Zinek je víceúčelový a důležitý kov, který hraje důležitou roli v širokém spektru průmyslových, obchodních a biologických aplikací. Zinek se používá v průmyslu, ve stavebnictví a pro ochranné nátěry díky své vysoké odolnosti proti korozi a modrostříbrnému vzhledu. Jednou z jeho nejcennějších vlastností je schopnost vytvářet velmi pevné slitiny, zejména s hliníkem, mědí a hořčíkem, a výrazně tak zvyšuje pevnost a odolnost. Pokud jde o výrobní procesy, jako je tlakové lití, jsou tyto vlastnosti zinku mimořádně vhodné. Zinek je také znám jako speciální materiál v kontextu automobilového průmyslu, protože neexistuje žádný jiný materiál s takovými mechanickými vlastnostmi a zároveň s tolika výrobními výhodami. Lze z něj vytvářet velmi složité a detailní tvary s malým množstvím strojní práce, což je předurčuje k výrobě dekorativních i funkčních součástí vozidel. Kromě toho má nízkou teplotu tání, což umožňuje nižší spotřebu energie při výrobě v souladu s globálními cíli udržitelnosti. Význam zinku roste s vývojem automobilové technologie. Většinu systémových dílů letadel lze nyní vyrábět z něj, protože podporuje velkosériovou výrobu s vynikající konzistencí dílů, což z něj činí kritický materiál nejen pro současné návrhy systémů, ale i pro jejich nové návrhy do budoucna.

Co je zinkové tlakové lití?

Tlakové lití zinku je přesný výrobní proces, při kterém se pod vysokým tlakem a za vysokého tlaku vstřikuje roztavená zinková slitina do vlastní formy (známé také jako forma) a vytvářejí se kovové díly. Obvykle se používá pro výrobu složitých, detailních součástí s přísnými tolerancemi, jemnou povrchovou úpravou a vysokými mechanickými vlastnostmi.

Zinkové tlakové lití má vynikající mechanické vlastnosti a zároveň kombinuje vysokou přesnost. Umožňuje výrobu složitých dílů s malou tolerancí a hladkou povrchovou úpravou a je užitečný pro požadavky současného designu vozidel.

Proč zinek? Klíčové vlastnosti materiálu

Pro několik jedinečných vlastností se při tlakovém lití dává přednost zinku.

Vysoká pevnost a tažnost

Protože je pevnější než mnoho jiných kovů, které se odlévají pod tlakem, používají se v tenkostěnných aplikacích slitiny zinku.

Vynikající rozměrová přesnost

Zinkové odlitky jsou díly, které si zachovávají své tvary a rozměry s velkou konzistencí, což pomáhá ušetřit dodatečné zpracování.

Vynikající odolnost proti korozi

Zinek je přirozeně odolný vůči korozi zejména díky dodatečným nátěrům. To má zásadní význam pro díly používané ve vozidlech za nepříznivého stavu vozovky a povětrnostních podmínek.

Vysoká tekutost

Roztavený zinek velmi snadno teče a tyto díly s malými prvky a tenkými stěnami se podařilo úspěšně odlít.

Nákladově efektivní nástroje

Zinkové odlitky mají ve srovnání s hliníkovými nebo hořčíkovými matricemi dlouhou životnost, a proto je zinek ekonomicky výhodnější, pokud je požadována velká výrobní série.

Recyklovatelnost

Přechod automobilového průmyslu k větší udržitelnosti také znamená, že zinek je ekologicky odpovědný materiál, který je 100% recyklovatelný bez ztráty vlastností.

Výrobní proces: Přehled krok za krokem

1. Konstrukce a nástroje:

Software CAD používají konstruktéři k návrhu součástí. Poté se vyrobí vysoce přesná ocelová matrice s velkým počtem dutin, aby bylo možné vyrobit několik dílů v jednom cyklu.

2. Tavení zinkové slitiny:

Zinek se taví při teplotě přibližně 420 °C (788 °F), což je nižší teplota než u hliníku a výrazně nižší náklady na energii.

3. Vstřikování:

Obvykle se roztavený zinek vstřikuje do formy pod tlakem 1 500 až 25 000 psi, který je dostatečně vysoký, aby zajistil rychlé a rovnoměrné naplnění formy.

4. Chlazení a tuhnutí:

Když se zinková slitina dostane do formy, rychle se ochladí a ztuhne (během několika sekund).

