熱鍍鋅合金錠的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制分析

司新強

（內(nèi)蒙古興安銅鋅冶煉有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026209）

鋅是僅次于鐵，鋁和銅的世界第四大金屬。2018 年全球鋅供應(yīng)量增加至13.4Mt，全球需求為13.77Mt[1]。大量的鋅也被回收利用，二次鋅的產(chǎn)量估計占全球消費量的20%～40%左右[2]。但是，由于壓鑄組成標(biāo)準(zhǔn)中對雜質(zhì)的嚴(yán)格限制，幾乎所有的鋅壓鑄合金都是從初級鋅生產(chǎn)中制備的。由于人口的增長，對食物的需求不斷增加，導(dǎo)致20 世紀(jì)灌溉農(nóng)業(yè)的急劇擴張[4]。通常消耗的鋅中約有一半用于鍍鋅鋼中，可防止腐蝕[3]。其他重要的應(yīng)用包括將鋅用于其他涂層，或用作黃銅、青銅、鋁和鎂合金中的合金元素。鋅還被用作化學(xué)、制藥、化妝品、油漆、橡膠和農(nóng)業(yè)的氧化物。最近，人們已經(jīng)研究了鋅作為鐵和鎂作為一種新的可生物降解金屬的有前途的替代品[4]。但是，世界上約有15%的鋅被用作生產(chǎn)鋅基合金的基礎(chǔ)金屬[5]。其中一些以鍛造合金形式以平軋、拉絲、擠壓和鍛造產(chǎn)品的形式在市場上出售。用于生產(chǎn)屋面、落水管、水槽、手電筒反射器、燈具零件等。

熱鍍鋅合金錠具有一系列特性，這使得它們對于熱鍍制造以及總體而言對于鑄造技術(shù)特別有吸引力。實際上，它們的特點是熔融溫度低、能耗低、模具壽命長以及高流動性，有助于填充復(fù)雜的模腔和非常薄的截面，通常低至0.75mm 甚至低至0.13mm[7]。它們顯示出良好的機械性能，包括與常規(guī)銅合金相當(dāng)或通常更好的軸承和磨損性能[8]。此外，它們具有良好的光潔度和易于電鍍的能力，從而使其更耐腐蝕和磨損，并改善了其美學(xué)外觀。相反，它們會因性能降低而超過80℃～90℃或在室溫下長時間暴露[8]。由于這些原因，它們主要用于許多領(lǐng)域的小型非結(jié)構(gòu)部件，例如汽車、硬件、電氣/電子設(shè)備、衣服，玩具、運動、裝飾品等。熱鍍鋅合金廣泛使用的主要局限性在于它們的高密度以及隨著溫度和時間的增加而喪失的機械性能。

世界上生產(chǎn)的大多數(shù)鋅合金涂層鋼都是在通過減氣工藝制備后通過薄板鍍鋅獲得的，該工藝具有生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量高、零污染的優(yōu)點。熱鍍鋅及其合金涂層鋼被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是，這是一項困難的技術(shù)，需要復(fù)雜的設(shè)備。此外，氣體還原工藝不適用于高強度鋼和大型結(jié)構(gòu)部件。但是，熱鍍工藝簡單易行，可用于獲得薄涂層。用于鍍鋅的形狀復(fù)雜且不連續(xù)的樣品通常通過熱鍍工藝制備。本文探究在熱鍍過程中，基材和鍍液之間的反應(yīng)非常迅速和強烈，這可能導(dǎo)致涂層韌性下降。這會導(dǎo)致涂層破裂和剝落。向熱鍍浴中添加少量合金元素會影響鋅合金界面反應(yīng)層的厚度。大量研究表明，在鋅鋁浴中添加釩、鈦、硅和銅等元素會影響鐵鋁界面的結(jié)構(gòu)。釩和鈦占據(jù)了鋅合金晶格的空位，從而促進了鋅合金的成核。本研究旨在通熱鍍鋅合金工藝制備的鋼板和結(jié)構(gòu)部件的鍍鋅提供基礎(chǔ)。因此，本研究使用熱鍍鋅合金工藝制備不連續(xù)的熱浸鍍鋅涂層。

