鋅合金（英文名：zinc合金）是以鋅為基礎(chǔ)加入其他元素的合金，加入的元素有低熔點(diǎn)元素Al、Mg、Pb、Bi等，高熔點(diǎn)元素Cu、Ti、Si、Cr、Ni等，還有稀土元素La、Ce、Pr、Gd等。鋅合金具有良好的鑄造工藝性和成形效果，其機(jī)械加工性能好，具有優(yōu)良的表面質(zhì)量、耐蝕性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性。具有一定的流動性、蠕變性能、斷裂韌性和摩擦磨損特性等性能。鋅合金也稱為鋅基合金，按元素組成可分為鋅基二元合金體系、三元及多元合金體系，其中鋅鋁合金按鑄造方法可分為壓鑄鋅合金和重力鑄造鋅合金。鋅合金可以應(yīng)用于制作模具和配件，生物醫(yī)學(xué)上鋅合金可用于治療骨質(zhì)疏松，還適用于血管支架。鋅合金還可以用作裝飾品等。
發(fā)展歷史
鋅合金的發(fā)展最早是因?yàn)?9世紀(jì)末壓鑄機(jī)的發(fā)明。迫于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，發(fā)明出了最早的壓鑄鋅合金鋅6Sn-3銅0.5Al，用其代替部分錫產(chǎn)品。為了解決鋅熔體容易腐蝕鐵基熔鑄工具的問題，在該合金中加入了鋁，由此出現(xiàn)了一個(gè)新的合金系列——鋅鋁合金，1918年成分為Zn-10Al-0.5Cu的壓鑄合金開始使用，直到20世紀(jì)30年代初，壓鑄鋅合金的成分基本定型。新澤西州新公司生產(chǎn)了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的鋅壓鑄合金，命名為4-3合金，1930年發(fā)明出了不含銅的Zamak-3合金，之后針對實(shí)際用途相繼改進(jìn)生產(chǎn)了Zamak-4合金、Zamak-5合金和Zamak-6合金。1932年底鋅鋁合金已經(jīng)全部標(biāo)準(zhǔn)化，19世紀(jì)20年代是壓鑄鋅合金發(fā)展的全盛時(shí)期。1935年，德國經(jīng)過近五年的研究，發(fā)現(xiàn)鑄造鋅基合金和鑄造鋁基合金的力學(xué)性能和減摩性能均可以超過銅基合金和巴氏合金。
重力鑄造鋅合金的使用始于第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，德國因缺銅使用重力鋅合金來代替青銅等材料。1939-1943年“二戰(zhàn)”期間，德國鑄造鋅合金和鑄造鋁基合金的年使用總量由7800噸猛增到49000噸，這一變化引起了國際鉛鋅組織的高度關(guān)注和重視。直到20世紀(jì)50年代末時(shí)全球銅、錫資源緊張，1959年，國際鉛鋅研究協(xié)會在新澤西州新發(fā)起了一項(xiàng)鋅合金研究計(jì)劃，在1962年研制出了含有12%鋁、0.75%銅和0.015%鎂的鋅合金，其被命名為ILZRO12合金。由于ILZRO12合金的沖擊韌性低，經(jīng)過改善研究出了鋁含量降低的ZA-12合金，并在70年代末相繼研制了韌性和強(qiáng)度更好的ZA-8和ZA-27重力鑄造鋅合金。
加工鋅合金于19世紀(jì)60年代開始發(fā)展，到60年代中期，國際鉛鋅研究協(xié)會首先研制出含Cu 1.0、含Ti 0.25~0.3的鋅合金，又研制出了添加Cr的鋅合金。這兩種合金既可以進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，又可以作為加工材使用，之后又研制出了高強(qiáng)度、抗蠕變的鋅銅Ti合金。
超塑鋅合金的研究于20世紀(jì)40年代開始，其中Zn-22Al合金的超塑性非常優(yōu)越，具有“金屬飴”的美稱。中國在70年代開始對超塑合金的研究，并且得到了應(yīng)用。
分類
鋅基二元合金體系