5. Vyhazování:

Vyhazovací čepy pak vysune nově vytvořený díl z matrice.

6. Ořezávání a dokončování:

Díl může být podroben dalším úpravám, jako je odstraňování otřepů, leštění, lakování nebo nanášení povlaku, a přebytečný materiál (otřepy) je odstraněn.

7. Kontrola kvality:

U některých součástí se kontroluje rozměrová přesnost, povrchové vady a mechanická integrita, jak je tomu často u automatizovaných systémů nebo 3D skenerů.

Běžné slitiny zinku používané v automobilovém průmyslu

V automobilovém průmyslu je výběr vhodné zinkové slitiny důležitý, protože vlastnosti slitiny hrají důležitou roli pro správný výkon, spolehlivost a nákladovou efektivitu. Výrobci mohou přizpůsobit materiály konkrétním aplikacím v závislosti na tom, jaké vyvážení pevnosti, tažnosti, tekutosti a odolnosti proti korozi různé slitiny v různé míře nabízejí. Níže jsou uvedeny nejčastěji používané zinkové slitiny v automobilovém tlakovém lití.

1. Zamakové slitiny (slitiny zinku a hliníku)

Hlavním legujícím prvkem ve skupině zinkových slitin známých jako zamak je hliník o koncentraci přibližně 4%. Název pochází z německých názvů použitých kovů: Zinek, hliník, hořčík a kopper (měď).

Zamak 3:

• Jedná se o nejpoužívanější slitinu zinku pro tlakové lití.
• Nabízí vynikající rozměrovou stabilitu, dobrou povrchovou úpravu a schopnost odlévání.
• Tyto povrchy se běžně vyskytují v interiérových komponentech, jako jsou dveřní kliky, kliky a obložení.

Zamak 5:

• Má o něco více mědi než Zamak 3 a nabízí vyšší pevnost a tvrdost.
• Vhodné pro mechanicky namáhané aplikace, jako jsou konstrukční konzoly.

Zamak 2:

• Nejpevnější a nejtvrdší ze slitin Zamak.
• Používá se v uzamykacích systémech nebo skříních převodovek, kde je kritická odolnost proti opotřebení.

2. Slitiny ZA (zinek-hliník)

Slitiny ZA (ZA-8, ZA-12, ZA-27) mají vyšší obsah Al než Zamak, mají vyšší pevnost a odolnost proti opotřebení. Obvykle se používají při gravitačním lití, v některých případech pravděpodobně i při tlakovém lití.

ZA-8:

• Obsahuje hliník 8%.
• Nabízí dobrou pevnost a mírné odlévací vlastnosti.
• Vhodné pro konstrukční prvky lehkých vozidel.

ZA-12 a ZA-27:

• Těžko se odlévá, ale má vyšší pevnost.
• Používá se v polokonstrukčních aplikacích nebo v dílech, kde podléhá tření.

3. ACuZinc5

Jedná se o speciální slitinu zinku, mědi a hliníku, která má získat vlastnosti odlévací schopnosti Zamaku a pevnost slitin ZA.

• Extrémně vysoká pevnost a vynikající odolnost proti opotřebení.
• Používá se v převodových skříních, aktuátorech a mechanických spojích v automobilových systémech.
• Tento výměnný materiál je ideální pro nahrazení opracovaného bronzu a oceli v aplikacích, kde je nutná dlouhá životnost.

4. EZAC (Enhanced Zinc-Aluminum-Copper)

EZAC je relativně nová slitina s velmi vysokou pevností a odolností proti tečení až do zvýšených teplot.

• Hodí se pro díly, které musí udržet tvar a pevnost i při zatížení, například montážní díly nebo motory.
• Nabízí dvakrát větší pevnost než Zamak 3, ale vyžaduje pokročilejší nástroje.

5. Slitiny zinku a niklu

Zinkovo-niklový plech je pro tyto oblasti méně obvyklý než zinkový tlakový odlitek, ale často se používá ke zvýšení odolnosti proti korozi (zejména proti soli a vlhkosti) u dílů pod kapotou nebo podvozku.

