zinc alloy
【概述】
高鋁鋅基合金是新型重力鑄造鋅基合金系列（ZA8、ZA12、ZA27）的代稱，其在1997年被列入國家推薦標準《鑄造鋅基合金》後（標準代號：GB/T1175-1997），以ZnAl27Cu2Mg即ZA27-2為代表並衍生的高鋁鋅基合金，作為新型軸承合金已廣泛取代部分巴氏合金和青銅，用來製造各類軸瓦、軸套、滑板、滑塊、蝸輪及傳動螺母等減摩耐磨件。
以鋅為基加入其他元素組成的合金。常加的合金元素有鋁、銅、鎂、鎘、鉛、鈦等。鋅基合金熔點低，流動性好，易熔焊，釺焊和塑性加工，在大氣中耐腐蝕，殘廢料便於回收和重熔；但蠕變強度低，易發生自然時效引起尺寸變化。熔融法製備，壓鑄或壓力加工成材。按製造工藝可分為鑄造鋅基合金和變形鋅基合金。
與巴氏合金相比
除了擁有顯著的性價比優勢外，還具有更高的強韌性、更低的比重和更寬的套用範圍等特點。
與青銅相比
1．強度、硬度和許用壓力與鋁青銅相當，廣泛超過錫、鉛等青銅，許用速度相近。完全能夠滿足軸瓦等獨立減摩耐磨零件使用條件的需求。
2．對潤滑油的親和力較強，自潤滑性更好，加上其冶金特性（熔點低，不易與鋼軸發生冶金結合），因此使用中抗粘著性強，減摩耐磨特性更加突出。
3．摩擦係數低，磨損小，因而使用壽命更長。同等使用條件下，一般在銅瓦的1倍以上，從而降低了配件的採購成本。
4．熱導率大（ZZnAl27Cu2Mg λ=125； ZCuAl10Fe3 λ=59），散熱快，磨麵溫升慢且低，對配對摩擦有更好的保護作用。
5．材料密度低（ZZnAl27Cu2Mg ρ=5g/cm3），產品質量輕（同型號、同規格質量輕1/3），安裝、維護更加容易、方便。
6．具有較高阻尼特性，減振抗噪。
一、國標規定的ZA27-2化學成分及物理特性：
合金牌號 合金代號 合金元素 主要雜質含量（不大於）
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 其餘 0.075 0.006 0.006 0.003
Mn0.01
Cr0.01
Ni0.01
合金牌號 合金代號 鑄造方法及狀態 抗拉強度
MPa 延伸率 % 布氏硬度
HBS
ZZnAl27Cu2Mg ZA27-2 SF
ST3
JF 400
310
420 3
8
1 110
90
110
註：T3工藝為320℃·3h爐冷。
二、高鋁鋅基合金製品的化學成分及物理特性：
合金牌號 合金代號 合金元素 主要雜質含量
（不大於）
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 其餘 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 其餘 0.075 0.006 0.006 0.003 Mn0.01
Cr0.01
Ni0.01
合金牌號 合金代號 鑄造方法及狀態 抗拉強度
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
註： T1工藝指穩定化熱處理工藝，T2工藝指時效熱處理工藝。
節約成本 優勢明顯
鋅基合金不僅具有優越的機械性能，更具有極高的性價比。以鋅代銅，不僅能有效保證提高您的產品性能，同時可使您同種規格的產品節省成本40%左右：
以Φ5×74m迴轉窯托輪軸瓦為例，每套12件，可節約166700元.