鋅基二元合金體系有Zn-Al合金體系、Zn-Cu合金體系、Zn-Mg合金體系、Zn-Fe合金體系、Zn-Pb合金體系和Zn-Ti合金體系等。其中Zn-Al合金體系中鋅和鋁在液態(tài)下無限互溶，而在固態(tài)下有限互溶，鋅在鋁中的最大溶解度為1.14wt%；鋅Cu合金體系中鋅和銅可以以任何比例構(gòu)成合金，隨鋅的增加，黃銅的顏色由紅到黃到金黃變化，銅能提高鋅的蠕變抗力。
Zn-Mg合金體系中鎂基合金可單獨(dú)被使用。由于Mg-Zn二元系合金的結(jié)晶溫度間隔較大，所以鑄造性能很差，加入少量鋯可以改善其鑄造性能，降低了合金的縮松傾向使鑄件中的縮松比較集中在鑄件壁的中央，對機(jī)械性能影響較小，鋯還能與鎂液中的鐵、硅等雜質(zhì)形成化合物下沉起到去除雜質(zhì)的作用，并能在合金表面生成致密的氧化膜提高抗蝕性。鋅對鎂有很好的時(shí)效強(qiáng)化作用。
鋅Fe合金體系中鐵超過0.001 wt％時(shí)，可以在下觀察到FeZn。它在一定量范圍內(nèi)對鋅合金是有益的，因?yàn)樗梢砸种凭Я５拈L大，因而提高材料的強(qiáng)度。如果含量超過了0.08wt％，延性降低、脆性增大。鐵對鋅的耐蝕性有影響，如果超過0.0014wt％，就在鋅陽極上產(chǎn)生一個(gè)高電阻的富鐵層來保護(hù)鐵水中的鐵結(jié)構(gòu)。如果含鐵量超過0.0025wt％，會增加酸對鋅的腐蝕程度。
Zn-Pb合金體系中，鉛幾乎不能固溶于鋅中，所以鉛對鋅的機(jī)械性能影響不大，但是它能降低鋅的工作溫度，在某些情況下，如在干電池中，鉛可以減少鋅的腐蝕來延長壽命。
鋅鋁基三元及多元合金體系
鋅鋁基三元及多元合金體系中最常見的是鋅Al-Mg合金體系，該體系中有6個(gè)二元反應(yīng)及7個(gè)三元反應(yīng)，固態(tài)的鋁能與Mg5Al8、Mg3Zn3Al2、MgZn2、Mg2Zn11、ZnAl及Zn處于平衡狀態(tài)。Zn-Al-Mg合金與其他元素構(gòu)成多種鋅鋁基多元合金體系，這些鋅鋁基多元合金體系有各自的特點(diǎn)。Zn-Al-Mg-Ag合金中的銀能形成細(xì)小彌散中間相以增加合金的拉伸強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，還具有減少晶界周圍無沉淀區(qū)及缺陷的作用，鎂和鋅能降低銀在鋁中的固溶度；鋅Al-Mg-Cr合金中的鉻會形成Cr2Mg3Al18化合物，可以提高Zn-Al-Mg合金的時(shí)效硬化能力；Zn-Al-Mg-Fe合金中的鐵能使合金強(qiáng)化。Zn-Al-Mg-Li合金中的鋰可以提高合金的人工時(shí)效效果；Zn-Al-Mg-Mn合金中的錳能提高合金的電阻率，也能使再結(jié)晶溫度增高。
鋅鋁基三元合金體系除了Zn-Al-Mg合金體系外，還有Zn-Al-Cr合金體系、Zn-Al-Ni合金體系、Zn-Al-Si合金體系和Zn-Al-Sn合金體系等，Zn-Al-Cr合金體系中鉻在鋁中的溶解度隨鋅含量的增加而降低；鋅Al-Si合金體系中鋅使硅在鋁中的固溶度稍微減小，少量鋅對初生硅的尺寸及分布無影響，該系合金中Mn3SiAl15化合物能溶于鋅；Zn-Al-Sn合金體系有中鋅在鋁中的固溶度不受錫的影響，但是錫能降低ZnAI化合物的穩(wěn)定性。
鋅鋁合金若按鑄造方法分，可分為壓鑄合金和重力鑄造合金兩大類；若按用途來分，分為儀表用合金、阻尼合金、模具耐磨合金及零件耐磨合金等。國際上用作鑄件的標(biāo)準(zhǔn)系列主要有兩大類，一類是ZAMAK合金，一類是ZA系列合金。ZAMAK合金有ZAMAK2、ZAMAK3、ZAMAK5及ZAMAK7，主要用于壓力鑄造。ZA系列有ZA-8、ZA-12、ZA-27及ZA-35，ZA-8主要用于熱室壓鑄，ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求，只能用于冷室壓鑄，ZA-35一般用于重力鑄件。
應(yīng)用領(lǐng)域
模具
