锌基合金铸件品质

一、锌基合金的特点

1. 比重大。

2. 铸造性能好，可以压铸形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑。

3. 可进行表面处理:电镀、喷涂、喷漆。

4. 熔化与压铸时不吸铁，不腐蚀压型，不粘模。

5. 有很好的常温机械性能和耐磨性。

6. 熔点低，在385℃熔化，容易压铸成型。

使用过程中须注意的问题:

1. 抗蚀性差。当合金成分中杂质元素铅、镉、锡超过标准时，导致铸件老化而发生变形，表现为体积胀大，机械性能特别是塑性显著下降，时间长了甚至破裂。

铅、锡、镉在锌基合金中溶解度很小，因而集中于晶粒边界而成为阴极，富铝的固溶体成为阳极，在水蒸气(电解质)存在的条件下，促成晶间电化学腐蚀。压铸件因晶间腐蚀而老化。

2. 时效作用

锌基合金的组织主要由含Al和Cu的富锌固溶体和含Zn的富Al固溶体所组成，它们的溶解度随温度的下降而降低。但由于压铸件的凝固速度极快，因此到室温时，固溶体的溶解度是大大地饱和了。经过一定时间之后，这种过饱和现象会逐渐解除，而使铸件地形状和尺寸略起变化。

3. 锌基合金压铸件不宜在高温和低温(0℃以下)的工作环境下使用。锌基合金在常温下有较好的机械性能。但在高温下抗拉强度和低温下冲击性能都显著下降。

图1 时效时间对锌基合金屈服强度和冲击韧性的影响

图2 温度对抗拉强度的影响

二、锌基合金种类

Zamak 3: 良好的流动性和机械性能。

应用于对机械强度要求不高的铸件，如玩具、灯具、装饰品、部分电器件。

Zamak 5: 良好的流动性和好的机械性能。

应用于对机械强度有一定要求的铸件，如汽车配件、机电配件、机械零件、电器元件。

Zamak 2: 用于对机械性能有特殊要求、对硬度要求高、尺寸精度要求一般的机械零件。

ZA8: 良好的流动性和尺寸稳定性，但流动性较差。

应用于压铸尺寸小、精度和机械强度要求很高的工件，如电器件。

Superloy: 流动性最佳，应用于压铸薄壁、大尺寸、精度高、形状复杂的工件，如电器元件及其盒体。

不同的锌基合金有不同的物理和机械特性，这样为压铸件设计提供了选择的空间。

三、锌基合金的选择

选择哪一种锌基合金，主要从三个方面来考虑

1. 压铸件本身的用途，需要满足的使用性能要求。包括:

(1) 力学性能，抗拉强度，是材料断裂时的最大抗力;

伸长率，是材料脆性和塑性的衡量指标;

硬度，是材料表面对硬物压入或摩擦所引起的塑性变形的抗力。

(2)工作环境状态:工作温度、湿度、工件接触的介质和气密性要求。

(3) 精度要求:能够达到的精度及尺寸稳定性。

2. 工艺性能好:(1)铸造工艺;

(2)机械加工工艺性;