• Výběr správné slitiny
• Výběr zinkové slitiny závisí na několika faktorech.
• Mechanické požadavky (pevnost v tahu, odolnost proti nárazu)
• Potřeby povrchové úpravy
• Náklady a objem výroby
• vystavení vlivům prostředí (teplo, koroze)

Z tohoto důvodu konstruktéři často spolupracují s odborníky na materiály a dodavateli, aby vybrali slitinu, která je pro daný úkol co nejvhodnější a splňuje jak výkonnostní, tak cenová omezení.

Úloha zinkového tlakového lití v automobilovém průmyslu

Zinkové tlakové lití má velký význam v automobilové výrobě díky vysoké přesnosti, vysoké pevnosti a hospodárnosti výroby malých až středně velkých dílů. Tento proces nabízí prostředky pro výrobu složitých dílů s vysokou přesností ve velmi krátkém čase a je vynikající pro velkosériové aplikace v automobilovém průmyslu.

Získávají se vynikající mechanické vlastnosti zinkových slitin, jako je trvanlivost, odolnost proti korozi a rozměrová stálost. Právě díky nim je zinek nejlepší volbou pro kliky dveří, držáky, zámky, emblémy atd. jako součást automobilů. Umožňuje také snadné pokovování nebo lakování, protože má hladkou povrchovou úpravu.

Přestože je zinek těžší než hliník nebo hořčík, může být konkurenceschopný pro aplikace, kde hmotnost není nejvyšší prioritou z hlediska pevnosti a detailů. Díky nízkému bodu tání vyžaduje menší spotřebu energie a má dlouhou životnost. Zinek je také 100% recyklovatelný, což podporuje urychlení podpory udržitelnosti v automobilovém průmyslu.

Zinkové tlakové lití stále poskytuje spolehlivá a vysoce kvalitní řešení pro náročné aplikace v automobilovém průmyslu, protože konstrukce vozidel se vyvíjí.

Fyzikální a chemické vlastnosti zinku 

Fyzikální vlastnosti zinku

1. Vzhled:

Termoelektrický modrostříbrný nebo šedavý kov má při čerstvém leštění kovově lesklý lesk.

2. Hustota:

Protože při pokojové teplotě má zinek hustotu přibližně 7,14 g/cm³, je ve srovnání s ostatními kovy středně těžký.

3. Bod tání:

Při relativně nízké teplotě 419,5 °C (787 °F) je však zinek vhodný pro tepelné procesy, jako je tlakové lití, kde je požadována nízká spotřeba energie.

4. Bod varu:

Zinek se vaří při teplotě 907 °C (1665 °F).

5. Tvrdost:

Zinek má na Mohsově stupnici tvrdosti hodnotu přibližně 2,5, takže není příliš tvrdý ve srovnání s ocelí, ale ani příliš měkký jako čistý cín nebo olovo.

7. Elektrická vodivost:

Zatímco měď a stříbro jsou velmi dobrými vodiči elektřiny, zinek není tak vodivý. Díky této vlastnosti se často používá v bateriích a galvanických pokovech.

8. Tepelná vodivost:

Zinek je díky své mírné tepelné vodivosti užitečný při řízení tepla, ale je méně účinný než hliník.

9. Kujnost a tažnost:

Zinek je křehký, a proto se může při pokojové teplotě snadno zlomit. Při zahřátí na teplotu přibližně 100-150 °C je však kujný a lze jej snadno tvarovat.

10. Krystalová struktura:

Kromě toho binární sloučeniny zinku krystalizují v hexagonální těsné struktuře (hcp), která ovlivňuje mechanické vlastnosti, zejména křehkost při nižších teplotách.

Chemické vlastnosti zinku

1. Reaktivita se vzduchem:

Po kontaktu se vzduchem vytváří zinek na povrchu tenkou vrstvu oxidu zinečnatého (ZnO). Zinek na vrchní straně zabraňuje hlubší korozi, a proto je velmi odolný vůči atmosférické oxidační korozi.

2. Reaktivita s kyselinami:

Zředěné kyseliny, například zředěná kyselina chlorovodíková (HCl), mohou snadno reagovat se zinkem za vzniku plynného vodíku (H₂). Díky této vlastnosti je proto zinek užitečný v galvanizaci a v obětních anodách pro ochranu proti korozi.

3. Amfoterní povaha:

Zinek je amfoterní a mohou na něj působit jak kyseliny, tak silné zásady. Reaguje například s hydroxidem sodným (NaOH) za vzniku zinečnanu sodného.

4. Tvorba slitin:

Zinek se snadno slévá s několika kovy, včetně mědi, a vzniká tak mosaz, hliník, hořčík a mnoho dalších kovů.