高鋁鋅基合金在迴轉窯上的套用
使用條件
適用於低速≤7.1m/s、重載≤300Kg/cm2、常溫≤150℃條件下，要求[pv] ≤30。
生產能力
可為10000t/d以下迴轉窯提供全系列托輪軸瓦、軸套產品，具有年產3000台套的生產能力。
高鋁鋅基合金在迴轉窯上的套用
軸瓦的刮研與潤滑建議
1.刮研建議：
a.應保證軸瓦與球面瓦接觸良好，軸瓦背與球面瓦在配合刮研時，接觸點為25×25mm2上不少於3點，並用塗色法進行檢查。
b.應保證軸瓦與軸頸接觸均勻、連續。刮研接觸角以30～40度為宜，接觸點為1～2點/cm2。
1
0
PUBLIC POWER
08/09
c.軸瓦與軸頸的側隙應刮削平順，檢測規範可參見設計部門提供的安裝方案。實際中應根據瓦口間隙的大小和儲油槽的深淺、平順刮削至接觸帶，起始處不小於1mm，末端應在0.15～0.20之間。
d.軸瓦刮研端面為10×10mm2上不少於1點。
2.潤滑建議
a.通常情況下，夏季宜採用VG680動力粘度的潤滑油，冬季宜採用VG460動力粘度的潤滑油。同時，使用中也要考慮環境和地域的差異並高度關注潤滑油膜的厚度是否滿足潤滑要求。
b.雖然高鋁鋅基合金軸瓦與青銅軸瓦相比對潤滑油的要求更低，但是因為當今設備的發展趨勢正向著負荷大、效率高、壽命長的方向發展，因此我們一定要更新潤滑觀念，為了保證設備更加安全運行，建議採用高品質的含有極壓及耐磨添加劑的潤滑油。
c.高度關注磨合初期的潤滑情況，加強監控與清潔。
《中華人民共和國國家標準---鑄造鋅合金》 GB/T 1175-1997 (1997-03-04發布 1997-09-01實施)
本標準首次全面修訂。目前，國際標準化組織（ISO）尚未制訂鑄造鋅合金標準（僅有一個鋅合金標準ISO301-1981,其中僅列出合金錠的化學成分沒有列出力學性能）。為促進國際貿易，技術和經濟交流，同時又能滿足國內市場須要，在本版本中引進了德國標準DIN1743中兩個合金牌號（適用於製造衝壓模具和美術裝飾品），美國標準ASTM B791中三個合金牌號（適用於製造減磨、減震和結構件）。上述五個合金牌號在引用時僅採用了它們的化學成分和力學性能指標，具體見本標準附錄B。
本版本在下列章節中有所改變：
---第3章中給出鋅合金定義、新的牌號和代號；
---第4.1條中在ZA9-2合金中將鋁含量上限由11.0%改為10.0%,在ZA 11-5合金中將鋁含量下限由9.0%改為10.0%,取消ZZnAl4和ZZnAl4-0.5兩個壓軸合金牌號；
---第4.4條中增加試樣澆冒口系統
---第4.7條中新增條文；
---第5章中新增條文5.1-5.6
本標準GB 16746-1997《鋅合金鑄件》配套使用。
本標準的附錄A是標準的附錄；
本標準的附錄B是提示的附錄。
本標準由中華人民共和國機械工業部提出。
本標準由全國鑄造標準化技術委員會歸口。
本標準起草單位：瀋陽鑄造研究所、河南中發合金製品有限公司（現許昌眾力合金製品有限公司）、阿城市有色金屬鑄造廠、瀋陽高壓開關廠、包頭五二研究所。
本標準主要起草人：張照文、申震濤、李東基、張斌、靳依林
【鋅基合金成分及鑄件品質】
一、鋅基合金的特點
1. 比重大。
2. 鑄造性能好，可以壓鑄形狀複雜、薄壁的精密件，鑄件表面光滑。
3. 可進行表面處理：電鍍、噴塗、噴漆。
4. 熔化與壓鑄時不吸鐵，不腐蝕壓型，不粘模。
5. 有很好的常溫機械性能和耐磨性。
6. 熔點低，在385℃熔化，容易壓鑄成型。
