Zink er et multifunktionelt og vigtigt metal med vigtige roller i en lang række industrielle, kommercielle og biologiske anvendelser. Zink bruges i industrien, i byggeriet og til beskyttende belægninger på grund af dets høje korrosionsbestandighed og blålige sølvfarvede udseende. En af de mest værdifulde egenskaber er dens evne til at danne meget stærke legeringer, især med aluminium, kobber og magnesium, og det forbedrer i høj grad styrken og holdbarheden. Når det gælder fremstillingsprocesser som trykstøbning, gør disse egenskaber zink ekstremt velegnet. Zink er også kendt som et særligt materiale i forbindelse med bilindustrien, fordi der ikke findes noget andet materiale med sådanne mekaniske egenskaber og samtidig med så mange produktionsfordele. Det kan bruges til at skabe meget komplekse og detaljerede former med lidt maskinarbejde, hvilket gør dem perfekte til både dekorative og funktionelle køretøjskomponenter. Dertil kommer det lave smeltepunkt, som giver et lavere energiforbrug i produktionen, hvilket er i overensstemmelse med de globale bæredygtighedsmål. Zinks betydning øges i takt med, at bilteknologien udvikler sig. De fleste systemdele til fly kan nu fremstilles af det, fordi det understøtter produktion i store mængder med fremragende delkonsistens, hvilket gør det til et kritisk materiale, ikke bare for de nuværende systemdesigns, men også for deres nye designs i fremtiden.

Hvad er trykstøbning i zink?

Zinkstøbning er en præcisionsfremstillingsproces, der involverer indsprøjtning af smeltet zinklegering i en tilpasset form (også kendt som en støbeform) under højt tryk og ved højt tryk for at forme metaldele. Den bruges normalt til produktion af komplekse, detaljerede komponenter med snævre tolerancer, fin overfladefinish og høje mekaniske egenskaber.

Trykstøbning i zink har fremragende mekaniske egenskaber og kombinerer samtidig høj præcision. Det gør det muligt at fremstille komplicerede dele med snævre tolerancer og glat overfladefinish, og det er nyttigt i forhold til de krav, der stilles til nutidens køretøjsdesign.

Hvorfor zink? Vigtige materialeegenskaber

På grund af flere unikke egenskaber foretrækkes zink i trykstøbningsprocessen.

Høj styrke og duktilitet

Fordi det er stærkere end mange andre metaller, der er trykstøbt, bruges zinklegeringer i tyndvæggede applikationer.

Fremragende dimensionel nøjagtighed

Zinkstøbning er en del, der bevarer sine former og størrelser med stor ensartethed, hvilket hjælper med at skære efterbehandlingen væk.

Overlegen korrosionsbestandighed

Zink er naturligt modstandsdygtigt over for korrosion, især når det gælder ekstra belægninger. Det er afgørende for dele, der bruges i køretøjer under uheldige vej- og vejrforhold.

Høj fluiditet

Den smeltede zink flyder meget let, og disse dele med små funktioner og tynde vægge blev støbt med succes.

Omkostningseffektivt værktøj

Zinkstøbning har fordele i form af lang levetid sammenlignet med aluminium eller magnesium; derfor er der flere økonomiske fordele ved zink, hvis man ønsker en stor produktionskørsel.

Genanvendelighed

Bilindustriens overgang til større bæredygtighed betyder også, at zink er et miljømæssigt ansvarligt materiale, der er 100% genanvendeligt uden tab af egenskaber.

Fremstillingsproces: Oversigt trin for trin

1. Design og værktøj:

CAD-software bruges af ingeniører til at designe komponenter. Derefter fremstilles en højpræcisionsstålform med et stort antal hulrum til at bygge flere dele i en enkelt cyklus.

2. Smeltning af zinklegeringen:

Zink smeltes ved ca. 420 °C (788 °F), lavere end aluminium og med betydeligt lavere energiomkostninger.

3. Indsprøjtning:

Normalt sprøjtes den smeltede zink ind i formen ved et tryk på 1.500 - 25.000 psi, der er højt nok til at sikre, at formen fyldes hurtigt og jævnt.

