第5章 锌及其合金

2023年12月26日发(作者：冯德培)

第5章 锌及其合金

5.1 锌

锌的元素符号Zn，原子序数30，原于量 65.38，为密排六方晶体。密度（20℃）：7.14g/cm，熔点：419.5℃,沸点911℃。锌有较好的耐蚀性和力学性能，一般压力加工成板、带、箔、线材，用于机械、仪表工业制造零件和用作电镀阳极板等。

人类很早就使用含锌的铜合金，但分离出单质锌则较晚。中国是最早掌握炼锌技术的国家，明代宋应星著《天工开物》称锌为倭铅，记述了炼制技术。约在16~18世纪，中国的金属锌开始传入欧洲，纯度达98％以上。

锌在干燥空气和农村大气中均耐腐蚀，腐蚀速度为0.001~0.0001mm/a。但在工业区大气中，因为水蒸气常呈酸性，使锌的腐蚀速度增加到约0.005mm/a。锌在潮湿大气中能产生点蚀，通称“白斑”，因此，在潮湿地区生产、储存和运输锌材时，要注意通风。锌与酸性有机物接触，产生有毒的盐类，故不能用作食品工业的设备和用具。锌在大气、水和其他介质中与电极电位较正的金属接触时，锌呈阳极首先腐蚀，从而对电极电位较高的金属起保护作用。镀锌铁板以及矿山等工业部门用锌线热喷镀，可防止基体金属腐蚀。

锌在压力加工时滑移系统少，塑性低，当出现孪晶时，则塑性增加，轧制时可逐渐增加道次加工率。锌的儒变强度低，自然时效时性能和尺寸会发生改变，在生产和储存中应加以注意。锌可借变形热自行退火，在压力加工过程中一般不需要中间退火。

影响锌加工性能的有害杂质有锡、锑、砷、铋等。锡与锌在198℃形成共晶，当同时有铅存在时，三者形成熔点仅150℃的三元共晶，使锌在热轧时易裂。锑能提高锌的硬度，但锌中含锑量超过0.02%时，热轧时易产生边裂。砷、铋也损害锌的热、冷加工性能。

35.2 锌合金

以锌为基加入铅、铁、镉、铝、镁、铜等元素的合金，是一种重有色金属材料，用于电池、印刷、日用五金等工业部门。常用的锌合金有电池用锌合金、照相制版用锌合金、微晶锌板锌合金、锌铝合金、锌铜合金和超塑性锌合金等。

5.2.1锌铜合金

以铜为主要合金元素的锌合金。锌中加入铜可以提高锌的硬度、强度和冲击韧性，但降低锌的塑性和铸造时的流动性。铜和锌形成η固溶体。铜在锌中的溶解度在423.5℃(即在包晶反应温度下)为2.7％，而在100℃时降低到 0.3％。所以含铜较高的锌铜合金从高温缓慢

冷却或在某一温度长时期时效时，将有大量ε相从η相析出，同时引起明显的体积收缩。简单的锌铜二元合金很少应用。进入60年代后，美、日、中等国先后研制成新型锌铜钛合金。合金中钛以TiZn相细小粒子分布，细化晶粒，提高其抗儒变性能和再结晶温度，防止高温时晶粒粗大。此外，镁、铬、镍等合金元素能进一步改善材料的高温性能。所以锌铜钛合金具有良好的抗儒变性能和高温强度，可用来作结构材料，代替部分铜铝合金使用，在工业上有广泛的用途。

锌铜合金主要用作黄铜的代用品，制作拉链、千层锁、日用五金制品等；锌铜铝合金亦可用来代替黄铜，制作尺寸要求严格的零件；锌铜钛合金代替黄铜作冲压件，用于汽车、坦克、仪表和日用五金等各种制品。

5.2.2 锌铝合金

以铝为主要合金元素的锌合金。添加一定量的铝可明显提高锌的强度和冲击韧性。当铝含量处于4%~5%时，合金的综合性能最好。大多数锌铝合金在高温位于（α＋β）区内。由（α＋β）区快冷或淬火的合金，在回火时，β相将发生偏析转变；α相也发生固溶分解，使合金体积发生改变。加入少量镁可延缓锌铝合金中β相的偏析转变，阻滞合金的体积改变。合金在潮湿的空气中，水蒸气将沿合金晶界渗入，产生晶间腐蚀。杂质铅、镉、锡等会加速这种腐蚀过程。在铅含量低于0.02%时，加入少量镁能抵消铅在合金中的有害作用，减轻合金的晶间腐蚀。因此，应用最广的锌铝铜合金大都加入少量的镁（<0.1%）。

锌铝合金可作黄铜的代用品。锌铝铜合金主要代替部分黄铜制作尺寸要求稳定零件。

5.2.3 超塑性锌合金

在一定温度和一定应变速度下在变形百分之几百到百分之几千而不发生破坏的锌合金。

锌合金具有超塑性早为人们所知，一般晶粒细小的工业电解纯锌，在室温下其伸长率可达 400％。经常使用的超塑性锌合金有Zn-22A1、Zn-5Al-0.1Mg、Zn-1Cu-0.2Ti和Zn-27A1-0.02Mg等合金。其中最具代表性、应用最为广泛的是Zn-22Al共析合金。合金具有超细晶粒的（α＋β）共析组织，晶粒度一般为1~5μm。合金在250℃下伸长率高达1500%以上。但强度、抗蠕变性差，在应用上受到限制。为此添加Cu、Mg、Ag、Mn、Li、Be等合金元素，以改善合金的强度和抗蠕变性能。此后，又相继出现了Zn-22Al-0.1Mg、Zn-22Al-1Cu、Zn-22Al-1Cu-0.1Mg等合金，其抗拉强度达到392~539MPa，抗蠕变性能显著提高。合金可进行热加工和冷加工，通过轧制、挤压、锻造或拉伸制成板材、棒材或管材。合金在350℃淬火、在250℃进行热变形，然后在350℃下退火。合金制成制品后，可在350℃下退火获得更高的性能。

超塑性锌合金在工业上应用有明显的优点：

(1) 其成形温度低(250℃左右)，在该温度下合金的抗拉强度非常低(<9.8MPa)，而伸长率却非常大(δ值高达 1500％以上)，填充性好，即使是形状复杂的零件也可一次加工成形。可以进行真空成形、气压成形、挤压成形或模锻成形。工件的表面质量良好，一般无需再加工；尺寸偏差也较小，易于控制，模子寿命长，且成材率高。

(2) 在常温下，其强度与低碳钢、黄铜相近，可部分代替铜、铝材使用。

(3) 容易进行切削加工，可以抛光、焊接、涂染、钝化或电镀。

(4) 超塑性锌合金具有不燃性，无毒、废品易于回收等特点，便于循环使用。因此，超塑性锌合金在工业上有广泛用途，已在机械、汽车、电子、电器和建筑等工业部门应用。