(3)表面处理工艺性。

3. 3. 经济性好:原材料的成本与对生产装备的要求(包括熔炼设备、压铸机、模具等)，以及生产成本。

四、锌基合金成分控制

1. 标准合金成分

Zamak 2

Zamak 3

Zamak 5

ZA8

Superloy

AcuZinc 5

铝

3.8 ~ 4.3

3.8 ~ 4.3

3.8 ~ 4.3

8.2 ~ 8.8

6.6 ~ 7.2

2.8 ~ 3.3

铜

2.7 ~ 3.3

<0.030

0.7 ~ 1.1

0.9 ~ 1.3

3.2 ~ 3.8

5.0 ~ 6.0

镁

0.035 ~ 0.06

0.035 ~ 0.06

0.035 ~ 0.06

0.02 ~ 0.035

<0.005

0.025 ~ 0.05

铁

<0.020

<0.020

<0.020

<0.035

<0.020

<0.075

铅

<0.003

<0.003

<0.003

<0.005

<0.003

<0.005

镉

<0.003

<0.003

<0.003

<0.005

<0.003

<0.004

锡

<0.001

<0.001

<0.001

<0.001

<0.001

<0.003

锌

余量

余量

余量

余量

余量

余量

2. 合金中个元素的作用

合金成分中，有效合金元素:铝、铜、镁;有害杂质元素: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，减少对铁质材料，如鹅颈、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图3。流动性在铝含量5 %时达到最大值;在3 %时降到最小值。铝对冲击强度的影响见图3中虚线。冲击强度在含铝量3.5 %达到最大值;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。铝在锌基合金中不利的影响是产生Fe2Al3浮渣，造成其含量下降。

图3 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. 含铜量超过1.25%时，使压铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化;

2. 降低合金的可延伸性。

作用:① 增加 铜含量对合金强度的影响见图4。

图4 铜对合金强度的影响

(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图5。

图5 镁对合金流动性的影响

(4)杂质元素:铅、镉、锡

使锌基合金的晶间腐蚀变成十分敏感，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。

当锌基合金中杂质元素铅、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后(八周至几个月)，表面出现鼓泡。

图6 铅、镉含量过高造成晶间腐蚀的显微照片

(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，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，结果是造成浮渣量增加。当铁元素不饱和时，合金对锌锅和鹅颈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。

图7 铁在锌基合金中的溶解度随温度的变化

五、生产中注意的问题

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。优质的锌基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. 有条件的压铸厂最好采用集中熔炉熔化锌基合金，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、细屑应单独熔炉。

国标规定的ZA27-2化学成分及物理特性

合金牌号 合金代号 合金元素 主要杂质含量(不大于)

ZZnAl27Cu2Mg ZA27-2 Al Cu Mg Zn Fe Pb Cd Sn 其他

25.0-28.0 2.0-2.5 0.01-0.020 其余 0.075 0.006 0.006 0.003

Mn0.01

Cr0.01

Ni0.01

合金牌号 合金代号 铸造方法及状态 抗拉强度

MPa 延伸率 % 布氏硬度

HBS

ZZnAl27Cu2Mg ZA27-2 SF

ST3

JF 400

310

420 3

8

1 110

90

110

注:T3工艺为320℃·3h炉冷。

高铝锌基合金制品的化学成分及物理特性

合金牌号 合金代号 合金元素 主要杂质含量

(不大于)

Al Cu Mg Zn Fe Pb Cd Sn 其他

ZZnAl27Cu1Mg ZA27-1B 25.0-28.0 1.0-2.0 0.01-0.02 其余 0.055 0.006 0.006 0.003 Mn0.01

Cr0.01

Ni0.01

ZZnAl27Cu2Mg ZA27-2B1

ZA27-2B2

25.0-30.0 2.0-3.0 0.01-0.02 其余 0.075 0.006 0.006 0.003 Mn0.01

Cr0.01

Ni0.01

合金牌号 合金代号 铸造方法及状态 抗拉强度

MPa 延伸率 % 布氏硬度

HBS

ZZnAl27Cu1Mg ZA27-1B SF 380 10 100

JT2 350 14 90

JF 400 6 110

ZZnAl27Cu2Mg ZA27-2B1 SF 400 10 100

JT1 360 14 90

JF 420 6 110

ZA27-2B2 SF 420 10 105

JT1 380 12 90

JF 440 6 120

注: T1工艺指稳定化热处理工艺，T2工艺指时效热处理工艺。

节约成本 优势明显

锌基合金不仅具有优越的机械性能，更具有极高的性价比。以锌代铜，不仅能有效保证提高您的产品性能，同时可使您同种规格的产品节省成本40%左右:

以Φ5×74m回转窑托轮轴瓦为例，每套12件，可节约166700元.

