报 字号订阅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170 时 主要以 形式存在 在170 330 范围以 形式存在 在330 419 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T i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 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 1 293 523K 0 9线膨胀系数 10 6K 1 293 373K 多晶体39 7 293 373K a轴14 3 293 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 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 1 298 692 7K 固态cp 22 40 10 0510 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 71042 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ZZnAl4Cu1Mg ZA4 1AG41A AM4 1GD ZnAl4Cu1BS1004B ZDC1ZZnAl4Cu3Mg ZA4 3 G ZnAl4Cu3GK ZnAl4Cu1 ZZnAl6Cu1ZA6 1 G ZnAl6Cu1GK ZnAl6Cu3 ZZnAl8Cu1Mg ZA8 1ZA8 AM9 1 5 ZZnAl9Cu2Mg ZA9 2 ZZnAl11Cu1Mg ZA11 1ZA11 ZZnAl11Cu5Mg ZA11 5 AM10 5 ZZnAl27Cu2Mg ZA27 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 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 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 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 2Zn 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20 0 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 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 8 m 20 抗拉强度 MPa杨氏模量 GPa伸长率 硬度 HBAl660 2510面心立方2 72 664570 540202 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 1Zn 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ZAMAK 2 ZAMAK 3 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ZAMAK 5 ZAMAK 2 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 wt 牌号Al MgCu Fe Pb Cd Sn ZnZA 88 0 8 80 015 0 30 8 1 30 10 0040 0030 002ASTM B669ZA 1210 5 11 50 015 0 30 5 1 20 0750 0040 0030 002其余ZA 2725 0 28 00 01 0 22 0 2 50 10 0040 0030 002表2 4重力铸造合金铸件的化学成分 wt 牌号Al MgCu Fe Pb Cd Sn Zn ZA 88 0 9 80 015 0 030 8 1 30 10 0040 0030 002其余ZA 1211 0 12 50 01 0 030 8 1 50 0750 0040 0030 002其余ZA 2725 0 28 00 01 0 022 0 2 50 10 0040 0030 002其余ZA 3530 0 35 0Si3 53 50 10 0040 0030 002其余表2 5压力铸造合金铸件的化学成分 wt 牌号Al MgCu Fe Pb Cd Sn Ni ZnZAM3 50 022 50 0 00 00 0 其AAK2 4 3 0 05 3 01050403余 STM B86ZAMAK33 5 4 30 02 0 05 0 250 10 0050 0040 003 其余ZA MAK53 5 4 30 03 0 080 75 1 250 10 0050 0040 003 其余ZAM AK73 5 4 30 005 0 02 0 250 0750 0030 0020 0010 005 0 02 其余ZA 88 0 8 80 015 0 030 8 1 30 0750 0060 0060 003 其余ASTM B791ZA 1210 5 11 50 015 0 030 5 1 20 0750 0060 0060 003 其余ZA 2725 0 28 00 01 0 022 0 2 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Al MgCu Fe Pb Cd Sn Ni ZnZAMAK23 59 4 30 025 0 052 60 0750 0040 0030 002 其余AS TM B240ZAMAK33 9 4 30 025 0 05 0 100 0750 0040 0030 002 其 余ZAMAK53 9 4 30 03 0 060 75 1 250 0750 0040 0030 002 其余ZAMAK73 9 4 30 01 0 02 0 100 0750 0020 0020 0010 005 0 02其余ZA 88 0 8 80 015 0 030 8 1 30 100 0040 0030 002 其余ASTM B669 84ZA 1210 5 11 50 015 0 030 5 1 250 0750 0040 0030 002 其余Z A 2725 0 28 00 01 0 022 0 2 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ZAMAK2ZAMAK3ZAMAK5ZAMAK7ZA 8ZA 12ZA 27密度 g cm 36 66 66 66 66 36 05 0凝固温度 390 379387 381386 38038 7 381404 375432 377484 376凝固收缩 1 251 171 171 171 11 251 25热膨胀系数 293 373 27 827 427 427 423 224 226 0 热导率 W mK 1 343 413K 104 7113 3108 9113 0114 7116 1125 5比热容 J k g K 1 293 373K 418 7418 7418 7418 7435 4448 0534 4电导率 IACS 2527262727 728 329 7电阻率 20 6 36946 53596 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 100 110105 1xx0 120收缩率 1 11 251 25密度 g cm 36 36 05 0热膨胀系数 293 373 23 324 126 0比热容 J kg K 1 293 373K 435450525热导率 W mK 1 293K 114 7116 1125 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 404 375432 377484 376表2 9铸造锌铝合金的化学成分 GB T1175 1997 合金牌号合金代号 合金元素杂质含量 不大于 杂质总和Al CuMg ZnFe PbCd Sn其他ZZnAl4Cu1Mg ZA4 13 5 4 50 75 1 250 03 0 08其余0 10 0150 0050 0030 2ZZnAl 4Cu3Mg ZA4 33 5 4 32 