鋅合金模具是指以鋅為基體，添加鋁、銅及鎂等元素組成的合金作為制模材料，采用熔化澆注的方法制作的沖壓模具。鋅合金模具制模簡單、制造周期短、能節(jié)約模具鋼材，降低成本，還可以反復(fù)使用，適合于多品種少批量生產(chǎn)和新產(chǎn)品試制造，同時(shí)，鋅合金拉延成形過程中，材料本身有自潤性能和耐燒結(jié)性能，拉延件表面不易產(chǎn)生劃痕、劃傷、燒結(jié)等缺陷。鋅合金在澆注模具技術(shù)上比較成熟和完善，主要有鑄塑模、吹塑模、壓型模、沖裁模等，在80年代開始應(yīng)用于制造冷沖壓模。
鋅合金可以用以作夾具的夾緊塊，帶型面的定位塊。對復(fù)雜形面的加工件用實(shí)物作模型澆注夾具體，經(jīng)簡單加工就可以使用，用后可以將其熔化再用、在制作刀具時(shí)，可用鋅合金澆注固定刀體進(jìn)行加工，用于端面銑刀、拉刀等。
配件和零件
鋅鋁合金用于造紙機(jī)械、紡織機(jī)械、制磚機(jī)械、筑路機(jī)械、冶金機(jī)械、起重機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料機(jī)械及礦山機(jī)械等的配件，以及汽車、拖拉機(jī)配件。
由于鋅合金的超塑性，其具有較低的強(qiáng)度及較高的延性，可以通過鍛壓、真空變形或吹壓變形制成形狀復(fù)雜的各種零件，例如ZA-27合金和ZA-35合金，以及ZA-40合金和ZA-43合金等高鋁鋅基合金可以用做軸瓦等滑動摩擦零件。鋅合金還常用于儀表，例如ZK4-1合金等可以用作汽車、電力部門的儀表殼。
生物醫(yī)學(xué)
鋅是骨形成和礦化必需的元素，能刺激成骨細(xì)胞，同時(shí)通過抑制破骨細(xì)胞抑制骨吸收，鋅合金可用于治療骨質(zhì)疏松癥，還適用于骨科內(nèi)植物，并且對可降解鋅合金的進(jìn)一步優(yōu)化則可賦予其抗感染和抗骨溶解的特性，從而達(dá)到多重的治療效果。可降解鋅合金也非常適用于血管支架。鋅離子可通過抗氧化以及穩(wěn)定血管內(nèi)皮細(xì)胞膜保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)而發(fā)揮抗動脈粥樣硬化作用。
裝飾品
鋅合金可以用作裝飾工藝品。銅鋅合金是很好的裝飾材料，它的顏色為黃或金黃色，耐腐蝕好，機(jī)械加工性能好，既是很好的塊體材料又是一種表面裝飾材料。銅鋅合金表面經(jīng)自然氧化或在某些條件下預(yù)氧化后，表面的氧化物膜反射可見光的波長范圍與金相似，表面呈現(xiàn)金黃色澤，這被稱為仿金原理。
防護(hù)鍍層
鋅合金和電鍍鋅是鋼鐵的主要防護(hù)性鍍層目前應(yīng)用比較多的是鋅與鐵族金屬元素組成的二元鋅合金，即鋅-、鋅-鈷和鋅-鐵合金，由于鐵族原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)很相似，它們與鋅形成合金的共沉積特性也很相似，其具有良好的防護(hù)性及性價(jià)比、耐蝕性和低氫脆等，鋅合金鍍層與鋅鍍層相比具有更高的耐蝕性，因此鋅合金可以作為代鎘鍍層（特別是鋅鎳合金）。
傳感器
由鋅合金材料制作的傳感器可探測的聲壓低且傳感器靈敏度較高，這種傳感器對外界聲波振動信號具有良好的線性響應(yīng)遙。此外，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適合應(yīng)用于聲波振動領(lǐng)域。
通訊設(shè)備
鋅合金可以用作通訊設(shè)備，油田企業(yè)技術(shù)部門在油田電網(wǎng)傳統(tǒng)傳輸線路中采用纖芯損耗率較低的鎳鋅合金導(dǎo)線，改善了線路傳輸利用率低、出現(xiàn)故障時(shí)難以操作和維護(hù)的問題。
性能
物理性能
壓力鑄造鋅合金物理性能：
重力鑄造鋅合金物理性能：
一般機(jī)械性能
鋅合金具有良好的機(jī)械加工性能，既可進(jìn)行粗車、精車，也可進(jìn)行研磨加工，其具有優(yōu)良的表面質(zhì)量、良好的耐蝕性、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。鋅合金中的鋁能較大程度地提高鋅液的流動性，從而能改善其鑄造性能。高鋁合金的強(qiáng)度高而密度小，表現(xiàn)出高比強(qiáng)的特點(diǎn)，含鋁高于5％的鋅合金，其拉伸強(qiáng)度變化的總趨勢是隨著鋁含量的提高而增大，其它一些元素對鋅合金力學(xué)性能也有不同程度的影響。
