Mezi slitiny zinku používané při tlakovém lití patří Zamak 2, Zamak 3, Zamak 5 a ZA8. Zamak 2 má 3,8-4,3% hliníku, 2,7-3,3% mědi a 0,035-0,06% hořčíku, s pevností v tahu 328 MPa. Zamak 3 neobsahuje měď (<0,03%), má 3,8-4,3% hliníku a 0,035-0,06% hořčíku, s pevností v tahu 283 MPa. Zamak 5 obsahuje 3,8-4,3% hliníku, 0,7-1,1% mědi a 0,035-0,06% hořčíku a nabízí pevnost v tahu 310 MPa. ZA8 obsahuje 8,2-8,8% hliníku, 0,9-1,3% mědi a 0,02-0,035% hořčíku, s pevností v tahu 386 MPa a lepší tepelnou stabilitou.
Chcete vědět, proč si je vybírají velkoobjemová odvětví, jako je automobilový průmysl, spotřební zboží nebo elektronika? Ponořte se do tohoto článku a podrobně se dozvíte, jak zinkové slitiny fungují a jaké jsou jejich výhody.
Klasifikace slitin zinku
Slitiny zinku spadají do různých kategorií. Protože mají různé primární legující prvky, liší se i jejich vlastnosti. Tak lze určit jejich mechanické vlastnosti, chování při odlévání a průmyslové komponenty. Pojďme objevit ty hlavní.
Slitina Zamak 2
Složení:
Zamak 2 obsahuje zinek jako primární prvek. Dále obsahuje 3,8-4,3% hliníku, 2,7-3,3% mědi a 0,035-0,06% hořčíku. Má vyšší množství mědi než ostatní slitiny. V důsledku toho se zvyšuje tvrdost a odolnost proti opotřebení.
Vlastnosti:
328 Mpa je pevnost v tahu materiálu Zamak 2. Tvrdost se pohybuje od 100 HB. Vyšší množství mědi tvoří stabilní mosazná fáze alfa-beta.
To znamená, že tyto slitiny mají rozměrovou stabilitu. Díky tomu můžete získat přesné výsledky tuhnutí.
Aplikace:
Komponenty, které se potýkají se situacemi s vysokým zatížením, jsou vyrobeny z materiálu zamak 2. Například převodovky, zámky a součásti průmyslových strojů.
Binární eutektické fáze zabalit dendrity bohaté na zinek. To je jedinečná vlastnost mikrostruktury této slitiny. To je výhodné i pro potřeby odolnosti proti opotřebení.
Zamak 3 Alloy
Složení:
Slitina Zamak 3 se skládá z menšího množství mědi (<0,03%) spolu s 3,8 - 4,3% hliníku a 0,035 - 0,06% hořčíku.
Tato slitina se od ostatních zamakových slitin liší téměř nulovým obsahem mědi.
Vlastnosti:
Důvodem vyšší tažnosti materiálu Zamak 3 je jeho pevnost v tahu 283 MPa a prodloužení 20%. Příměs hořčíku pomáhá zjemnit hranice zrn zinku. Jemnozrnná struktura následně zabraňuje vzniku trhlin během procesu chlazení.
Aplikace:
Tyto slitiny jsou vhodné pro kompaktní rozměry nebo složitě tvarované díly. Například zipy, kolečka hraček a elektrické konektory.
Pokud jde o jeho mikrostrukturu, vyznačuje se složitějším dendritem. V porovnání se Zamakem 2 je v dentritu 20-40 μm prostoru. Z těchto slitin lze tedy odlévat vysoce specifické díly.
Zamak 5 Alloy
Složení:
Ve slitině Zamak 5 je 3,8 - 4,3% hliníku, 0,7 - 1,1% mědi a 0,035 - 0,06% hořčíku. Má také mírný obsah mědi. Ten se pohybuje mezi Zamakem 2 a Zamakem 3.
Vlastnosti:
Zamakové slitiny jsou ty, které mají vyváženou pevnost (310 MPa v tahu) a slévatelnost. Má také intermetalický útvar mědi a hliníku. To způsobuje přídavek mědi, který zvyšuje její tvrdost až na 91 HB.
Aplikace:
Zamak 5 se dobře hodí k výrobě automobilových součástek (kliky dveří, díly karburátorů) a kování. Jeho struktura složení zajišťuje lepší tekutost, což vede k menší pórovitosti.