4. Afkøling og størkning:

Når zinklegeringen kommer ind i matricen, afkøles den hurtigt og størkner (i løbet af få sekunder).

5. Udvisning:

Udkasterpinde skubber derefter den nyformede del ud af matricen.

6. Trimning og efterbehandling:

Delen kan være genstand for yderligere efterbehandling, såsom afgratning, polering, maling eller coating, og det overskydende materiale (flash) fjernes.

7. Kvalitetskontrol:

Nogle komponenter inspiceres for dimensionsnøjagtighed, overfladefejl og mekanisk integritet, som det ofte sker med automatiserede systemer eller 3D-scannere.

Almindelige zinklegeringer brugt i bilindustrien

I bilindustrien er det vigtigt at vælge den rette zinklegering, fordi legeringens egenskaber spiller en vigtig rolle for den rette ydeevne, pålidelighed og omkostningseffektivitet. Producenter kan matche materialer til specifikke anvendelser afhængigt af, hvilken balance mellem styrke, duktilitet, fluiditet og korrosionsbestandighed forskellige legeringer har at tilbyde i varierende grad. De mest almindeligt anvendte zinklegeringer til støbning af biler er angivet nedenfor.

1. Zamak-legeringer (zink-aluminium-legeringer)

Det primære legeringselement i en familie af zinklegeringer kendt som zamak er aluminium ved ca. 4%. Navnet kommer fra de tyske navne på de anvendte metaller: Zink, aluminium, magnesium og kopper (kobber).

Zamak 3:

• Det er den mest anvendte zinklegering til trykstøbning.
• Giver fremragende dimensionsstabilitet, god overfladefinish og støbeevne.
• Disse overflader er almindelige i indvendige komponenter som dørhåndtag, knopper og pyntedele.

Zamak 5:

• Det er lidt mere kobber end Zamak 3 og giver højere styrke og hårdhed.
• Velegnet til mekanisk belastning som f.eks. konstruktionsbeslag.

Zamak 2:

• Den stærkeste og hårdeste af Zamak-legeringerne.
• Det bruges i låsesystemer eller gearhuse, hvor slidstyrke er afgørende.

2. ZA-legeringer (zink-aluminium)

ZA-legeringer (ZA-8, ZA-12, ZA-27) har et højere Al-indhold end Zamak og har højere styrke og slidstyrke. De bruges generelt til gravitationsstøbning, formentlig også i nogle tilfælde til trykstøbning.

ZA-8:

• Indeholder 8% aluminium.
• Giver god styrke og moderate støbeegenskaber.
• Velegnet til strukturelle komponenter i letvægtskøretøjer.

ZA-12 og ZA-27:

• Svær at støbe, men højere styrke.
• Anvendes i semi-strukturelle applikationer eller dele, hvor det er udsat for friktion.

3. ACuZinc5

Det er en særlig zink-kobber-aluminium-legering, der har til formål at opnå Zamaks støbeegenskaber og ZA-legeringers styrke.

• Ekstremt høj styrke og overlegen slidstyrke.
• Anvendes i gearhuse, aktuatorer og mekaniske koblinger i bilsystemer.
• Det nye materiale er ideelt til at erstatte bearbejdet bronze og stål i applikationer, hvor holdbarhed er nødvendig.

4. EZAC (Forbedret zink-aluminium-kobber)

EZAC er en relativt ny legering med meget høj styrke og krympebestandighed op til høje temperaturer.

• God til dele, der skal holde form og styrke selv under belastning, f.eks. monteringskomponenter eller motorer.
• Det giver dobbelt så stor styrke som Zamak 3, men kræver mere avanceret værktøj.

5. Zink-nikkel-legeringer

Zink-nikkelplader er mindre almindelige end zinkstøbning til disse områder, men de bruges ofte til at forbedre korrosionsbestandigheden (især salt og fugt) til dele under motorhjelmen eller undervognen.

