锌合金压铸技术.docx
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锌合金压铸技术
锌合金压铸件起泡缺陷分析
锌合金压铸件目前广泛应用于各种装饰方面，如家具配件、建筑装饰、浴室配件、灯饰零件、玩具、领带夹、皮带扣、各种金属饰扣等，因而对铸件表面质量要求高，并要求有良好的表面处理性能。
而锌合金压铸件最常见的缺陷是表面起泡。
1.缺陷表征：
压铸件表面有突起小泡。
∙压铸出来就发现。
∙抛光或加工后显露出来。
∙喷油或电镀后出现。
2.产生原因：
1．孔洞引起：
主要是气孔和收缩机制，气孔往往是圆形，而收缩多数是不规则形。
（1）气孔产生原因：
a金属液在充型、凝固过程中，由于气体侵入，导致铸件表面或内部产生孔洞。
b涂料挥发出来的气体侵入。
c合金液含气量过高，凝固时析出。
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（2）缩孔产生原因：
a金属液凝固过程中，由于体积缩小或最后凝固部位得不到金属液补缩，而产生缩孔。
b厚薄不均的铸件或铸件局部过热，造成某一部位凝固慢，体积收缩时表面形成凹位。
由于气孔和缩孔的存在，使压铸件在进行表面处理时，孔洞可能会进入水，当喷漆和电镀后进行烘烤时，孔洞内气体受热膨胀；或孔洞内水会变蒸气，体积膨胀，因而导致铸件表面起泡。
2．晶间腐蚀引起：
锌合金成分中有害杂质：
铅、镉、锡会聚集在晶粒交界处导致晶间腐蚀，金属基体因晶间腐蚀而破碎，而电镀加速了这一祸害，受晶间腐蚀的部位会膨胀而将镀层顶起，造成铸件表面起泡。
特别是在潮湿环境下晶间腐蚀会使铸件变形、开裂、甚至破碎。
（如右图1）
3．裂纹引起：
水纹、冷隔纹、热裂纹。
∙水纹、冷隔纹：
金属液在充型过程中，先进入的金属液接触型壁过早凝固，后进入金属液不能和已凝固金属层熔合为一体，在铸件表面对接处形成叠纹，出现条状缺陷，见图2。
水纹一般是在铸件表面浅层；而冷隔纹有可能渗入到铸件内部。
∙热裂纹：
a当铸件厚薄不均，凝固过程产生应力；
b过早顶出，金属强度不够；
c顶出时受力不均
d过高的模温使晶粒粗大；
e有害杂质存在。
以上因素都有可能产生裂纹。
当压铸件存在水纹、冷隔纹、热裂纹，电镀时溶液会渗入到裂纹中，在烘烤时转化为蒸气，气压顶起电镀层形成起泡。
1.解决缺陷方案：
I.控制气孔产生，关键是减少混入铸件内的气体量，理想的金属流应不断加速地由喷嘴经过分流锥和浇道进入型腔，形成一条顺滑及方向一致的金属流，采用锥形流道设计，即浇流应不断加速地由喷嘴向内浇口逐渐减少，可达到这个目的。
在充填系统中，混入的气体是由于湍流与金属液相混合而形成气孔，从金属液由浇铸系统进入型腔的模拟压铸过程的研究中，明显看出浇道中尖锐的转变位和递增的浇道截面积，都会使金属液流出现湍流而卷气，平稳的金属液才有利于气体从浇道和型腔进入溢流槽和排气槽，排出模外。
II.对于缩孔：
要使压铸凝固过程中各个部位尽量同时均匀散热，同时凝固。
可通过合理的水口设计，内浇口厚度及位置，模具设计，模温控制及冷却，来避免缩孔产生。
III.对于晶间腐蚀现象：
主要是控制合金原料中有害杂质含量，特别是铅<0.003％。
注意废料带来的杂质元素。
IV.对于水纹、冷隔纹，可提高模具温度，加大内浇口速度，或在冷隔区加大溢流槽，来减少冷隔纹的出现。
V.对于热裂纹：
压铸件厚薄不要急剧变化以减少应力产生；相关的压铸工艺参数作调整；降低模温。
1.实例分析：
案例一：
旋钮（图3）
现象：
镀铬后表面有明显的起泡
化学分析：
发现有害元素铅含量为0.016％，超过标准3倍（0.004％）。
极易造成压铸件晶间腐蚀。
金相分析：
起泡处电镀层与金属基体脱离，电镀层起泡的位置有明显的水纹（在显微状态下呈裂纹状）。
（图4）
缺陷产生分析原因：
1.铅含量过高，使金属颗粒之间的边界层内发生腐蚀而破碎，电镀时受晶间腐蚀部位膨胀而将镀层顶起来。
2.铸件表面有水纹、冷隔纹，电镀溶液渗入裂纹中，在烘干时转化为蒸气，造成顶起镀层而形成气泡。
解决办法：
1.提高合金化学成份，特别是有害杂质铅。
熔炼操作时防止废料把杂质带入。
2.提高模具温度和加大浇口速度可以减少水纹产生。
案例二：