1 熱鍍鋅合金錠制造工藝

鑄造廠使用的合金超過25 種，并且與商業(yè)最相關(guān)的合金已在國際標(biāo)準(zhǔn)中指定。添加銅可以提高合金的抗拉強度、硬度和耐磨性以及蠕變性能。通常，也存在少量的鎂以抑制晶間腐蝕，即使在現(xiàn)代實踐中，由于鋅的高純度其需求非常有限。根據(jù)合金元素的數(shù)量，通常可以通過不同的工藝來制造市場上可買到的鋅合金：熱室壓鑄、冷室壓鑄、重力鑄造和砂型鑄造，以及旋轉(zhuǎn)鑄造和搪瓷鑄造。鋅合金由于熔點低通常通過熱鍍鋅合金錠技術(shù)進行加工。當(dāng)合金元素的數(shù)量增加時，由于其熔化溫度和對注射系統(tǒng)的侵蝕，與之發(fā)生反應(yīng)或溶解的態(tài)勢隨之增加，需要進行冷室壓鑄。熱鍍鋅合金錠涉及在高壓和高速下將熔融金屬注入永久性模具中。這樣就可以得到近凈形鑄造的鑄件，其特征是薄截面、嚴(yán)格的尺寸公差、光滑的表面、高生產(chǎn)率等。特別是在熱鍍工藝中，注射系統(tǒng)（包括向被加熱的通道供料的泵）鵝頸管浸入裝有熔融合金的坩堝中。相反，在冷室壓鑄中，熔爐與鑄造機是分開的，液態(tài)金屬通過鋼包被轉(zhuǎn)移到注入系統(tǒng)（噴丸套筒）中。必須注意，由于在冷加工過程中形成裂紋的風(fēng)險（低塑性）和時效硬化作用有限，上述所有鋅合金通常都不會進行冷加工或熱處理以改善機械性能。因此，除了某些表面處理外，它們通常以鑄態(tài)使用。由此可見，零件的質(zhì)量及其微結(jié)構(gòu)在定義組件性能方面起著重要作用。

2 熱鍍鋅合金錠的質(zhì)量控制分析

盡管熱鍍鋅合金錠用于功能性、裝飾性和非結(jié)構(gòu)性產(chǎn)品，但有關(guān)質(zhì)量控制分析的知識對于它們在不同服務(wù)條件下的正確應(yīng)用至關(guān)重要。因此，在過去的幾十年中，研究集中在研究用質(zhì)量控制分析制造的零件的機械、技術(shù)和電化學(xué)性能上。熱鍍鋅合金錠總是包含鋁作為主要合金元素。可以將它們分為三類：過共晶、過共晶和過共析合金。共晶合金在工業(yè)應(yīng)用中使用最廣泛，因為它們對應(yīng)于熱室壓鑄合金。過共晶/共析晶體更專注于冷室工藝或重力鑄造和砂型鑄造，覆蓋了更嚴(yán)格的市場。因此，相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)也不同，這也取決于與鑄造工藝有關(guān)的特定冷卻速率。

2.1 拉伸性能及硬度

熱鍍鋅合金錠的力學(xué)性能主要取決于鑄造條件和合金的化學(xué)成分。關(guān)于第一點，每個鑄造過程的特征都是特定的凝固/冷卻速率，這些固化/冷卻速率是最終零件微觀結(jié)構(gòu)的原因。特別是，高壓鑄造有望促進快速凝固和冷卻，從而產(chǎn)生精細的組織，同時砂或重力鑄件的特征在于冷卻速度較慢，從而確定較粗糙的組織。結(jié)果，良好的壓鑄零件應(yīng)顯示出比重力或砂鑄零件更高的機械性能。熱鍍鋅合金元素（如鋁和銅）對機械性能的影響已在文獻中進行了廣泛討論。集中在退火后鋁含量低（亞共晶）的二元重力鋅鋁鑄造合金上，發(fā)現(xiàn)鋁的含量與機械性能之間存在一定的關(guān)系。鋅鋁合金的硬度、伸長率和屈服應(yīng)力會增加，這是由于添加合金元素引起的晶粒細化，固溶和第二相（骨架）強化機制所致。高含量的鋁含量（5%～25%）對鑄鋅基合金的影響，硬度和強度隨鋁含量的增加而增加，同時沖擊能量降低。這些結(jié)果歸因于相對堅硬的樹枝狀晶體的尺寸和體積分?jǐn)?shù)，這些樹枝狀晶體隨鋁的增加而增加，并且與鋅在富鋁相中的固溶度相結(jié)合。

2.2 耐磨性和抗汽蝕性

由于熱鍍鋅合金材料的特定應(yīng)用領(lǐng)域，從時尚和裝飾（帶扣、鏈條和皮帶、拉鏈等）到汽車行業(yè)（小型齒輪、齒輪齒條、滑輪、齒輪箱等），耐磨性對于鋅基合金尤其重要。另外，鋅合金通常用于軸承生產(chǎn)中以代替銅基合金。因此，熱鍍鋅合金的滑動磨損行為已通過科學(xué)的試驗方法廣泛地研究了科學(xué)文獻，主要是通過銷釘在磁盤上或磁盤上的塊（環(huán)）配置進行的測試。

