热镀锌合金锭的生产工艺和质量控制分析

司新强

（内蒙古兴安铜锌冶炼有限公司，内蒙古 锡林郭勒盟 026209）

锌是仅次于铁，铝和铜的世界第四大金属。2018 年全球锌供应量增加至13.4Mt，全球需求为13.77Mt[1]。大量的锌也被回收利用，二次锌的产量估计占全球消费量的20%～40%左右[2]。但是，由于压铸组成标准中对杂质的严格限制，几乎所有的锌压铸合金都是从初级锌生产中制备的。由于人口的增长，对食物的需求不断增加，导致20 世纪灌溉农业的急剧扩张[4]。通常消耗的锌中约有一半用于镀锌钢中，可防止腐蚀[3]。其他重要的应用包括将锌用于其他涂层，或用作黄铜、青铜、铝和镁合金中的合金元素。锌还被用作化学、制药、化妆品、油漆、橡胶和农业的氧化物。最近，人们已经研究了锌作为铁和镁作为一种新的可生物降解金属的有前途的替代品[4]。但是，世界上约有15%的锌被用作生产锌基合金的基础金属[5]。其中一些以锻造合金形式以平轧、拉丝、挤压和锻造产品的形式在市场上出售。用于生产屋面、落水管、水槽、手电筒反射器、灯具零件等。

热镀锌合金锭具有一系列特性，这使得它们对于热镀制造以及总体而言对于铸造技术特别有吸引力。实际上，它们的特点是熔融温度低、能耗低、模具寿命长以及高流动性，有助于填充复杂的模腔和非常薄的截面，通常低至0.75mm 甚至低至0.13mm[7]。它们显示出良好的机械性能，包括与常规铜合金相当或通常更好的轴承和磨损性能[8]。此外，它们具有良好的光洁度和易于电镀的能力，从而使其更耐腐蚀和磨损，并改善了其美学外观。相反，它们会因性能降低而超过80℃～90℃或在室温下长时间暴露[8]。由于这些原因，它们主要用于许多领域的小型非结构部件，例如汽车、硬件、电气/电子设备、衣服，玩具、运动、装饰品等。热镀锌合金广泛使用的主要局限性在于它们的高密度以及随着温度和时间的增加而丧失的机械性能。

世界上生产的大多数锌合金涂层钢都是在通过减气工艺制备后通过薄板镀锌获得的，该工艺具有生产速度快、产量高、零污染的优点。热镀锌及其合金涂层钢被广泛应用于各个领域。但是，这是一项困难的技术，需要复杂的设备。此外，气体还原工艺不适用于高强度钢和大型结构部件。但是，热镀工艺简单易行，可用于获得薄涂层。用于镀锌的形状复杂且不连续的样品通常通过热镀工艺制备。本文探究在热镀过程中，基材和镀液之间的反应非常迅速和强烈，这可能导致涂层韧性下降。这会导致涂层破裂和剥落。向热镀浴中添加少量合金元素会影响锌合金界面反应层的厚度。大量研究表明，在锌铝浴中添加钒、钛、硅和铜等元素会影响铁铝界面的结构。钒和钛占据了锌合金晶格的空位，从而促进了锌合金的成核。本研究旨在通热镀锌合金工艺制备的钢板和结构部件的镀锌提供基础。因此，本研究使用热镀锌合金工艺制备不连续的热浸镀锌涂层。

1 热镀锌合金锭制造工艺

铸造厂使用的合金超过25 种，并且与商业最相关的合金已在国际标准中指定。添加铜可以提高合金的抗拉强度、硬度和耐磨性以及蠕变性能。通常，也存在少量的镁以抑制晶间腐蚀，即使在现代实践中，由于锌的高纯度其需求非常有限。根据合金元素的数量，通常可以通过不同的工艺来制造市场上可买到的锌合金：热室压铸、冷室压铸、重力铸造和砂型铸造，以及旋转铸造和搪瓷铸造。锌合金由于熔点低通常通过热镀锌合金锭技术进行加工。当合金元素的数量增加时，由于其熔化温度和对注射系统的侵蚀，与之发生反应或溶解的态势随之增加，需要进行冷室压铸。热镀锌合金锭涉及在高压和高速下将熔融金属注入永久性模具中。这样就可以得到近净形铸造的铸件，其特征是薄截面、严格的尺寸公差、光滑的表面、高生产率等。特别是在热镀工艺中，注射系统（包括向被加热的通道供料的泵）鹅颈管浸入装有熔融合金的坩埚中。相反，在冷室压铸中，熔炉与铸造机是分开的，液态金属通过钢包被转移到注入系统（喷丸套筒）中。必须注意，由于在冷加工过程中形成裂纹的风险（低塑性）和时效硬化作用有限，上述所有锌合金通常都不会进行冷加工或热处理以改善机械性能。因此，除了某些表面处理外，它们通常以铸态使用。由此可见，零件的质量及其微结构在定义组件性能方面起着重要作用。

2 热镀锌合金锭的质量控制分析

尽管热镀锌合金锭用于功能性、装饰性和非结构性产品，但有关质量控制分析的知识对于它们在不同服务条件下的正确应用至关重要。因此，在过去的几十年中，研究集中在研究用质量控制分析制造的零件的机械、技术和电化学性能上。热镀锌合金锭总是包含铝作为主要合金元素。可以将它们分为三类：过共晶、过共晶和过共析合金。共晶合金在工业应用中使用最广泛，因为它们对应于热室压铸合金。过共晶/共析晶体更专注于冷室工艺或重力铸造和砂型铸造，覆盖了更严格的市场。因此，相应的微结构也不同，这也取决于与铸造工艺有关的特定冷却速率。