Slitina ZA8
Složení:
Ve složení slitiny ZA8 je přítomno 8,2 - 8,8% hliníku, 0,9 - 1,3% mědi a 0,02 - 0,035% hořčíku. Od zamakových slitin se liší nadměrným množstvím hliníku.
Vlastnosti:
ZA8 pracuje při 120 °C. Pevnost v tahu je 386 Mpa. Mikrostruktura 40% této slitiny je tvořena eutektickou fází hliníku a zinku. Další vlastností je zlepšení odolnosti proti tečení.
Aplikace:
Ze slitiny ZA8 můžete vyrábět vysokotlaké odlitky. Například skříně čerpadel a držáky. Poskytuje tepelnou stabilitu, protože v její struktuře jsou dendrity s roztečí 50-80 μm.
Superloy
Složení:
Kategorie superstop zinku se skládá z 6,6 - 7,2% hliníku, 3,2 - 3,8% mědi a <0,005% hořčíku. Vyšší podíl mědi v této slitině připomíná mosaz. Je to proto, že má stejné předpětí.
Vlastnosti:
Obsah mědi a hliníku se sráží při získání tvrdosti 120 v Superloy. Obsahuje směs alfa a beta fází. Proto je jejich pevnost v tahu až 440 Mpa.
Aplikace:
Tento druh zinku je vhodný pro odlévání těžkých dílů, jako jsou držáky motorů a průmyslové nástroje. Tuhne pomalu. To znamená, že ve výsledku podporuje dendritickou strukturu.
Slitina AcuZinc 5
Složení:
Kombinace hliníku 2,8 - 3,3%, mědi 5,0 - 6,0% a hořčíku 0,025 - 0,05% tvoří slitinu AcuZinc 5. Ve srovnání s většinou zinkových slitin obsahuje nadměrný obsah mědi.
Vlastnosti:
Vyšší obsah mědi tvoří měděno-zinkovou matrici. To představuje pevnost v tahu 350 MPa. Obsah hořčíku slouží ke zjemnění struktury. Snižuje také riziko smrštění.
Aplikace:
Tento zinkový kov se hodí zejména k výrobě ložisek a pouzder. To je využívané strojní zařízení. Existuje ternární eutektická fáze. Ta funguje tak, že vytváří nízký součinitel tření až 0,1-0,15.
Vlastnosti slitin zinku
Mechanické vlastnosti
Tah slitin na bázi zinku se pohybuje mezi 283 MPa (Zamak 3) a 440 MPa (Superloy). Jeho hodnota prodloužení je 10-20%.
Stejně tak slitina Zamak 5 vykazuje pevnost v tahu 310 MPa při tvrdosti 91 HB.
Díly lité pod tlakem ze zinku vykazují mnohem vyšší pevnost (15%) než díly lité do písku. Odlévání do písku také způsobuje tvarové varianty, protože dochází k brzkému ochlazení.
Kov ZA8 odolává velkému zatížení. Díky tomu je ideální pro aplikace s vysokým zatížením, jako jsou skříně čerpadel.
Odolnost proti korozi
Mechanismus koroze (na obrázku) znázorňuje elektrochemické chování zinkových slitin. V anodě je oxid zinečnatý (Zn → Zn²⁺ + 2e-).
Kyslík se redukuje díky katodám (O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH-). Když se vytvoří ochranná vrstva, chloridové ionty (Cl-) vytvářejí rozpustný ZnCl₂. To tuto vrstvu narušuje a způsobuje důlkovou tvorbu kolem 0,1-0,5 mm/rok.
Přítomnost hliníku v kovovém zinku (Zamak) stabilizuje tento štít. Důvodem je jeho schopnost odolávat korozi (30%).
Mezitím se v mořském prostředí zvyšuje riziko dezinfekce kvůli prvkům mědi.
Tepelné a elektrické vlastnosti
V případě koeficientu tepelné roztažnosti obsahuje zamak 23 × 10-⁶/°C (ZA8) až 29 × 10-⁶/°C. Přídavek legujících prvků mění skutečnou elektrickou vodivost nebo ji snižuje.
Například přidáním většího množství mědi do zamaku 3 za vzniku zamaku 2 se sníží IACS z 28% na 26%.