• At vælge den rigtige legering
• Valget af zinklegering afhænger af flere faktorer
• Mekaniske krav (trækstyrke, slagfasthed)
• Behov for overfladefinish
• Omkostninger og produktionsvolumen
• Udsættelse for miljøbelastning (varme, korrosion)

Derfor arbejder ingeniører ofte sammen med materialeforskere og leverandører om at vælge en legering, der er så velegnet til opgaven, som omkostningerne tillader, og som opfylder både præstations- og omkostningsbegrænsninger.

Zinkstøbningens rolle i bilindustrien

Trykstøbning af zink har stor betydning i bilindustrien på grund af høj præcision, høj styrke og økonomisk fremstilling af små til mellemstore komponenter. Denne proces giver mulighed for at producere komplekse dele med høj præcision på meget kort tid og er fremragende til bilindustrien i store mængder.

Zinklegeringer har fremragende mekaniske egenskaber som f.eks. holdbarhed, korrosionsbestandighed og dimensionsstabilitet. Det er de ting, der gør zink til det bedste valg til dørhåndtag, beslag, låse, emblemer osv. som en del af bilen. Det er også nemt at plettere eller male, da det har en glat overfladefinish.

Selvom zink er tungere end aluminium eller magnesium, kan det være konkurrencedygtigt til anvendelser, hvor vægt ikke er den højeste prioritet i forhold til styrke og detaljer. På grund af det lave smeltepunkt kræver det mindre energi og har en lang værktøjslevetid. Zink er også 100% genanvendeligt, hvilket er med til at fremskynde bilindustriens fremme af bæredygtighed.

Trykstøbning af zink giver stadig pålidelige løsninger af høj kvalitet til krævende anvendelser i bilindustrien, efterhånden som køretøjernes design udvikler sig.

Fysiske og kemiske egenskaber ved zink 

Fysiske egenskaber ved zink

1. Udseende:

Det termoelektriske blålige sølv eller grålige metal har en skinnende metalglans, når det er nypoleret.

2. Tæthed:

Da zink ved stuetemperatur har en massefylde på ca. 7,14 g/cm³, er det moderat tungt i forhold til andre metaller.

3. Smeltepunkt:

Men ved en relativt lav temperatur på 419,5 °C (787 °F) er zink velegnet til termiske processer som f.eks. trykstøbning, hvor man ønsker et lavt energiforbrug.

4. Kogepunkt:

Zink koger ved 907 °C (1665 °F).

5. Hårdhed:

Zink er ca. 2,5 på Mohs' hårdhedsskala, hvilket gør, at det ikke er for hårdt sammenlignet med stål, men heller ikke for blødt, som rent tin eller bly er.

7. Elektrisk ledningsevne:

Men mens kobber og sølv er meget gode til at lede elektricitet, er zink ikke helt så ledende. På grund af denne egenskab bruges det ofte i batterier og til galvanisering.

8. Termisk ledningsevne:

Zinks moderate varmeledningsevne gør det nyttigt til at håndtere varme, men det er mindre effektivt end aluminium.

9. Formbarhed og duktilitet:

Zink er skørt og kan derfor let gå i stykker ved stuetemperatur. Det er dog formbart, når det opvarmes til omkring 100-150 °C (212-302 °F), og man kan nemt forme dem.

10. Krystalstruktur:

Derudover krystalliserer binære forbindelser af zink i en hexagonal tætpakket (hcp) struktur, som påvirker de mekaniske egenskaber, især skørheden ved lavere temperaturer.

Kemiske egenskaber ved zink

1. Reaktivitet med luft:

Når zink kommer i kontakt med luft, danner det et tyndt lag af zinkoxid (ZnO) på overfladen. Zink på oversiden forhindrer dybere korrosion og er derfor meget modstandsdygtig over for atmosfærisk oxidationsrust.

2. Reaktivitet med syrer:

Fortyndede syrer som den fortyndede syre saltsyre (HCl) kan let reagere med zink og afgive brintgas (H₂). Derfor gør denne egenskab zink nyttig i galvanisering og offeranoder til korrosionsbeskyttelse.

3. Amfoterisk natur:

Zink er amfotert og kan påvirkes af både syrer og kraftige baser. For eksempel reagerer det med natriumhydroxid (NaOH) og giver natriumzinkat.

