壓鑄鋅合金

壓鑄鋅合金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。熔融法制備，壓鑄或壓力加工成材。按製造工藝可分為鑄造鋅合金和變形鋅合金。

出於提高經濟效益和謀求企業長期可持續發展的考慮, 主產電解鋅錠的濕法煉鋅廠大都樂於將鋅的深加工製品列為自己的產品開發對象, 其中較多的是生產壓鑄鋅合金。壓鑄鋅合金為Zn -Al-Cu -Mg 系四元合金, 由於具有熔點較低, 鑄型壽命長, 鑄件尺寸精度高, 力學性能優良且易電鍍等優點, 被廣泛用作壓鑄零件及複雜形狀鑄件, 深受用户歡迎。目前我國珠江三角洲一帶壓鑄鋅合金的用量達20 ～ 30 萬t/a , 主要用於生產各種檔次的玩具及汽車零部件等, 隨着國內近年汽車、摩托車工業以及建築、家庭用具等行業的快速發展, 壓鑄鋅合金的需求量將會較快增長。

目前, 我國的壓鑄鋅合金多集中在金屬加工廠及鄉鎮企業生產, 各廠家的規模大小不一且分散, 因此, 煉鋅企業提供壓鑄鋅合金產品也是對市場的有效補充。某萬噸級濕法煉鋅企業於1996 年以製取ZZnAlD41 合金為例開發壓鑄鋅合金獲得成功, 同時形成2500t/a 的合金生產能力, 試驗探索出合金低温直接熔鍊新工藝, 效果較好 ^[1]  。

1 試驗材料及設備

試驗以純金屬Zn 99 .99 % 、Al 99 .85 % 、Cu99 .90%、Mg 99.80%為原材料, 乾燥的木炭為覆蓋劑, 工業用氯化銨為精煉劑。採用馬弗爐—石墨粘土坩堝熔制合金並鑄錠, 工業試驗選擇在750kg 工頻無芯感應電爐內進行。

2 試驗工藝

已有的壓鑄鋅合金熔鍊工藝有兩種:一種是先熔銅再加鋁鋅鎂的一步熔鍊法;另一種是預先熔制Al -Cu 中間合金再熔制鋅合金的兩步熔鍊法。前者由於須在超過1000℃的高温下操作, 故生產中很少採用;後者雖被廣泛採用, 但仍有高温操作且工序較為繁雜的缺點。為此, 我們分析提出了合金的低温直接熔鍊新工藝, 即先將所需銅量加入鋅熔體熔化,再依次加入鋁鎂和剩餘鋅量。該法能克服老工藝的不足, 試驗製取的合金錠經檢測質量完全合格 ^[2]  。

1 温度的影響

温度是實現熔鍊工藝的重要保證, 在金屬的熔化, 燒損和爐齡等方面均有重要作用。由於新工藝的獨特性, 其合金製取可在600 ℃以下完成,試驗條件下, 温度對熔化無顯著影響, 但綜合分析, 生產上選用570 ℃熔制合金較為適宜。

2 覆蓋劑的影響

理論上講, 覆蓋劑的加入能減少合金中元素的氧化、蒸發及吸氣。因此, 試驗選用了木炭作覆蓋劑。結果説明, 鋅合金的吸氣傾向小, 在未使用木炭熔鍊時也極少氣體析出, 且合金燒損小, 而木炭的加入反會給操作帶來不便, 並加大渣中合金液的夾帶量。考慮到工頻無芯感應電爐密封性好, 而且其內合金液受電磁作用自動攪拌, 故生產上可少加或不加木炭等覆蓋劑。

3 精煉劑的影響

精煉劑用於合金液的除氣、除渣有極好的效果。據介紹, 在450～ 470℃時用鐘罩壓入氯化銨, 可去除鋅合金液中近80 %的氧化物和70%的金屬間化合物, 從而使合金質量得以保證。但我們試驗亦發現, 使用氯化銨精煉(量約金屬料總重的0 .12 %)會使合金熔損率增大, 同時過程中產生大量煙霧和氨氣, 有可能惡化操作環境, 而僅用靜置澄清的辦法, 也能獲得斷面組織緻密, 無熔渣及夾雜物的合金錠。因此, 生產上可根據回爐料多少來決定是否進行造渣操作以及需要加入的氯化銨量。

4 Al-Cu 中間合金製取

常規兩步熔鍊法先預製中間合金, 主要是便於高熔點金屬銅的加入以及縮短鋅合金熔制時間。根據相圖選定含Cu33.2%的Al -Cu 共晶成分, 其熔化點為548℃, 能實現在鋅熔體中儘快熔化。試驗觀察到, 高温Al -Cu 合金液凝固時有大量氣體析出,且Al 2O3 懸浮性渣量大。合金總熔損率平均已高達7 %左右, 説明過程中有較大數量的金屬(主要為Al)損失 ^[1]  。

儘管新工藝熔制合金比常規兩步熔鍊法時間長1 倍左右, 但其合金熔損量並未增加太多, 而且由於舊工藝有高温熔銅環節, 使製取過程總能耗略高於新工藝或兩者基本持平。多次試驗測得新舊工藝的總熔損率平均分別約為1 .35 %和1.12 %, 據此可計算兩工藝在合金製取中的金屬損失費用。新工藝在經濟上存在一定優勢, 顯然, 當年產合金量達1 萬t 時, 新工藝可比老工藝年節省費用約18.9 萬元。

(1)濕法煉鋅企業中開發生產壓鑄鋅合金, 避免了鋅錠二次重熔, 利於節約能源和降低合金生產成本。

(2)新工藝利用了銅在鋅熔體內的合金熔化, 故能實現低温下直接熔鍊, 該法克服了常規兩步熔鍊法的不足, 具有經濟、便捷及實用性。

(3)合金製取選擇工頻無芯感應電爐為宜, 因為該爐密封性好, 過程中可少加或不加木炭覆蓋, 而且由於熔體的自動攪拌作用能使合金成分均勻, 造渣效果好, 並能減輕勞動強度和利於操作。

(4)加入精煉劑能明顯提高壓鑄鋅合金錠的質量, 但同時合金的熔損率也相應增大, 故生產上應酌情控制精煉劑的加入量 ^[3]  。