2.1 拉伸性能及硬度

热镀锌合金锭的力学性能主要取决于铸造条件和合金的化学成分。关于第一点，每个铸造过程的特征都是特定的凝固/冷却速率，这些固化/冷却速率是最终零件微观结构的原因。特别是，高压铸造有望促进快速凝固和冷却，从而产生精细的组织，同时砂或重力铸件的特征在于冷却速度较慢，从而确定较粗糙的组织。结果，良好的压铸零件应显示出比重力或砂铸零件更高的机械性能。热镀锌合金元素（如铝和铜）对机械性能的影响已在文献中进行了广泛讨论。集中在退火后铝含量低（亚共晶）的二元重力锌铝铸造合金上，发现铝的含量与机械性能之间存在一定的关系。锌铝合金的硬度、伸长率和屈服应力会增加，这是由于添加合金元素引起的晶粒细化，固溶和第二相（骨架）强化机制所致。高含量的铝含量（5%～25%）对铸锌基合金的影响，硬度和强度随铝含量的增加而增加，同时冲击能量降低。这些结果归因于相对坚硬的树枝状晶体的尺寸和体积分数，这些树枝状晶体随铝的增加而增加，并且与锌在富铝相中的固溶度相结合。

2.2 耐磨性和抗汽蚀性

由于热镀锌合金材料的特定应用领域，从时尚和装饰（带扣、链条和皮带、拉链等）到汽车行业（小型齿轮、齿轮齿条、滑轮、齿轮箱等），耐磨性对于锌基合金尤其重要。另外，锌合金通常用于轴承生产中以代替铜基合金。因此，热镀锌合金的滑动磨损行为已通过科学的试验方法广泛地研究了科学文献，主要是通过销钉在磁盘上或磁盘上的块（环）配置进行的测试。

锌合金在室温下会随时间显着降低机械性能。这种现象的易感性是由铸造产品典型的非平衡凝固和冷却条件引起的，该条件会导致随后的固态转变为更稳定的构型。这些反应在室温下非常缓慢地发生，并且随着温度的升高以更高的速率发生。实际上，由于锌的低熔点，锌合金在低温下已经老化，因为在室温下扩散很高。为了稳定锌合金的性能，经常提出在65℃～105℃下进行人工时效处理。在85℃的温度下进行24h 的人工时效处理只会导致性能的部分下降。实际上，就机械性能而言，结果与自然老化一年后的结果不具有可比性。另外，由于在较厚样品中的扩散距离较长，因此在此温度下进行人工时效与稀薄样品中的自然老化程度不符。相反，事实证明，对于某些锌合金，在105℃时效24h 时效所产生的性能变化几乎与室温下一年中所发生的变化相同，从而评估了自然时效与人工时效之间的一致关系。此外，进行的机械测试将样品在此温度下保持不同的时间显示出性能的最大下降出现在最初的24h 内，而它们在更长的浸泡时间内几乎是稳定的。这些反应中的一些反应伴随着体积的变化，也导致了锌合金铸件的轻微但可测量的尺寸不稳定性。

热镀锌合金耐磨性不是材料的固有属性，因为它取决于所考虑的摩擦学系统和使用的测试条件。因此，比较在不同条件下测试的热镀锌合金的磨损行为（即不同的施加载荷、滑动距离、有无润滑等）是不可靠的。但是，考虑到例如低铝含量的合金，与含铜或铝含量较高的锌合金相比。通常，当在干燥条件下针对钢制零件进行测试时，热镀锌合金的低硬度（归因于主要的富锌相）导致的摩擦系数和磨损率高于其他合金。另一方面，由于较高的铜含量，热镀锌合金更硬，但是据报道与具有较高铝含量的合金相比，其耐磨性较差。这很可能是由于在磨损轨迹上形成的氧化物有限，特别是在测试的第一阶段。相反，在热镀锌合金的磨损轨迹上形成的氧化物合金似乎能够保护表面免受损坏。然而，热镀锌合金也会通过增加滑动距离而经历明显的轨道氧化。在所有热镀锌合金中，由于磨料磨损而导致的划痕与滑动方向一致。

2.3 蠕变机理

多年来，锌合金锭的蠕变机理（与时间和温度有关的变形，在恒定施加负载下的塑性流动）一直受到广泛争议。实际上，由于它们的熔点低，这种现象与该族合金特别相关，这是其结构部件应用受限的原因之一，尤其是暴露于100℃以上时。通常，可以为热镀锌合金锭的蠕变行为定义三个阶段。初始蠕变主要受应变硬化现象的影响，其特征是随时间变化的速率。在二次过程中，应变硬化效应被恢复现象所补偿。导致失效，由于基体的整体软化和承载截面的减小，导致应变率急剧增加。设计人员的重要参数是设定应变的时间（例如，应变为1%的时间）和在设定时间内产生设定应变的应力（例如，在100，000h 内产生0.2%应变所需的应力）。锌合金蠕变行为的早期研究可以通过经验方程确定蠕变伸长时间，应力和温度之间的关系，可以适合各种锌合金的行为。

3 结论

在本文中，提供了锌合金性能的概述，特别注意了热镀锌合金锭的生产工艺和质量控制分析。在对商品合金及其相关制造工艺进行了初步总结之后，描述了微观结构特性。在这方面，讨论集中在使用最广泛的热镀锌合金锭。随后，描述了各个方面，例如拉伸性能、耐磨性、蠕变行为和耐腐蚀性。由于锌合金对这种现象特别敏感，因此有一段专门讨论了自然时效对材料性能的影响。当前讨论热镀锌合金锭性能的总体目的是使读者能够更好地理解适用于该族合金的特定应用。