同样的零件，同样的缺陷，却有不同的产生原因。
铸件：
有线电视接头
现象：
铸件a和铸件b
在电镀后都出现起泡
铸件a
化学分析：
含铅量为0.016%
有害杂质铅超出标准。
金相分析：
出现晶间腐蚀
结论：
精简腐蚀导致起泡
铸件b
化学分析：
含铅量0.004%，
合金成分符合要求
金相分析：
铸件表面出现冷隔裂纹
结论：
冷隔裂纹导致起泡
案例三：
浴室配件（支架座）
现象：
铸件表面胀起，带有微裂纹
化学分析：
合金成份符合要求
金相分析：
发现大量气孔
缺陷原因：
a.过早开模顶出铸件;b.顶出时模温可能过高
由于铸件内部存在大量气泡，当金属凝固时间不够，强度未建立起来，而过早开模顶出铸件，受压气泡膨胀起来而使铸件表面凸起，并产生热裂纹。
解决办法：
压铸过程工艺参数调整，留模时间长一些；降低缺陷区域模具温度。
锌合金熔炼
一、熔炼过程的物理、化学现象
合金熔炼是压铸过程的一个重要环节，熔炼过程不仅是为了获得熔融的金属液，更重要的是得到化学成分符合规定，能使压铸件得到良好的结晶组织以及气体、夹杂物都很小的金属液。
在熔炼过程中，金属与气体的相互作用和金属液与坩埚的相互作用使组分发生变化，产生夹杂物和吸气。
所以制订正确的熔化工艺规程，并严格执行，是获得高质量铸件的重要保证。
1.金属与气体的相互作用
在熔炼过程中，遇到的气体有氢（H2）、氧（O2）、水汽（H2O）、氮（N2）、CO2、CO等，这些气体或是溶于金属液中，或是与其发生化学作用。
2.气体的来源
气体可以从炉气、炉衬、原材料、熔剂、工具等途径进入合金液中。
3.金属与坩埚的相互作用
当熔炼温度过高时，铁质坩埚与锌液反应加快，坩埚表面发生铁的氧化反应生成Fe2O3等氧化物；此外铁元素还会与锌液反应生成FeZn13化合物（锌渣），溶解在锌液中。
铁坩埚壁厚不断减薄直到报废。
二、熔炼温度控制
1.压铸温度
压铸用的锌合金熔点为382~386℃，合适的温度控制是锌合金成分控制的一个重要因素。
为保证合金液良好的流动性充填型腔，压铸机锌锅内金属液温度为415~430℃，薄壁件、复杂件压铸温度可取上限；厚壁件、简单件可取下限。
中央熔炼炉内金属液温度为430~450℃。
进入鹅颈管的金属液温度与锌锅内的温度基本一样。
通过控制锌锅金属液温度就能对浇注温度进行准确的控制。
并做到：
①金属液为不含氧化物的干净液体；②浇注温度不波动。
温度过高的害处：
① 铝、镁元素烧损。
② 金属氧化速度加快，烧损量增加，锌渣增加。
③ 热膨胀作用会发生卡死锤头现象。
④ 铸铁坩埚中铁元素熔入合金更多，高温下锌与铁反应加快。
会形成铁-铝金属间化合物的硬颗粒，使锤头、鹅颈过度磨损。
⑤ 燃料消耗相应增加。
温度过低：
合金流动性差，不利于成形，影响压铸件表面质量。
图4-1示意温度对流动性的影响。
图4-2示意温度对力学性能的影响，温度越高，铸件结晶粗大而使力学性能降低。
图4-1温度对流动性的影响
图4-23#锌合金浇注温度对力学性能的影响
现在的压铸机熔锅或熔炉都配备温度测控系统，日常工作中主要是定时检查以保证测温仪器的准确性，定期用便携式测温器（温度表）实测熔炉实际温度，予以校正。
有经验的压铸工会用肉眼观察熔液，若刮渣后觉得熔液不太粘稠，也较清亮，起渣不是很快，说明温度合适；熔液过于粘稠，则说明温度偏低；刮渣后液面很快泛出一层白霜，起渣过快，说明温度偏高，应及时调整。
2.如何保持温度的稳定
① 最佳方法之一：
采用中央熔炼炉（图4-3），压铸机熔炉作保温炉，从而避免在锌锅中直接加锌锭熔化时造成大幅度温度变化。
集中熔炼能保证合金成分稳定。
② 最佳方法之二：
采用先进的金属液自动送料系统（图4-4），能够保持稳定的供料速度、合金液的温度及锌锅液面高度。
图4-3运豪机铸有限公司中央熔炼炉
图4-4成达玩具厂自动加料机
③ 如果目前生产条件是在锌锅中直接加料，建议将一次加入整条合金锭改为多次加入小块合金锭，可减少因加料引起的温度变化幅度。
三、锌渣的产生及控制
通过熔炼合金从固态变为液态，这是一个复杂的物理、化学过程。
气体与熔融金属发生化学反应，其中氧的反应最为强烈，合金表面被氧化而产生一定量的浮渣。
浮渣中含有氧化物和铁、锌、铝金属间化合物，从熔体表面刮下的浮渣中通常含有90%左右的锌合金。