5 3 20 03 0 06其余0 075Pb Cd0 0090 002 ZZnAl6 Cu1ZA6 15 6 6 01 2 1 6 其余0 075Pb Cd0 0090 002Mg0 005 ZZnAl8C u1Mg ZA8 18 0 8 80 8 1 30 015 0 030其余0 0750 0060 0060 003Mn0 01 Cr0 01Ni0 01 ZZnAl9Cu2Mg ZA9 28 0 10 01 0 2 00 03 0 06其余0 20 030 020 01Si0 10 35ZZn Al11Cu1MgZA11 110 5 11 50 5 1 20 015 0 030其余0 0750 0060 0060 003Mn0 01Cr0 01Ni0 01 ZZnAl11Cu5MgZA11 510 0 12 04 0 5 50 03 0 06其余0 20 030 020 01Si0 050 35Z ZnAl27Cu2MgZA27 225 0 28 02 0 2 50 010 0 020其余0 0750 0060 0060 003Mn0 01Cr0 01Ni0 01 加图 铸造合金及其熔炼p312铝锌合金状态图 2 22 3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 5 70m s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ZA 8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 38 0 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 3m m 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压铸锌合金的物理性能锌合金密度膨胀比热容热导率液固凝 g c m 3系数 293 373 J kg K 1 293 373K W mK 1 293 337K 相线温度 相线温度 固收缩率 YZZnAl46 627 40 10113 043873811 17YZZnAl4Cu16 727 40 10108 853863801 17 2 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4 5 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 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 06229Z A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 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A l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 1000kN 1600kN 2500kN 4000kN和6300kN六种 热室压铸机的特点是压铸过程全自动 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 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 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 8 1 51 5 3 03 0 6 0简单 复杂简单复杂简单复杂内浇口厚度 mm0 50 4 0 80 8 1 50 6 0 121 5 2 51 2 2 0内浇口的截面f可按公式2 1计算 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4 6mm 对中大件取8 10mm 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 05 0 155 2020 30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 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 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 mm 3 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 s 110 151515 20 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 mm 3 3结构简单结构复杂结构简单 结构复杂浇注温度 420 440430 450410 430420 440表2 16锌合金压铸模的工作温度铸件壁厚 mm 3 3结构简单结构复杂结 构简单结构复杂预热温度 130 180150 180110 140120 150持 续工作温度 180 xx90 2xx0 170150 200 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 5 6持压时间 s1 23 7表2 18锌合金的留模时间壁厚 mm5留模时间 s5 107 1220 25 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 51 293 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 导热性高 膨胀系数小 热处理变形量小 淬火性能好 加工性能 良好 锌合金铸件压铸模零件常用材料见表2 19 表2 19锌合金铸件压铸模零件常用材料成型及浇注各种模板系统零件顶 出机构零件一般顶出用板齿轮 齿条模座模架及齿轴材料T10A5CrNi Mo3Cr2W845钢T7A Q23545钢T10A T8A9Mn2V45钢 Q235铸钢中强度灰铁热处理硬度HRC44 48需要时40 4550 5540 452 4其它铸造锌合金2 4 1砂型铸造锌合金的砂型 铸造的特点是 浇注温度宽 可在小于675 的低温下浇注 铸型 的吃砂量较小 砂子用量为铸铁件的一半 打箱时间长 试验 表明 锌合金在5 120min范围打箱 对合金的力学性能几乎无影响 型砂的水分含量允许较宽 浇注温度在565 737 范围内 型 砂含水量在4 5 8 范围对合金的抗拉强度几乎无影响 2 4 2挤压铸造挤压铸造是借助挤压铸造机上的压头把浇到型腔中的 金属液挤压成型的一种铸造方法 挤压铸造的特点是铸件内部气孔 锁孔等缺陷少 组织致密 晶粒 细化 组织均匀 铸件有较高的尺寸精度 有较小的表面粗糙度 在压力下凝固 有利于防止裂纹缺陷 另外其工艺出品率高达90 以 上 生产率高 工作环境好 但不宜制造复杂铸件 挤压铸造机的核心部分是铸型 按照铸型的挤压方式不同 挤压铸造机可有柱塞铸压式 直接加压 式 间接加压式及旋转加压式四种类型 柱塞加压是用柱塞施加于合金液面并保压 铸件的成型是在浇注中 实现的 直接加压是在挤压合型时成型压头使部分合金液向上运动填充型腔 间接加压是将部分合金液挤入闭合的型腔中 旋转加压是向半开的楔形型腔中浇注合金液 转动铸型使其合拢 合金液被挤压上升而充满铸型 但目前我国无专用挤压铸造机 锌合金所用铸型材料见表2 20 挤压铸件只有在铸件表面要求很光洁或容易产生表面缺陷的部位留 有加工余量 加工余量一般为0 5 2 0mm 表2 20锌合金所用铸型材料铸型部件铸型材料凹型镶块5CrNiMo 5CrMnMo 4Cr5MoSiV1 4Cr5MoSiV压头芯子4Cr5MoSiV1 5CrNiMo顶杆套筒5CrM nMo 40Cr T8 T10挤压铸造的基本过程为首先预热铸型 然后涂刷 涂料 合金液定量浇入铸型并进行加压保压 保压到一定时间后卸 载冷却 顶出铸件 加压所需要的临界比压见表2 21 挤压工艺参数见表2 22 表2 21加压所需要的临界比压 MPa 挤压铸件类型大空腔铸件小空腔铸 件实心铸件液态薄壁件厚壁件403050406050液固态薄壁件厚壁件100 809070110 12080 100表2 22挤压工艺参数材料模具温度 浇注温度 比压 MPa保压时间 s ZA13Cu2TiReMg120 165540 580100 28040 60ZA27Cu2TiReMg100 xx50 65065 32