鋅鋁合金中枝晶和共晶基體的斷裂性能都是各向異性的。當(dāng)施加的應(yīng)力垂直于基面時(shí)，枝晶容易劈裂，而處于有利取向時(shí)，它們又會表現(xiàn)出韌性的特征，鋅鋁合金中的兩種組織組成物都可能致韌或致脆。
鋅銅合金比鋅鋁合金有更好的抗蠕變性能，鋅鋁合金中也加入Cu，Mg等元素在不顯著損害超塑性能的情況下來改善它們的抗蠕變性能。合金的抗蠕變性能隨鋁含量的增大而提高，而隨鋁含量的增加，蠕變速率減小，斷裂延伸率也不隨鋁含量變化。
摩擦磨損特性
一般說來，鋅合金中的鋁含量提高，其耐磨性也提高。就鋅鋁二元合金來說，在其表面通過鋁及鋅的氧化物的形成而使其具有好的耐磨性。鋁的氧化物硬、而鋅的氧化物軟，這樣鋅的氧化物就起到潤滑的作用，他們二者的組合，便使鋅合金具有了一定的耐磨特性。
普通壓鑄鋅合金中銅的添加量僅在1％左右，其原因在于銅使合金性能不穩(wěn)定，且降低沖擊強(qiáng)度。而高鋁的鋅合金中為了獲得實(shí)用的好的耐磨性能，多加入較高量的鋼。熱處理也可改善合金的耐磨性。
切削加工特性
鋅鋁二元合金在切削時(shí)有一定的困難，尤其是共析成分附近處于超塑狀態(tài)時(shí)就好象純鐵一樣，既柔軟又具有粘性。若不使用切削和磨削液，則會在刀刃上產(chǎn)生粘著物。此外，磨削中由于粘著物堵塞砂輪孔，使加工變得很困難。
切削力隨著溫度變換，從室溫到低溫而增大，60℃以上時(shí)隨溫度的升高也有增大的傾向。低溫時(shí)，切削力增大是由于低溫硬化所引起被切削材料最大剪切應(yīng)力增高所致，高溫的切削力增大則是由于被切削村料軟化、粘性增加，剪切變形區(qū)域?qū)挾仍龃笠约?a href="/hebeideji/3556460011926206319.html">剪切角減小引起的。為使切削時(shí)在刀具前端產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展，迅速完成剪切，要求一定程度的脆性。因此添加銅、鎂不僅強(qiáng)化鋅鋁合金而且也減小粘性，從而改善了可切削性。
元素作用
許多金屬或非金屬元素能和鋅形成化合物或固溶體，這些元素有低熔點(diǎn)元素Al、Mg、Pb、Bi、Cd、Sn、Sb等，高熔點(diǎn)元素Cu、Ti、Si、Mn、Be、Mo、Cr、Ni等，以及稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd等。
鋁是鋅合金中的主要合金元素，主要特性有：比重輕，有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有耐蝕性，有良好的塑性，其能較大程度地提高鋅液的流動性，從而能改善其鑄造性能，同時(shí)細(xì)化晶粒，引起固溶強(qiáng)化，提高機(jī)械性能。鋁還可以凈化合金熔體中的有害元素，抑制FeZn7等脆性相形成，提高韌性，使鋅與鐵的反應(yīng)能力減弱，有效控制鋅對鐵質(zhì)材料（如鵝頸、模具、坩堝）的腐蝕，同時(shí)需將鋁含量控制在3.8 ~ 4.3%。
鎂能改善壓鑄鋅合金耐蝕性能，穩(wěn)定合金組織，增強(qiáng)鑄件尺寸的穩(wěn)定性。但鎂含量過多會產(chǎn)生熱脆性，使合金熱裂敏感性升高，其含量以0.05％左右時(shí)最佳。鎂含量控制在0.01%~0.02%范圍內(nèi)時(shí)，合金硬度低而不易發(fā)脆，壓鑄過程合金液充型能力良好。
鋅合金中也經(jīng)常使用銅。銅具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，具有很好的耐蝕性。增加銅含量可以提高合金的強(qiáng)度，改善耐磨損性能，但是銅含量過多會影響鑄件尺寸穩(wěn)定性，還會造成鑄件發(fā)脆的問題，因此銅含量一般控制在0.1~1.0%之間。