鋅合金在室溫下會隨時間顯著降低機械性能。這種現(xiàn)象的易感性是由鑄造產(chǎn)品典型的非平衡凝固和冷卻條件引起的，該條件會導(dǎo)致隨后的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的構(gòu)型。這些反應(yīng)在室溫下非常緩慢地發(fā)生，并且隨著溫度的升高以更高的速率發(fā)生。實際上，由于鋅的低熔點，鋅合金在低溫下已經(jīng)老化，因為在室溫下擴散很高。為了穩(wěn)定鋅合金的性能，經(jīng)常提出在65℃～105℃下進行人工時效處理。在85℃的溫度下進行24h 的人工時效處理只會導(dǎo)致性能的部分下降。實際上，就機械性能而言，結(jié)果與自然老化一年后的結(jié)果不具有可比性。另外，由于在較厚樣品中的擴散距離較長，因此在此溫度下進行人工時效與稀薄樣品中的自然老化程度不符。相反，事實證明，對于某些鋅合金，在105℃時效24h 時效所產(chǎn)生的性能變化幾乎與室溫下一年中所發(fā)生的變化相同，從而評估了自然時效與人工時效之間的一致關(guān)系。此外，進行的機械測試將樣品在此溫度下保持不同的時間顯示出性能的最大下降出現(xiàn)在最初的24h 內(nèi)，而它們在更長的浸泡時間內(nèi)幾乎是穩(wěn)定的。這些反應(yīng)中的一些反應(yīng)伴隨著體積的變化，也導(dǎo)致了鋅合金鑄件的輕微但可測量的尺寸不穩(wěn)定性。

熱鍍鋅合金耐磨性不是材料的固有屬性，因為它取決于所考慮的摩擦學(xué)系統(tǒng)和使用的測試條件。因此，比較在不同條件下測試的熱鍍鋅合金的磨損行為（即不同的施加載荷、滑動距離、有無潤滑等）是不可靠的。但是，考慮到例如低鋁含量的合金，與含銅或鋁含量較高的鋅合金相比。通常，當(dāng)在干燥條件下針對鋼制零件進行測試時，熱鍍鋅合金的低硬度（歸因于主要的富鋅相）導(dǎo)致的摩擦系數(shù)和磨損率高于其他合金。另一方面，由于較高的銅含量，熱鍍鋅合金更硬，但是據(jù)報道與具有較高鋁含量的合金相比，其耐磨性較差。這很可能是由于在磨損軌跡上形成的氧化物有限，特別是在測試的第一階段。相反，在熱鍍鋅合金的磨損軌跡上形成的氧化物合金似乎能夠保護表面免受損壞。然而，熱鍍鋅合金也會通過增加滑動距離而經(jīng)歷明顯的軌道氧化。在所有熱鍍鋅合金中，由于磨料磨損而導(dǎo)致的劃痕與滑動方向一致。

2.3 蠕變機理

多年來，鋅合金錠的蠕變機理（與時間和溫度有關(guān)的變形，在恒定施加負(fù)載下的塑性流動）一直受到廣泛爭議。實際上，由于它們的熔點低，這種現(xiàn)象與該族合金特別相關(guān)，這是其結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用受限的原因之一，尤其是暴露于100℃以上時。通常，可以為熱鍍鋅合金錠的蠕變行為定義三個階段。初始蠕變主要受應(yīng)變硬化現(xiàn)象的影響，其特征是隨時間變化的速率。在二次過程中，應(yīng)變硬化效應(yīng)被恢復(fù)現(xiàn)象所補償。導(dǎo)致失效，由于基體的整體軟化和承載截面的減小，導(dǎo)致應(yīng)變率急劇增加。設(shè)計人員的重要參數(shù)是設(shè)定應(yīng)變的時間（例如，應(yīng)變?yōu)?%的時間）和在設(shè)定時間內(nèi)產(chǎn)生設(shè)定應(yīng)變的應(yīng)力（例如，在100，000h 內(nèi)產(chǎn)生0.2%應(yīng)變所需的應(yīng)力）。鋅合金蠕變行為的早期研究可以通過經(jīng)驗方程確定蠕變伸長時間，應(yīng)力和溫度之間的關(guān)系，可以適合各種鋅合金的行為。

3 結(jié)論

在本文中，提供了鋅合金性能的概述，特別注意了熱鍍鋅合金錠的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制分析。在對商品合金及其相關(guān)制造工藝進行了初步總結(jié)之后，描述了微觀結(jié)構(gòu)特性。在這方面，討論集中在使用最廣泛的熱鍍鋅合金錠。隨后，描述了各個方面，例如拉伸性能、耐磨性、蠕變行為和耐腐蝕性。由于鋅合金對這種現(xiàn)象特別敏感，因此有一段專門討論了自然時效對材料性能的影響。當(dāng)前討論熱鍍鋅合金錠性能的總體目的是使讀者能夠更好地理解適用于該族合金的特定應(yīng)用。