使用過程中須注意的問題：
1. 抗蝕性差。當合金成分中雜質元素鉛、鎘、錫超過標準時，導致鑄件老化而發生變形，表現為體積脹大，機械性能特別是塑性顯著下降，時間長了甚至破裂。
鉛、錫、鎘在鋅基合金中溶解度很小，因而集中於晶粒邊界而成為陰極，富鋁的固溶體成為陽極，在水蒸氣（電解質）存在的條件下，促成晶間電化學腐蝕。壓鑄件因晶間腐蝕而老化。
2. 時效作用
鋅基合金的組織主要由含Al和Cu的富鋅固溶體和含Zn的富Al固溶體所組成，它們的溶解度隨溫度的下降而降低。但由於壓鑄件的凝固速度極快，因此到室溫時，固溶體的溶解度是大大地飽和了。經過一定時間之後，這種過飽和現象會逐漸解除，而使鑄件地形狀和尺寸略起變化。
3. 鋅基合金壓鑄件不宜在高溫和低溫（0℃以下）的工作環境下使用。鋅基合金在常溫下有較好的機械性能。但在高溫下抗拉強度和低溫下衝擊性能都顯著下降。
圖1 時效時間對鋅基合金屈服強度和衝擊韌性的影響
圖2 溫度對抗拉強度的影響
二、鋅基合金種類
Zamak 3: 良好的流動性和機械性能。
套用於對機械強度要求不高的鑄件，如玩具、燈具、裝飾品、部分電器件。
Zamak 5: 良好的流動性和好的機械性能。
套用於對機械強度有一定要求的鑄件，如汽車配件、機電配件、機械零件、電器元件。
Zamak 2: 用於對機械性能有特殊要求、對硬度要求高、尺寸精度要求一般的機械零件。
ZA8: 良好的流動性和尺寸穩定性，但流動性較差。
套用於壓鑄尺寸小、精度和機械強度要求很高的工件，如電器件。
Superloy: 流動性最佳，套用於壓鑄薄壁、大尺寸、精度高、形狀複雜的工件，如電器元件及其盒體。
不同的鋅基合金有不同的物理和機械特性，這樣為壓鑄件設計提供了選擇的空間。
三、鋅基合金的選擇
選擇哪一種鋅基合金，主要從三個方面來考慮
1. 壓鑄件本身的用途，需要滿足的使用性能要求。包括：
（1） 力學性能，抗拉強度，是材料斷裂時的最大抗力；
伸長率，是材料脆性和塑性的衡量指標；
硬度，是材料表面對硬物壓入或摩擦所引起的塑性變形的抗力。
（2） 工作環境狀態：工作溫度、濕度、工件接觸的介質和氣密性要求。
（3） 精度要求：能夠達到的精度及尺寸穩定性。
2. 工藝性能好：（1）鑄造工藝；
（2）機械加工工藝性；
（3）表面處理工藝性。
3. 3. 經濟性好：原材料的成本與對生產裝備的要求（包括熔煉設備、壓鑄機、模具等），以及生產成本。
四、鋅基合金成分控制
1. 標準合金成分
Zamak 2
Zamak 3
Zamak 5
ZA8
Superloy
AcuZinc 5
鋁
3.8 ~ 4.3
3.8 ~ 4.3
3.8 ~ 4.3
8.2 ~ 8.8
6.6 ~ 7.2
2.8 ~ 3.3
銅
2.7 ~ 3.3
<0.030
0.7 ~ 1.1
0.9 ~ 1.3
3.2 ~ 3.8
5.0 ~ 6.0
鎂
0.035 ~ 0.06
0.035 ~ 0.06
0.035 ~ 0.06
0.02 ~ 0.035
<0.005
0.025 ~ 0.05
鐵
<0.020
<0.020
<0.020
<0.035
<0.020
<0.075
鉛
<0.003
<0.003
<0.003
<0.005
<0.003
<0.005
鎘
<0.003
<0.003
<0.003
<0.005
<0.003
<0.004
錫
<0.001
<0.001
<0.001
<0.001
<0.001
<0.003
鋅
