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19Metallurgical smelting冶金冶炼稀土在锌铝铸造合金中的作用边明勇（新疆众和股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830013）摘 要：本文全面参考了国内外优秀文献，针对稀土在锌铝铸造合金中的作用进行了简单分析，主要是从工艺性能、显微组织、力学性能、摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、减震性能以及尺寸稳定性等方面进行论述，希望能进一步为稀土对锌铝铸造合金的作用提供一点参考价值。
关键词：稀土；锌铝合金；工艺；作用中图分类号：TG113.12 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2021）12-0019-2收稿日期：2021-06作者简介：边明勇，男，生于1979年，汉族，四川人，本科，工程师，研究方向：有色金属铝的铸造和加工。
锌铝合金一般分为含铝8%的ZA-8、含铝12%的ZA-12和含铝27%的ZA-27三种铸造方式，其具有成本低、能耗低、无污染、性能优良、铸造性能耗等有点，是现代工业合金运用最为广泛的材料之一，在汽车零件制作、拖拉机零件以及模具、工艺装饰品之中的运用最为广泛，可替代某些铜合金、铝合金的铸件等。
含铝8%、12%和27%的三种铸造锌铝合金(即(ZA-8，ZA-12和ZA-27)具有机械性能优良、成本低、能耗少、无污染和铸造性能好等优点，是一种有前途的工程材料，可代替部分铜合金、铝合金和铸铁等。
此类合金可用来制造减摩耐磨零件、汽车及拖拉机配件、模具、装饰工艺品及各种结构件。
在锌铝合金铸造过程中运用稀土元素，将有效提高其工艺性能，提高其经济效益。
因此，本文深入研究了稀土对ZA-8、ZA-12、0ZA-27的组织及性能影响，并结合相关研究，从工艺性能、显微组织、力学性能、摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、减震性能以及尺寸稳定性等方面进行综合分析。
1 稀土对锌铝合金铸造工艺性能的影响。
1.1 底缩锌铝合金的一个显著特点是在凝固过程中铸件底部出现缩孔和缩松，称为地面缩松，特别是在大壁厚的ZA-27合金壳体中。
通用压铸锌合金国际标准（化学成分及物理力学性能） 1、通用牌号锌合金化学成分：通用牌号2号锌 3号锌 4号锌 5号锌 8号锌主要成分铝(Al) 3.9-4.2 3.9-4.2 3.9-4.2 3.9-4.2 8.2-8.8 铜(Cu) 2.7-2.9 ≤0.03 0.3-0.4 0.75-1.1 0.8-1.3 镁(Mg) 0.035-0.05 0.04-0.05 0.04-0.05 0.04-0.05 0.02-0.03 锌(Zn) 余量余量余量余量余量杂质含量≤铁(Fe) ≤0.020 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.035 铅(Pb) ≤0.003 ≤0.003 ≤0.003 ≤0.003 ≤0.005 镉(Cd) ≤0.003 ≤0.002 ≤0.002 ≤0.002 ≤0.005 锡(Sn) ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.002 镍(Ni) ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 硅(Si) ≤0.02 ≤0.02 ≤0.02 ≤0.02 ≤0.035 铟(In) ≤0.0005 ≤0.0005 ≤0.0005 ≤0.0005 ≤0.0005 铊(Ti) ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001表2-3铸造锌合金国际标准成分2、通用牌号锌合金机械特性通用牌号 2# 3# 4# 5# ZA-8 ZA-12机械特性压铸压铸压铸压铸砂铸压铸砂铸压铸极限抗拉强度(MPa) 359 283 317 328 263 374 276-317 400 冲击应力(J) 48 58 61 65 20 42 25 29 延伸系数(%) 7 10 7 7 1-2 6-10 1-3 4-7 布什硬度(HB) 100 82 92 91 85 95-110 89-105 95-115抗剪强度(MPa) 317 214 214-262 262 - 275 255 296 屈服强度(-0.2%,MPa) 283 221 221-269 269 200 290 214 317抗疲劳强度(MPa)59 48 48-57 57 - 103 103 117 （旋转弯曲5亿次）压力屈服强度(-0.1%MPa) 641 414 414-600 600 199 252 227 269表2-5通用牌号锌合金机械特性3、通用牌号锌合金物理性能通用牌号 2# 3# 4# 5# ZA-8 ZA-12密度(g/cm3) 6.6 6.6 6.6 6.6 6.3 6.0熔点(0C) 379-390 381-387 380-386 380-386 375-404 377-432 电导率(%IACS) 25 27 26-27 26 27.7 28.3 热传导率(W/m/hr/0C) 104.7 113.0 108.9-113.0 108.9 114.7 116.1热膨胀系数(100-2000C,um/m27.8 27.4 27.4 27.4 23.3 24.2m/0C)比热(J/kg/0C) 418.7 418.7 418.7 418.7 435.4 448.0缩模率(mm/mm) 0.007 0.007 0.007 0.007 0.0074 0.0075表2-6通用牌号锌合金物理性能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。
锌基合金锌基合金zinc alloy【概述】锌基合金—新型轴承合金高铝锌基合金是新型重力铸造锌基合金系列（ZA8、ZA12、ZA27）的代称，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。
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。
一、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 0.003Mn0.01Cr0.01Ni0.01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HBSZZnAl27Cu2Mg ZA27-2 SFST3JF 400310420 381 11090110注：T3工艺为320℃•3h炉冷。
铸造锌合金中外牌号对照表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170℃时，主要以μ形式存在；在170～330℃范围以β形式存在；在330～419℃范围以α形式存在。
μ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。
表1 重力铸造锌合金铸锭牌号与化学成分(Wt%)
2)
ZA-12锌合金
元素 Element
铝 Aluminum
10.8-11.5
镁 Magnesium
0.020-0.030
铜 Copper
0.5-1.2
铅 Lead
0.005 max
镉 Cadmium
0.005 max
锡 Tin
0.002 max
铁 Iron
0.07max
镍 Nickel
0.001 max
锌 Zinc 余量
ZA-12锌合金具有较高的强度及硬度,并保持有相对的延展性,是办公家具、家具五金配件、锁具的首选材料。
3)
铸造用锌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；苦按用途来分，则分为仪表用合金、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，—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ZAMAK 7。
(为简便起见、统称上述合金为2号、3号、5号及7号合金)。
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1、表2、表3及表4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1 重力铸造锌合金铸锭牌号与化学成分(Wt%)
2)
ZA-12锌合金
元素 Element
铝 Aluminum
10.8-11.5
镁 Magnesium
0.020-0.030
铜 Copper
0.5-1.2
铅 Lead
0.005 max
镉 Cadmium
0.005 max
锡 Tin
0.002 max
铁 Iron
0.07max
镍 Nickel
0.001 max
锌 Zinc 余量
ZA-12锌合金具有较高的强度及硬度,并保持有相对的延展性,是办公家具、家具五金配件、锁具的首选材料。
3)
铸造用锌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；苦按用途来分，则分为仪表用合金、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，—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ZAMAK 7。
(为简便起见、统称上述合金为2号、3号、5号及7号合金)。
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1、表2、表3及表4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。