Tepelná stabilita kolem 110-125 W/m-K (pod 100 °C) se však u těchto slitin nemění. Díky tomu jsou vhodné pro širokou škálu dílů, včetně chladičů.
Odolnost proti únavě
Každá slitina zinku měla dosud stanoveny meze únavové odolnosti. Ty se pohybují mezi 120 Mpa u zamaku 3 a 180 Mpa u Superloy.
Techniky odlévání zvyšují únavovou odolnost až o 20%. To je způsobeno stlačením zbytkového napětí.
Mezitím je třeba použít jiné techniky, jako je obrábění, pro odlehčení žíhání. Aby se zpočátku zastavilo jejich praskání
Srovnávací tabulka Zamak 2, 3, 5, ZA-8, Superloy a AcuZinc 5
Tabulka 1: Rozsahy jmenovitého složení (% hmotnostně)
| Prvek | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Hliník (Al) | 3.9 - 4.3 | 3.9 - 4.3 | 3.9 - 4.3 | 8.0 - 8.8 | 1.0 - 1.5 | 5.2 - 5.8 |
| Měď (Cu) | 2.7 - 3.3 | 0.03 - 0.06 | 0.75 - 1.25 | 0.8 - 1.3 | 1.5 - 2.5 | 2.5 - 3.0 |
| Hořčík (Mg) | 0.02 - 0.05 | 0.03 - 0.06 | 0.03 - 0.06 | 0.015 - 0.03 | 0.01 - 0.04 | 0.025 - 0.05 |
| Titan (Ti) | - | - | - | - | 0.15 - 0.25 | - |
| Chrom (Cr) | - | - | - | - | 0.05 - 0.15 | - |
| Železo (Fe) max | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.03 | 0.02 | 0.02 |
| Olovo (Pb) max | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 |
| Kadmium (Cd) max | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 |
| Cín (Sn) max | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 |
| Zinek (Zn) | Bilance | Bilance | Bilance | Bilance | Bilance | Bilance |
Tabulka 2: Mechanické vlastnosti (typické hodnoty pro tlakové lití)
| Majetek | Jednotka | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Pevnost v tahu | MPa (ksi) | 359 (52) | 283 (41) | 331 (48) | 374 (54)¹ | ~240-275 (35-40) |
~410-450 (60-65)
|
| Mez kluzu (0,2%) | MPa (ksi) | 290 (42) | 218 (32) | 266 (39) | 290 (42)¹ | ~180-220 (26-32) |
~360-400 (52-58)
|
| Tvrdost | BHN (10 mm/500 kg) | ~100 | ~82 | ~91 | ~103¹ | ~80-90 | ~110-120 |
| Prodloužení (% v 50mm/2″) | % | ~7 | ~10 | ~7 | ~10¹ | ~10-20 | ~5-8 |
Tabulka 3: Fyzikální vlastnosti
| Majetek | Jednotka | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Rozsah tání | °C (°F) | 380-386 (717-727) | 381-387 (718-728) | 380-386 (717-727) | 375-387 (707-728) | ~378-385 (712-725)² |
~379-388 (714-730)²
|
| Hustota | g/cm³ (lb/in³) | 6.7 (0.242) | 6.6 (0.238) | 6.6 (0.238) | 6.3 (0.227) | ~6.8 (0.246)² | ~6.6 (0.238)² |
| Tepelná vodivost | W/m-K (BTU/hod-stopa-°F) | 105 (60.7) | 113 (65.3) | 109 (63.0) | 115 (66.5) | ~110 (63.5)² | ~108 (62.4)² |
| Elektrická vodivost | % IACS | ~26% | ~27% | ~26% | ~27.7% | ~27%² | ~26%² |
| Měrné teplo | J/kg-K (BTU/lb-°F) | 419 (0.10) | 419 (0.10) | 419 (0.10) | 435 (0.104) | ~420 (0.10)² | ~420 (0.10)² |
Srovnání zinkové slitiny (Zamak 5) s alternativními materiály
| Metrické | Zinková slitina (Zamak 5) | Hliníková slitina (A380) | Hořčíková slitina (AZ91D) | Litá mosaz (typická žlutá) |
Technické plasty (obecně)
|
| Relativní náklady (dílčí náklady)¹ | Mírná | Nízká až střední | Mírná až vysoká | Vysoká až velmi vysoká |
Nízká až vysoká (silně závislá na objemu)
|
| Hustota (g/cm³) | Vysoká (~6,6) | Nízká (~2,7) | Velmi nízká (~1,8) | Velmi vysoká (~8,4-8,7) |
Velmi nízká (~1,0 - 1,5+)
|
| Pevnost / tuhost | Dobrý | Dobrý (výborná pevnost/hmotnost) | Slušný až dobrý (výborná pevnost/hmotnost) | Dobrý až výborný |