高铝锌基合金在回转窑上的应用

使用条件

适用于低速≤7.1m/s、重载≤300Kg/cm2、常温≤150℃条件下，要求[pv] ≤30。

生产能力

可为10000t/d以下回转窑提供全系列托轮轴瓦、轴套产品，具有年产3000台套的生产能力。

高铝锌基合金在回转窑上的应用

轴瓦的刮研与润滑建议

1.刮研建议:

a.应保证轴瓦与球面瓦接触良好，轴瓦背与球面瓦在配合刮研时，接触点为25×25mm2上不少于3点，并用涂色法进行检查。

b.应保证轴瓦与轴颈接触均匀、连续。刮研接触角以30~40度为宜，接触点为1~2点/cm2。

1

0

PUBLIC POWER

08/09

c.轴瓦与轴颈的侧隙应刮削平顺，检测规范可参见设计部门提供的安装方案。实际中应根据瓦口间隙的大小和储油槽的深浅、平顺刮削至接触带，起始处不小于1mm，末端应在0.15~0.20之间。

d.轴瓦刮研端面为10×10mm2上不少于1点。

2.润滑建议

a.通常情况下，夏季宜采用VG680动力粘度的润滑油，冬季宜采用VG460动力粘度的润滑油。同时，使用中也要考虑环境和地域的差异并高度关注润滑油膜的厚度是否满足润滑要求。

b.虽然高铝锌基合金轴瓦与青铜轴瓦相比对润滑油的要求更低，但是因为当今设备的发展趋势正向着负荷大、效率高、寿命长的方向发展，因此我们一定要更新润滑观念，为了保证设备更加安全运行，建议采用高品质的含有极压及耐磨添加剂的润滑油。

c.高度关注磨合初期的润滑情况，加强监控与清洁。

《中华人民共和国国家标准---铸造锌合金》 GB/T 1175-1997 (1997-03-04发布 1997-09-01实施)

本标准首次全面修订。国际标准化组织(ISO)尚未制订铸造锌合金标准(仅有一个锌合金标准ISO301-1981,其中仅列出合金锭的化学成分没有列出力学性能)。为促进国际贸易，技术和经济交流，同时又能满足国内市场须要，在本版本中引进了德国标准DIN1743中两个合金牌号(适用于制造冲压模具和美术装饰品)，美国标准ASTM B791中三个合金牌号(适用于制造减磨、减震和结构件)。上述五个合金牌号在引用时仅采用了它们的化学成分和力学性能指标，具体见本标准附录B。

本版本在下列章节中有所改变:

---第3章中给出锌合金定义、新的牌号和代号;

---第4.1条中在ZA9-2合金中将铝含量上限由11.0%改为10.0%,在ZA 11-5合金中将铝含量下限由9.0%改为10.0%,取消ZZnAl4和ZZnAl4-0.5两个压轴合金牌号;

---第4.4条中增加试样浇冒口系统

---第4.7条中新增条文;

---第5章中新增条文5.1-5.6

本标准GB 16746-1997《锌合金铸件》配套使用。

本标准的附录A是标准的附录;