4. Legeringsdannelse:

Zink legerer let med flere metaller, herunder kobber, til fremstilling af messing, aluminium, magnesium og mange andre metaller.

5. Oxidationstal:

Zinks oxidationstrin +2 (Zn²⁺) er det mest almindelige. Dette oxidationstrin kombineres med zinkforbindelser som zinkoxid (ZnO) og zinksulfat (ZnSO₄).

6. Modstandsdygtighed over for vand:

Rent vand reagerer ikke med zink ved stuetemperatur, men ved højere temperaturer kan zink reagere med det og langsomt danne brintgas og zinkoxid.

7. Galvanisk aktivitet:

Anodematerialet, zink, er meget effektivt, fordi det let mister elektroner i galvaniske celler (batterier).

Zink vs. andre materialer i bilindustrien

I modsætning til aluminium, magnesium, plast eller stål har trykstøbning i zink flere fordele. Zink udmærker sig ved sin nøgleydelse og pris i bildesign, og selvom hvert materiale kan have sin plads i bildesign, er zink særligt effektivt i forhold til disse parametre.

Zink vs. aluminium:

I en form, der ofte vælges på grund af sin lave vægt, er aluminium for svagt og for blødt ved lave tykkelser sammenlignet med zink. Derudover giver zink bedre dimensionsstabilitet, og yderligere komplekse geometrier kræver ikke omfattende bearbejdning. Værktøj til denne type støbning har også en tendens til at holde i længere tid, så det betyder, at de langsigtede produktionsomkostninger er lavere.

Zink vs. magnesium:

Zink er lettere end magnesium, men er dyrere, når det købes uden særlig belægning. Men zinklegeringer har en fremragende korrosionsbestandighed og kræver ingen yderligere overfladebehandling for at være modstandsdygtige i de fleste miljøer. Desuden giver støbning af zink bedre præcision og finish.

Zink vs. plastik:

Men plast er let, billigt, men relativt svagere, tåler ikke temperaturer særlig godt og er mindre holdbart end metal. Zinkkomponenter, der kan modstå slid, stød eller belastning, er et solidt alternativ, når strukturel integritet, levetid og modstandsdygtighed over for skader fra stød eller slid er vigtig, især når der er tale om bevægelse eller belastning.

Zink vs. stål:

Stål er et godt materiale, som er stærkt og ofte bruges i konstruktioner, men det er meget tungere og i mange tilfælde dyrere at forme til runde former. Zinkstøbning er velegnet, når der skal produceres små og mellemstore komponenter, fordi det giver næsten lige store dele med minimal efterbehandling.

Generelt giver zink en god balance mellem mekanisk styrke, pris, formbarhed og overfladefinish og er derfor et fremragende materiale til bildele uanset deres funktion.

Oversigtstabel over zinks vigtigste egenskaber

Anvendelser af zinkstøbning i bilproduktion

En lang række komponenter til køretøjer kan forarbejdes via zinkstøbning. Nogle af dem er mest almindelige, som f.eks.

1. Indvendige komponenter:

• Dørhåndtag
• Beslag til sikkerhedsseler
• Betjeningsgreb på instrumentbrættet
• HVAC-knapper og -kontakter

Komponenterne i disse er meget præcise, de skal føles godt, og pasformen skal være god. Zinks evne til at give fine overfladedetaljer og dimensionsnøjagtighed er velegnet til disse dele, der er synlige og bruges ofte.

2. Udvendige komponenter:

• Emblemer og logoer
• Låse til døre og bagagerum
• Beslag til spejle
• Komponenter til viskersystemet

Da støj imidlertid ofte indikerer årsagen til støj, og placeringen af årsagen ikke er så vigtig som selve støjen, bruges korrosionsbestandighed og styrke til brug efter miljøeksponering og giver udseende og funktion.

3. Komponenter under motorhjelmen:

• Karburatordele
• Dele til brændstofsystemet
• Ventilhuse
• Dæksler til tandremme

Både termisk stabilitet, styrke og slidstyrke er afgørende for disse dele. Komplekse geometrier, høje præcisionstolerancer og anvendelser med flydende motorsystemer opnås ved hjælp af zinkstøbning.