餘量
餘量
餘量
餘量
餘量
餘量
2. 合金中個元素的作用
合金成分中，有效合金元素：鋁、銅、鎂；有害雜質元素：鉛、鎘、錫、鐵。
（1）鋁
作用：① 改善合金的鑄造性能，增加合金的流動性，細化晶粒，引起固溶強化，提高機械性能。
② 降低鋅對鐵的反應能力，減少對鐵質材料，如鵝頸、模具、坩堝的侵蝕。
鋁含量控制在3.8 ~ 4.3%。主要考慮到所要求的強度及流動性，流動性好是獲得一個完整、尺寸精確、表面光滑的鑄件必需的條件。
鋁對流動性和機械性能的影響見圖3。流動性在鋁含量5 %時達到最大值；在3 %時降到最小值。鋁對衝擊強度的影響見圖3中虛線。衝擊強度在含鋁量3.5 %達到最大值；6 %時降到最小值。含鋁量超過4.3 %，合金變脆。含鋁量低於規定範圍，導致薄壁件充型困難，有鑄後冷卻破裂的可能。鋁在鋅基合金中不利的影響是產生Fe2Al3浮渣，造成其含量下降。
圖3 鋁對合金流動性和機械性能的影響
（2） 銅
作用：1. 增加合金的硬度和強度；
2. 改善合金的抗磨損性能；
3. 減少晶間腐蝕。
不利：1. 含銅量超過1.25%時，使壓鑄件尺寸和機械強度因時效而發生變化；
2. 降低合金的可延伸性。
作用：① 增加 銅含量對合金強度的影響見圖4。
圖4 銅對合金強度的影響
（3）鎂
作用：① 減少晶間腐蝕
② 細化合金組織，從而增加合金的強度
③ 改善合金的抗磨損性能
不利：① 含鎂量 > 0.08%時，產生熱脆、韌性下降、流動性下降。
② 易在合金熔融狀態下氧化損耗。
鎂對合金流動性的影響見圖5。
圖5 鎂對合金流動性的影響
（4）雜質元素：鉛、鎘、錫
使鋅基合金的晶間腐蝕變成十分敏感，在溫、濕環境中加速了本身的晶間腐蝕，降低機械性能，並引起鑄件尺寸變化。
當鋅基合金中雜質元素鉛、鎘含量過高，工件剛壓鑄成型時，表面質量一切正常，但在室溫下存放一段時間後（八周至幾個月），表面出現鼓泡。
圖6 鉛、鎘含量過高造成晶間腐蝕的顯微照片
（5）雜質元素：鐵
① 鐵與鋁發生反應形成Al5Fe2金屬間化合物，造成鋁元素的損耗並形成浮渣。
② 在壓鑄件中形成硬質點，影響後加工和拋光。
③ 增加合金的脆性。
鐵元素在鋅液中的溶解度是隨溫度增加而增加，每一次爐內鋅液溫度變化都將導致鐵元素過飽和（當溫度下降時），或不飽和（當溫度上升時）。當鐵元素過飽和時，處於過飽和的鐵將與合金中鋁發生反應，結果是造成浮渣量增加。當鐵元素不飽和時，合金對鋅鍋和鵝頸材料的腐蝕將會增強，以回到飽和狀態。兩種溫度變化的一個共同結果是最終造成對鋁元素的消耗，形成更多的浮渣。
圖7 鐵在鋅基合金中的溶解度隨溫度的變化
五、生產中注意的問題
1. 控制合金成分從採購合金錠開始，合金錠必須是以特高純度鋅為基礎，加上特高純度鋁、鎂、銅配製成的合金錠，供應廠有嚴格的成分標準。優質的鋅基合金料是生產優質鑄件的保證。
2. 採購回來合金錠要保證有清潔、乾燥的堆放區，以避免長時間暴露在潮濕中而出現白銹，或被工廠髒物污染而增加渣的產生，也增加金屬損耗。清潔的工廠環境對合金成分的有效控制是很有作用的。
3. 新料與水口等回爐料配比，回爐料不要超過50%，一般新料：舊料 = 70：30。連續的重熔合金中鋁和鎂逐漸減少。
4. 水口料重熔時，一定要嚴格控制重熔溫度不要超過430℃，以避免鋁和鎂的損耗。
5. 有條件的壓鑄廠最好採用集中熔爐熔化鋅基合金，使合金錠與回爐料均勻配比，熔劑可更有效使用，使合金成分及溫度保持均勻穩定。電鍍廢品、細屑應單獨熔爐。