本标准的附录B是提示的附录。

本标准由中华人民共和国机械工业部提出。

本标准由全国铸造标准化技术委员会归口。

本标准起草单位:沈阳铸造研究所、河南中发合金制品有限公司(现许昌众力合金制品有限公司)、阿城市有色金属铸造厂、沈阳高压开关厂、包头五二研究所。

本标准主要起草人:张照文、申震涛、李东基、张斌、靳依林

与巴氏合金相比

除了拥有显著的性价比优势外，还具有更高的强韧性、更低的比重和更宽的应用范围等特点。

与青铜相比

1.强度、硬度和许用压力与铝青铜相当，广泛超过锡、铅等青铜，许用速度相近。完全能够满足轴瓦等独立减摩耐磨零件使用条件的需求。

2.对润滑油的亲和力较强，自润滑性更好，加上其冶金特性(熔点低，不易与钢轴发生冶金结合)，因此使用中抗粘着性强，减摩耐磨特性更加突出。

3.摩擦系数低，磨损小，因而使用寿命更长。同等使用条件下，一般在铜瓦的1倍以上，从而降低了配件的采购成本。

4.热导率大(ZZnAl27Cu2Mg λ=125; ZCuAl10Fe3 λ=59)，散热快，磨面温升慢且低，对配对摩擦有更好的保护作用。

5.材料密度低(ZZnAl27Cu2Mg ρ=5g/cm3)，产品质量轻(同型号、同规格质量轻1/3)，安装、维护更加容易、方便。

6.具有较高阻尼特性，减振抗噪。

其在1997年被列入国家推荐标准《铸造锌基合金》后(标准代号:GB/T1175-1997)，以ZnAl27Cu2Mg即ZA27-2为代表并衍生的高铝锌基合金，作为新型轴承合金已广泛取代部分巴氏合金和青铜，用来制造各类轴瓦、轴套、滑板、滑块、蜗轮及传动螺母等减摩耐磨件。

以锌为基加入其他元素组成的合金。常加的合金元素有铝、铜、镁、镉、铅、钛等。锌基合金熔点低，流动性好，易熔焊，钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔;但蠕变强度低，易发生自然时效引起尺寸变化。熔融法制备，压铸或压力加工成材。按制造工艺可分为铸造锌基合金和变形锌基合金。

一、锌基合金的发展

1930年"二战"前夕，德国为了解决铜资源紧缺和高成本的问题，开始寻找锡青铜、铅黄铜及巴氏合金的替代品，启动了新一代滑动轴承合金的研究。

1935年，德国经过近五年的研究，发现铸造锌基合金和铸造铝基合金的力学性能和减摩性能均可以超过铜基合金和巴氏合金。

1938年德国成功地使用铸造锌基合金替代锡青铜、铝青铜和使用铸造铝基合金替代了巴氏合金等用来制造轴瓦(套)产品，而且装备到军事坦克和汽车中并取得良好的效果。

1939-1943年"二战"期间，德国铸造锌基合金和铸造铝基合金的年使用总量由7800吨猛增到49000吨，这一变化引起了国际铅锌组织的高度关注和重视。

1959年，国际铅锌组织成员单位联合启动了一项科研计划，命名为"LONG-S PLAN"，其宗旨是研发一种比铜基合金和巴氏合金的性能更高、使用寿命更长的新一代减摩合金，在该计划中将此研发中的减摩合金称之为long-s metal。

1961-1963年间，国际铅锌组织成员单位率先研制出铝基long-s metal减摩合金，牌号分别为AS7、AS12、AS20等。铝基合金AS7、AS12首先被应用在汽车上替代了传统的铜基合金轴瓦，使汽车的高速性能得到了很大提高，促进了汽车工业快速发展;在此之后铝基合金AS20又在大、中型电动机、汽轮机、水轮机、工业泵、鼓风机、压缩机等高速、中低载荷的工况下得到了应用，替代了传统的巴氏合金，促进了装备制造业的快速发展。

上世纪70年代初期，加拿大Norand Mines Limied研究中心与美国Zastern公司合作，研制出锌基long-s metal减摩合金ZA8、ZA12、ZA27等，并将ZA27减摩合金应用在轧钢机、压力机、齿轮箱、磨煤机、空调、精密机床等低速、重载的工作场合，全面替代了传统的铜基合金减摩材料。

新一代long-s metal减摩合金的问世受到国际上广大用户的极大关注，许多工业发达国家都在long-s metal研发上投入更多的人力、物力，仅美国就有数十家公司开发long-s metal铝基、锌基等系列减摩合金。

由于long-s metal具有优良的减摩性、较好的经济性，在制造业领域迅速得到推广并全面替代铜基合金、巴氏合金等传统减摩合金，具有很强的市场竞争力。

后来人们称long-s metal轴承合金为新型减摩合金。

美国Zastern公司技术顾问Mr.Bess在其介绍"LONG-S PLAN"文章中指出:研制经济型long-s metal锌基合金的目的，不仅仅是要在传统轴承合金能够胜任的场合替代它们，更重要的是通过long-s技术，使long-s metal应用于铜基合金和巴氏合金在强度、耐磨性不能满足要求的场合。

据Mr.Bess当时的预测:"long-s metal锌基合金在近期会有一个很大的发展，其生产规模和销售市场将迅速扩大，二十一世纪将是long-s metal 锌基合金的全盛时期。"