Špatný až dobrý (velmi variabilní)
|
| Maximální provozní teplota / odolnost proti tečení | Slušný (omezený >100°C) | Dobrý (použitelný ~200°C) | Slušný (omezený >120 °C, závisí na slitině) | Vynikající |
Špatný až dobrý (velmi proměnlivý)
|
| Odlévatelnost / tvarovatelnost² | Vynikající (horká komora, tenké stěny, životnost formy, doba cyklu, tolerance) | Dobrý (studená komora, dobrá tekutost, pomalejší cykly, kratší životnost matrice) | Velmi dobré (možnost horké komory, tenké stěny, rychlé cykly, nutná ochrana) | Spravedlivé (Obtížné tlakové lití, ostatní metody pomalejší) |
Vynikající (vstřikování, složité tvary, rychlé cykly)
|
| Možnosti povrchové úpravy (pokovování, lakování atd.) | Výborný (Nejjednodušší na přípravu) | Dobrý (možnost eloxování, nutná příprava na pokovení) | Spravedlivý (vyžaduje zvláštní zacházení, riziko koroze) | Výborný (dobře se leští, snadno se pokovuje) |
Dobrý až dobrý (Integrální barva, potřebuje specifika pro pokovení/malbu)
|
| Hlavní výhody | Odlévatelnost, povrchová úprava, rozměrová přesnost, mírná cena | Nízká hmotnost, pevnost/hmotnost, odolnost proti teplotám, cena | Nejnižší hmotnost, pevnost/hmotnost, slévatelnost (tenké stěny) | Pevnost, odolnost proti korozi, nosné vlastnosti, estetika |
Nejnižší hmotnost, nízké náklady (vysoký objem), flexibilita designu, integrovaná barva
|
| Hlavní nevýhody | Vysoká hustota, nižší teplotní odolnost | Vyšší teplota zpracování/náklady, nižší životnost než u zinku | Náklady, náchylnost ke korozi, teplotní limity, riziko hořlavosti (roztavené) | Vysoké náklady, vysoká hustota, obtížné tlakové lití |
Nižší pevnost/tuhost, nižší teplotní odolnost, tečení
|
Výrobní procesy pro slitiny zinku
A. Tlakové lití
Tlakové lití za tepla:
Proces, který dokáže vtlačit roztavenou zinkovou slitinu do dutiny zápustky, aby získala profil výrobku, je horká komora. tlakové lití zinku. K průtoku kapaliny používá husí krk a pístový systém.
Tento postup je vhodný pro odlévání kovů s nižšími body tání. Proto se hodí pro zinek. Jeho doba cyklu je 50-100 výstřelů za hodinu.
Tlakové lití za studena:
Odlévání ve studené komoře není jako odlévání v horké komoře; hodí se pro slitiny s vyšší teplotou tání. K roztavení kovu a jeho ručnímu nalití do formy slouží samostatná pec.
Je mnohem pomalejší než odlévání do horké komory a může produkovat 20 až 40 výstřelů za hodinu. U slitin litých do zinku však dochází k menšímu znečištění železem.
B. Gravitační lití
Při gravitačním lití ochlazují kovodělníci odlitky přirozenou konvekcí. K tomu používají rychlost chlazení 1-10 °C/s.
Vznikají hrubé dendrity, které rovněž snižují pevnost v tahu ve srovnání s tlakově litými předměty. Tím se však zachovává tažnost, a dokonce dochází k jejímu zlepšení.
C. Odlévání do písku
Nejoblíbenějším a nejjednodušším způsobem odlévání je odlévání do písku. K odlévání zinkových dílů je zapotřebí méně práce a jen méně klíčových kroků.
Výrobci přitom nalijí roztavený zinek do brusné formy a počkají, až vychladne. Poté se zápustka otevře a hotový díl se vyjme.
Tvarování pískem trvá mnoho hodin a chladne pomalu přibližně 0,1-1 °C/s. To je příčinou vzniku velkého množství eutektických fází. Hlavními výhodami dílů litých do písku ZA27 jsou lepší tepelná stabilita než u tlakového lití.