5. Oxidační stavy:

Nejběžnějším oxidačním stavem zinku je +2 (Zn²⁺). Tento oxidační stav se kombinuje se sloučeninami zinku, jako je oxid zinečnatý (ZnO) a síran zinečnatý (ZnSO₄).

6. Odolnost vůči vodě:

Čistá voda při pokojové teplotě se zinkem nereaguje, ale při vyšších teplotách s ním může reagovat za pomalé tvorby plynného vodíku a oxidu zinečnatého.

7. Galvanická aktivita:

Anodový materiál, zinek, je velmi účinný, protože v galvanických článcích (bateriích) snadno ztrácí elektrony.

Zinek vs. jiné materiály v automobilovém průmyslu

Na rozdíl od hliníku, hořčíku, plastu nebo oceli má zinkové tlakové lití několik výhod. Zinek září pro své klíčové vlastnosti a náklady v automobilovém designu, a přestože každý materiál může mít v automobilovém designu své místo, zinek je v těchto parametrech obzvláště efektivní.

Zinek vs. hliník:

Hliník, který je často volen pro svou nízkou hmotnost, je v porovnání se zinkem při malých tloušťkách příliš slabý a měkký. Zinek navíc poskytuje lepší rozměrovou stabilitu a další složité geometrie nevyžadují rozsáhlé obrábění. Nástroje pro tento druh odlitků mají také tendenci vydržet delší dobu, takže to znamená, že dlouhodobé výrobní náklady jsou nižší.

Zinek vs. hořčík:

Zinek je lehčí než hořčík, ale je dražší, pokud je zakoupen bez speciální povrchové úpravy. Zinkové slitiny však mají vynikající odolnost proti korozi a nevyžadují žádnou další povrchovou úpravu, aby byly odolné ve většině prostředí. Odlévání zinku také poskytuje lepší přesnost a povrchovou úpravu odlitků.

Zinek vs. plast:

Plast je však lehký, levný, ale relativně slabší, špatně odolává teplotám a je méně odolný než kov. Zinkové součásti odolávající opotřebení, nárazu nebo zatížení jsou solidní alternativou, pokud je důležitá strukturální integrita, životnost a odolnost proti poškození nárazem nebo opotřebením, zejména tam, kde jde o pohyb nebo přenášení břemene.

Zinek vs. ocel:

Ocel je dobrý materiál, který je pevný a poměrně často se používá v konstrukčních aplikacích, ale je mnohem těžší a v mnoha případech nákladnější na tvarování do ozdobných tvarů. Zinkové tlakové lití, protože vyrábí díly téměř čistého tvaru s minimálním dodatečným zpracováním, je vhodné v případech, kdy je třeba vyrobit malé a středně velké součásti.

Zinek obecně poskytuje dobrou rovnováhu mezi mechanickou pevností, cenou, tvářitelností a povrchovou úpravou, a proto je vynikajícím materiálem pro automobilové díly bez ohledu na jejich funkci.

Souhrnná tabulka klíčových vlastností zinku

Použití zinkového tlakového lití ve výrobě automobilů

Pomocí zinkového tlakového lití lze zpracovávat širokou škálu dílů pro vozidla. Některé z nich jsou nejběžnější, jako například:-

1. Vnitřní součásti:

• Dveřní kliky
• Kování bezpečnostních pásů
• Ovládací páčky na přístrojové desce
• Knoflíky a spínače HVAC

Součástky v nich jsou vysoce přesné, hmat musí být dobrý a lícování musí být skvěle zpracované. Schopnost zinku poskytovat jemné povrchové detaily a rozměrovou přesnost je vhodná pro tyto díly, které jsou viditelné a často používané.

2. Vnější součásti:

• Emblémy a loga
• Zámky dveří a kufru
• Držáky zrcadel
• Součásti systému stěračů

Protože však hluk často označuje příčinu hluku a místo jeho vzniku není tak důležité jako hluk samotný, používá se odolnost proti korozi a pevnost pro použití po vystavení vlivům prostředí a udává vzhled a funkci.

3. Součásti pod kapotou:

• Díly karburátoru
• Díly palivového systému
• Tělesa ventilů
• Kryty rozvodového řemene

Pro tyto díly je důležitá jak tepelná stabilita, tak pevnost a odolnost proti opotřebení. Složité geometrie, vysoce přesné tolerance a aplikace v kapalinových systémech motorů se dosahují pomocí zinkového tlakového lití.