二、国内锌基合金的发展

缘于新型long-s metal锌基合金与传统的巴氏合金皆可用于制造滑动轴承，而且制造成本远远低于巴氏合金，故long-s metal被国内音译为"龙氏合金"，业内称long-s metal为新型减摩合金，更多人习惯称之为新型轴承合金。

1982年，国家铸造技术的归口单位沈阳铸造研究所，引进了美国ASTM B791-1979标准中long-s metal ZA27锌基合金，经过近二年的消化吸收，开发出了国产锌基ZA27新型轴承合金，国家标准代号为ZA27-2，标志了我国新型减摩合金的发展拉开了序幕。

1985年，由时任辽宁省副省长陈淑芝女士的倡导和沈阳铸造研究所有关领导的大力支持下，成立了由沈阳铸造研究所的技术精英组成的沈阳轴瓦材料研究所，专门从事引进国外先进的long-s metal技术，以推动国内"龙氏合金"技术的发展及推广。

1991年，沈阳轴瓦材料研究所首先在锌基ZA27-2合金的基础上，研究开发了高铝锌基ZA303合金材料，解决了ZA27-2低温脆性等缺点，并与当年通过了沈阳市科学技术委员会科学技术成果鉴定，自此"龙氏合金"技术在国内各大高等院校和科研单位进行大范围的扩散和技术交流，推动了我国"龙氏合金"的快速发展。

三、锌基合金进入了"微晶合金"时代

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生，该会议正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

1999年，纳米技术走向市场，基于纳米技术的产品全球年总营业额高达到500亿美元;一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心;中国也将纳米科技列为中国的"973计划"。

2001年，源自纳米技术所衍生出来的一个技术分支---微纳米应用技术。发达国家的微纳米应用技术在基础材料领域已经得到应用并取得了惊人的成果，尤其是应用微纳米技术制造出的许多微晶合金材料，正在对人类产生深远影响，已彻底改变了人们的思维方式。

2005年，中国微米纳米技术学会正式成立，标志着我国的微纳米应用技术起步，在满足功能材料个性需要方面与发达国家站到了同一起跑线上。

中国微米纳米技术学会会员单位的科研人员将微纳米技术应用在特种减摩合金材料领域，先后开发出了为满足某些单项性能有特殊需求的微晶合金材料，如航空发动机用轻体镁基微晶合金、耐高温的镍基微晶合金、要求高度可靠性的银基微晶合金等。特种微晶轴承材料不仅填补了减摩材料国内的空白，而且从材料的单项性能方面保持了与世界微晶合金技术的同步发展。

2009年，中科院沈阳金属研究所、沈阳铸造研究所、沈阳理工大学等微纳米技术应用研究领域的专家们，开展产学研联合攻关;研发出一整套微合金化处理及低温急冷等联合熔铸工艺技术(俗称三次熔炼工艺法)，实现了锌基微晶合金的制备;已有四种锌基微晶合金材料在国内已经实现了批量生产，其中包括具有超低减摩系数的微晶锌基合金LZA3805，具有较大PV值特性的微晶锌基合金LZA4008，具有超耐磨特性的微晶锌基合金LZA4205，具有良好抗冲击特性的微晶锌基合金LZA4510等。

锌基微晶合金可以满足单项性能特殊要求的特性，是区别于传统普通减摩合金的重要标志，为装备制造业实现减摩材料的定制化生产，满足了设备制造的个性化需求，为实现装备制造的高效率、高精度、高可靠性、低成本等方面提供了有力的保障。

2010年，采用锌基微晶合金制造的轴瓦、轴套、蜗轮、滑板、丝母等系列减摩产品，已经成功地在锻压设备制造行业、数控机床制造行业、减变速机制造行业、重型矿山设备制造行业、工程机械制造行业中得到了应用。

锌基微晶合金产品以其高可靠性及稳定性成功替代传统减摩合金和新型减摩合金产品，取得了良好的社会效益和巨大的经济效益，标志我国锌基合金的发展进入了"微晶合金"时代!