D. Povrchová úprava
Povrch je velmi důležitý pro zvýšení kvality a vlastností slitin. Například galvanické pokovení (5-15 μm zinek-nikl) zastavuje korozi 5krát lépe.
Pro získání krásného vzhledu je cenná prášková barva (50-80 μm). Zvyšuje také počet slitin, které přežijí více než 500hodinové zkoušky solnou mlhou, jako např. ASTM B117.
E. Obrábění
Bezolovnaté složení zinkových slitin, jako je Zamak 3, nabízí 80% lepší obrobitelnost než volně řezaná mosaz. Snižuje také drsnost povrchu o 0,8-1,6 μm Ra.
Slitiny s vysokým obsahem mědi, které obsahují abrazivní intermetalické prvky, jako Zamak 2, potřebují k obrábění nástroje z tvrdokovu.
F. Recyklace
Zinkové slitiny lze po skončení jejich životnosti znovu použít, protože mají recyklovatelné vlastnosti 100%. Přetavují se při teplotě 420-450 °C. Výskyt strusky můžete snížit až na <2% hmotnosti taveniny, pokud se zaměříte na správné tavení. Slitina si také může zachovat mechanické vlastnosti prostřednictvím více než 7 přetavovacích cyklů.
Výhody zinkových slitin
Nákladová efektivita
Slitiny zinku mohou při výrobě dílů kompaktních rozměrů ušetřit až 40-60% ve srovnání s hliníkem nebo nerezovou ocelí. Obvykle stojí 2,50-3,50/kg oproti 5-8/kg u náhrad.
Také výběr možností tlakového lití snižuje jeho rychlost. Ceny se však liší v závislosti na typu slitiny, projektu nebo jiných výrobních potřebách.
Odolnost proti korozi a trvanlivost
Zamak vydrží více než 500 hodin ve zkouškách solnou mlhou ve srovnání s měkkou ocelí (10x). Například aplikace zinku pro námořní použití korodují velmi málo, až <0,1 mm/rok v. pobřeží prostředí.
Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti
Při dobré pevnosti v tahu mají díly ze zinkových slitin hustotu 6,6-7,1 g/cm³. To umožňuje srovnatelnou pevnost. Litina má hustotu 7,2 g/cm³. Z tohoto důvodu pracuje s nižší hmotností 20%.
Tlumicí schopnost
Zinek se hodí k výrobě držáků pro automobily a základů strojů. Je to proto, že dokáže tlumit 30% více vibrací než alternativy, jako je hliník. Snižují hluk až o 15-20 dB.
Výzvy a omezení zinkových slitin
Korozní mechanismy
U těchto slitin může docházet ke galvanické korozi, pokud jsou přítomny ušlechtilejší kovy, například ocel. Prostředí bohaté na chloridy způsobuje důlkovou korozi (0,1-0,3 mm/rok).
Slitiny, které obsahují více hliníku, se při teplotách nad 60 °C potýkají s mezikrystalovou korozí.
Výkon při vysokých teplotách
Tyto slitiny ztrácejí pevnost až do 40% při teplotě 150 °C (Zamak) a 60% při 200 °C (ZA-8). Mikrostrukturní hrubnutí, ke kterému dochází v důsledku tepelného cyklování, způsobuje rozměrový posun na 100 cyklů.
Obavy z toxicity
Vystavení zinkovým výparům má za následek horečku z kovových výparů. Také pro stopy kadmia je důležité větrání podle OSHA. Při tavení zinku je třeba používat osobní ochranné prostředky s filtry P100 a odsávání dýmu.
Odolnost proti tečení
U ZA-27 dosahuje deformace při tečení 0,5% při tlaku 50 mpa po 1000 hodinách. Většina složitých konstrukcí snižuje napětí na mez kluzu. Ke zvládnutí deformace používají žebrovou výztuž.
Závěr
Slitiny zinku hrají velmi důležitou roli při výrobě různých aplikací. Je cenově výhodná, ale přitom nabízí vynikající slévatelnost a odolnost proti korozi. Stejně jako ostatní kovy mají určitá omezení, jsou však univerzální a recyklovatelné. Zajistěte si odolnost v různých průmyslových odvětvích s kovem podle svého výběru.