4. Strukturelle dele:

• Beslag
• Monteringsplader
• Chassisstøtter (i mindre køretøjer)

Selvom de ikke bruges til primære bærende konstruktioner, har zinkkomponenter stivhed og pålidelige mekaniske egenskaber, der gør dem nyttige i bærende rammer og samlinger.

Zinks fleksibilitet opfylder de dekorative og funktionelle krav i alle klasser af køretøjer. På grund af sin evne til at reducere efterbehandling, EMI-afskærmning og komponentkonsolidering udvides zinkstøbning til flere og flere elektriske og konventionelle platforme.

Fordele ved trykstøbning i forhold til andre trykstøbningsmaterialer

Selvom aluminium og magnesium også er blevet brugt i bilindustrien, har zink en fordel:

Det er let at se, at til små og mellemstore komponenter, hvor præcision og styrke er af stor betydning, er zinkstøbning en rigtig god løsning.

Udfordringer i trykstøbning af zink

Trykstøbning af zink har nogle ulemper:

Vægt:

Zink er for tungt til at blive brugt i elbilers chassis og andre anvendelser, hvor vægtreduktion er afgørende, fordi det er tungere end aluminium eller magnesium.

Termiske egenskaber: 

Zinks varmeledningsevne er lavere end aluminiums, så det er ikke egnet til varmeafledende dele som f.eks. motorkølere.

Begrænsninger i størrelse:

Værktøjerne kan f.eks. ikke bruges til at støbe meget store komponenter, og der kan opstå størkningsfejl.

Ja, med intelligent teknik og design af hybridmaterialer kan de fleste af disse udfordringer løses.

Miljø- og bæredygtighedsfaktorer

Zinkstøbning skiller sig ud, fordi den globale bilindustri hælder til grønnere praksis.

100% Genanvendelighed:

Støbeskrot af zink opsamles og bearbejdes uden nogen form for nedbrydning.

Energieffektivitet:

Da aluminium har en meget højere smeltetemperatur, er energiforbruget betydeligt lavere end med aluminium.

Lang levetid for værktøjet: 

Det forlænger matricens levetid og mindsker hyppigheden af værktøjsskift, hvilket betyder mindre spild og tid uden produktion.

Derfor er virksomheder, der arbejder på at opfylde strengere miljøkrav, tiltrukket af zink, da det er en fremragende løsning, der ikke går på kompromis med kvalitet eller ydeevne.

Innovationer og fremtidige tendenser

Tyndvægget teknologi:

Avancerede matricer og mere flydende zinklegeringer har nu gjort det muligt at fremstille dele med ekstremt tynde vægge, hvilket reducerer vægten uden at miste styrke.

Hybride samlinger: 

Zinkdele bruges også mere og mere i kombination med plast eller andre metaller til multifunktionelle dele.

Elektriske køretøjer (EV'er): 

Elbiler har brug for kompakte og robuste komponenter til batterihuse, styresystemer og stik, og zink er lovende på grund af sin præcision og som EMI (elektromagnetisk interferens)-afskærmende metal.

Smart værktøj: 

I masseproduktion hjælper brugen af AI og maskinlæring til værktøjsvedligeholdelse også med at reducere værktøjets levetid og fejl.

Konklusion

Trykstøbning af zink er mere end en fremstillingsmetode; det er en vindende strategi for at opnå en konkurrencemæssig fordel i bilindustrien. Det er en kombination, der er optimal med hensyn til mekanisk styrke, designfleksibilitet, omkostningseffektivitet og bæredygtighed. Da køretøjer bevæger sig i retning af at blive lettere, mere miljøvenlige og mere sofistikerede, har zinkstøbning en vigtig rolle at spille som den næste generation af bilkomponenter. Zink har en enorm anvendelse fra små interiørknapper til kraftige strukturer under motorhjelmen i bilproduktionen. Når innovationer fortsætter med at forfine deres anvendelse, vil de kommende år give endnu bredere anvendelse på konventionelle, hybride og elektriske køretøjsplatforme.