锌渣形成的反应速度随熔炼温度上升成指数增加。
正常情况下，，原始锌合金锭的产渣量低于1%，在0.3~0.5%范围内；而重熔水口、废工件等产渣量通常在2~5%之间。
1.锌渣量的控制
① 严格控制熔炼温度，温度越高，锌渣越多。
② 尽可能避免锌锅中合金液的搅动，任何方式的搅动都会导致更多的合金液与空气中氧原子的接触，从而形成更多的浮渣。
③ 不要过于频繁的扒渣。
当熔融的合金暴露于空气中都会发生氧化，形成浮渣，保留炉面一层薄的浮渣有利于锅中液体不进一步氧化。
④ 扒渣时，使用一个多孔（Ф6mm）盘形扒渣耙，轻轻从浮渣下面刮过，尽可能避免合金液搅动，将刮出的渣盛起，扒渣耙在锌锅边轻轻磕打，使金属液流回锌锅中。
2.锌渣的处理
①卖回原料供应商或专门处理厂，因为自行处理可能成本更高。
② 压铸厂自行处理。
需要有单独的熔炉，锌渣重熔温度在420~440℃范围内。
同时加入助熔剂。
熔炼100公斤渣，需加入0.5~1.5公斤助熔剂，先均匀散发在金属液面，随后用搅拌器将其均匀混入熔融金属中（约需2~4分钟），保温5分钟后，表面产生一层更似泥土类的东西，将其刮掉。
四、水口料、废件重熔
水口料、废料、垃圾位、报废工件等，不宜直接放入压铸机锌锅内重熔。
原因是这些水口料表面在压铸成形过程中发生氧化，其氧化锌的含量远远超过原始合金锭，当这些水口料在锌锅中重熔时，由于氧化锌在高温条件下呈粘稠状态，将其从锌锅取出时，会带走大量的合金成分。
把水口料等另外重熔，是为了将氧化锌和液体合金中有效的分离开，熔炼中须加入一些溶剂，铸成锭后使用。
五、电镀废料重熔
电镀废料应同无电镀废料分开熔炼，因为电镀废料中含铜、镍、铬等金属是不溶于锌的，留在锌合金中会以坚硬的颗粒物存在，带来抛光和机加工的困难。
电镀废料重熔中注意将镀层物质与锌合金分开，先将电镀废料放入到装有锌合金熔体的坩埚中，这时不要搅动熔体，也不要加入熔剂，利用镀层物质熔点高，镀层不会熔入合金中，而会在最初一段时间内浮在熔液表面，当全部熔化后，让坩埚静置15~20分钟，看表面是否还会有浮渣出现，把浮渣刮干净。
经过这一道工序后，再看是否有必要加精炼剂。
六、熔炼操作中注意事项
1.坩埚：
使用前必须进行清理，去除表面的油污、铁锈、熔渣和氧化物等。
为防止铸铁坩埚中铁元素溶解于合金中，坩埚应预热到150~200℃，在工作表面上喷一层涂料，再加热到200~300℃，彻底去除涂料中水份。
2.工具：
熔炼工具在使用前应清除表面脏物，与金属接触的部份，必须预热并刷上涂料。
工具不能沾有水分，否则引起熔液飞溅及爆炸。
3.合金料：
熔炼前要清理干净并预热，去除表面吸附的水分。
为了控制合金成分，建议采用2/3的新料与1/3的回炉料搭配使用。
4.熔炼温度绝对不能超过450℃。
5.及时清理锌锅中液面上的浮渣，及时补充锌料，保持熔液面正常的高度（不低于坩埚面30mm），因为过多的浮渣和过低的液面都容易造成料渣进入鹅颈司筒，拉伤钢呤、锤头和司筒本身，导致卡死锤头、鹅颈和锤头报废。
6.熔液上面的浮渣用扒渣耙平静地搅动，使之集聚以便取出。
锌合金成分控制与压铸件质量
一、锌合金的特点
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、锌合金种类
Zamak3:
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。
Zamak5:
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。
Zamak2:
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、锌合金的选择
选择哪一种锌合金，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、锌合金成分控制
1.标准合金成分
Zamak2
Zamak3
Zamak5
ZA8
Superloy
AcuZinc5
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。
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