生產(chǎn)制備
壓鑄鋅合金生產(chǎn)過程低能耗、無污染、原材料豐富且合金流動性良好，應(yīng)選用純度大于99.99%的高純鋅作原料，壓鑄成形后可根據(jù)需要進(jìn)行電鍍、噴涂、噴漆，或陽極鈍化處理，處理后的合金表面具有優(yōu)良的耐腐蝕性。除壓鑄成形方法外，鋅合金還可以采用金屬型鑄造、砂型鑄造、熔模鑄造、連續(xù)鑄造等多方式。
熔鑄鋅合金常用的設(shè)備有燃油反射爐、燃?xì)夥瓷錉t、感應(yīng)爐等。從確保產(chǎn)品質(zhì)量的角度，工頻無芯感應(yīng)爐是最佳熔煉設(shè)備，由于電磁力的攪拌作用，合金液中的各金屬元素可以得到充分接觸混合，可以有效降低熔煉溫度，縮短熔煉時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，金屬損失少，對促進(jìn)成分均勻及合金化更有利，可獲得高質(zhì)量鋅合金。
鋅合金熔煉工藝主要有兩類：一類是先熔Cu再加Al、Zn、Mg；另一類是預(yù)先熔制Al-Cu合金再熔制鋅合金。前者須在超過1000℃的高溫下操作，生產(chǎn)中很少采用；后者雖被廣泛采用，但仍有高溫操作且工序繁雜的缺點(diǎn)。利用工頻無芯感應(yīng)爐熔煉鋅合金，可直接將全部Al錠、電解Cu以及部分Zn錠進(jìn)行裝料，待爐料熔化后再依次加入剩余Zn及Mg和稀土變質(zhì)量。
鋅冶煉廠生產(chǎn)鋅合金，只需增設(shè)一臺中頻無芯感應(yīng)爐制備中間合金，將原來用于熔化鋅片的大功率感應(yīng)電爐進(jìn)行改造，在爐頂中央開設(shè)一個(gè)孔，增加一套攪拌裝置，經(jīng)過計(jì)量配入中間合金，攪拌混合后進(jìn)行澆鑄。這種生產(chǎn)模式的特點(diǎn)是工藝簡單，利用現(xiàn)有鑄錠熔化爐進(jìn)行改造容易。該工藝有幾個(gè)方面的不足：生產(chǎn)效率不高，合金成分不均勻，更換合金品種麻煩，爐溫波動大。
安全事宜
鋅合金壓鑄企業(yè)必須制訂安全技術(shù)措施計(jì)劃，新建、擴(kuò)建、改建項(xiàng)目要嚴(yán)格落實(shí)環(huán)保、安全規(guī)定，職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)施必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)，并且要與主體工程同時(shí)進(jìn)行、同時(shí)施工、同時(shí)投入生產(chǎn)。企業(yè)應(yīng)認(rèn)真做好安全生產(chǎn)教育，應(yīng)對職工進(jìn)行崗位安全培訓(xùn)，并經(jīng)考核合格后方能上崗。
管理者必須清楚生產(chǎn)現(xiàn)場的爆炸、火災(zāi)等危險(xiǎn)場所，并采用可以有效控制的安全措施。生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)有良好的通風(fēng)換氣設(shè)備，應(yīng)配備應(yīng)急響應(yīng)器材和設(shè)施，并禁止吸煙。熔化爐和保溫爐上方、周邊1.5米范圍內(nèi)禁止設(shè)置液體管道或易燃物。
鋅合金企業(yè)人員要嚴(yán)格遵守企業(yè)規(guī)章制度，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行操作。生產(chǎn)人員必須按照GB/T11651的相關(guān)規(guī)定使用保護(hù)用品，非自動熔爐加料人員須戴防護(hù)面罩，進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場的非操作人員必須佩戴防護(hù)眼鏡和安全帽。生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)配備必要的急救用品。
參考資料 >