4. Konstrukční části:

• Závorky
• Montážní desky
• Podvozkové podpěry (u menších vozidel)

Přestože se zinkové součásti nepoužívají pro primární nosné konstrukce, mají tuhost a spolehlivé mechanické vlastnosti, které je činí užitečnými pro nosné rámy a sestavy.

Flexibilita zinku splňuje dekorativně i funkčně uvedené požadavky ve všech třídách vozidel. Díky své schopnosti snižovat dodatečné zpracování, stínění EMI a konsolidaci součástí se zinkové tlakové lití rozšiřuje na stále více elektrických a konvenčních platforem.

Výhody tlakového lití oproti jiným materiálům pro tlakové lití

Ačkoli se v automobilovém průmyslu používá také hliník a hořčík, zinek má výhodu:

Je zřejmé, že pro malé až středně velké součásti, u nichž je důležitá přesnost a pevnost, je zinkové tlakové lití velmi dobrou volbou.

Výzvy při tlakovém lití zinku

Zinkové tlakové lití má některé nevýhody:

Hmotnost:

Zinek je příliš těžký pro použití v podvozcích elektrických vozidel a dalších aplikacích, kde je snížení hmotnosti kritické, protože je těžší než hliník nebo hořčík.

Tepelné vlastnosti: 

Tepelná vodivost zinku je nižší než tepelná vodivost hliníku, proto není vhodný pro díly pro odvod tepla, jako jsou chladiče motorů.

Omezení velikosti:

Nástroje například nelze použít k odlévání velmi velkých součástí a mohou se vyskytnout vady tuhnutí.

Ano, při inteligentním inženýrství a konstrukci hybridních materiálů lze většinu těchto problémů vyřešit.

Faktory životního prostředí a udržitelnosti

Zinkové tlakové lití vyniká tím, že se světový automobilový průmysl přiklání k ekologičtějším postupům.

100% Recyklovatelnost:

Zinkové odlitky se sbírají a přepracovávají bez jakékoliv degradace.

Energetická účinnost:

Vzhledem k tomu, že hliník má mnohem vyšší teplotu tání, je spotřeba energie výrazně nižší než u hliníku.

Dlouhá životnost nástrojů: 

Prodlužuje životnost matrice, snižuje četnost výměny nástrojů, což znamená méně odpadu a času bez výroby.

Společnosti, které se snaží splnit přísnější ekologické předpisy, se proto obracejí na zinek, protože je to vynikající volba, která neohrožuje kvalitu ani výkon.

Inovace a budoucí trendy

Technologie tenkých stěn:

Zdokonalené lisovací formy a tekutější slitiny zinku nyní umožňují vyrábět díly s extrémně tenkými stěnami, čímž se snižuje hmotnost bez ztráty pevnosti.

Hybridní sestavy: 

Zinkové díly se také stále častěji používají v kombinaci s plasty nebo jinými kovy pro multifunkční díly.

Elektrická vozidla (EV): 

Elektromobily potřebují kompaktní a robustní součásti pro kryty baterií, řídicí systémy a konektory a zinek je slibný díky své přesnosti a jako kov stínící EMI (elektromagnetické rušení).

Chytré nástroje: 

V hromadné výrobě pomáhá využití umělé inteligence a strojového učení při údržbě matric také zkrátit jejich životnost a snížit počet defektů.

Závěr

Tlakové lití zinku je víc než jen výrobní metoda, je to vítězná strategie, jak dosáhnout konkurenční výhody v automobilovém průmyslu. Představuje kombinaci, která je optimální z hlediska mechanické pevnosti, flexibility konstrukce, nákladové efektivity a udržitelnosti. Vzhledem k tomu, že vozidla směřují k tomu, aby byla lehčí, šetrnější k životnímu prostředí a sofistikovanější, má zinkové tlakové lití důležitou roli, která ho posune vpřed jako další generaci automobilových komponent. Zinek má v automobilové výrobě obrovské využití od malých interiérových knoflíků až po výkonné konstrukce pod kapotou. Jakmile budou inovace pokračovat ve zdokonalování jejich použití, přinesou nadcházející roky ještě širší uplatnění na platformách konvenčních, hybridních a elektrických vozidel.