Zinklegeringer, der bruges til trykstøbning, omfatter Zamak 2, Zamak 3, Zamak 5 og ZA8. Zamak 2 har 3,8-4,3% aluminium, 2,7-3,3% kobber og 0,035-0,06% magnesium med en trækstyrke på 328 MPa. Zamak 3 er kobberfri (<0,03%), har 3,8-4,3% aluminium og 0,035-0,06% magnesium med en trækstyrke på 283 MPa. Zamak 5 indeholder 3,8-4,3% aluminium, 0,7-1,1% kobber og 0,035-0,06% magnesium og har en trækstyrke på 310 MPa. ZA8 har 8,2-8,8% aluminium, 0,9-1,3% kobber og 0,02-0,035% magnesium med en trækstyrke på 386 MPa og bedre termisk stabilitet.
Vil du se, hvorfor industrier med store volumener som bilindustrien, forbrugsgoder eller elektronik vælger dem? Dyk ned i denne artikel for at lære, hvordan zinklegeringer fungerer og deres fordele i detaljer.
Klassificering af zinklegeringer
Zinklegeringer falder ind under forskellige kategorier. Da de har forskellige primære legeringselementer, varierer deres egenskaber. Det er sådan, du kan bestemme deres mekaniske egenskaber, støbeadfærd og industrielle komponenter. Lad os se på de vigtigste.
Zamak 2 Legering
Sammensætning:
Zamak 2 indeholder zink som det primære element. Der er også 3,8-4,3% aluminium, 2,7-3,3% kobber og 0,035-0,06% magnesium. Den har en højere mængde kobber end andre legeringer. Hårdheden og slidstyrken øges som følge heraf.
Egenskaber:
328 Mpa er trækstyrken for Zamak 2. Hårdheden går fra 100 HB. Den højere mængde kobber danner en stabil alfa-beta messingfase.
Det betyder, at disse legeringer har dimensionsstabilitet. Hvor du er i stand til at få nøjagtige resultater fra størkning.
Applikationer:
De komponenter, der er udsat for store belastninger, er fremstillet af zamak 2. For eksempel tandhjul, låse og dele til industrimaskiner.
Binære eutektiske faser indhyller zinkrige dendritter. Det er det unikke ved denne legerings mikrostruktur. Det er også en fordel, når det gælder slidstyrke.
Zamak 3 Legering
Sammensætning:
Zamak 3-legeringen består af en lavere mængde kobber (<0,03%) sammen med 3,8 - 4,3% aluminium og 0,035 - 0,06% magnesium.
Denne legering adskiller sig fra andre zamak-legeringer, da der næsten ikke er noget kobber til stede.
Egenskaber:
Årsagen til Zamak 3's overlegne duktilitet er dens trækstyrke på 283 MPa og forlængelsen på 20%. Magnesiumblandingen hjælper med at forfine zinkens korngrænser. Derfor undgår en finkornet struktur revner under afkølingsprocessen.
Applikationer:
Disse legeringer passer til kompakte størrelser eller kompliceret formede dele. For eksempel lynlåse, legetøjshjul og elektriske stik.
Når vi taler om dens mikrostruktur, har den en mere indviklet dendrit. Der er 20-40 μm mellemrum i dentritten sammenlignet med Zamak 2. Så legeringerne kan støbe meget specifikke dele.
Zamak 5 Legering
Sammensætning:
Der er 3,8 - 4,3% aluminium, 0,7 - 1,1% kobber og 0,035 - 0,06% magnesium i Zamak 5-legeringen. Den har også et moderat kobberindhold. Det ligger mellem Zamak 2 og Zamak 3.
Egenskaber:
Zamak-legeringer er dem, der har en afbalanceret styrke (310 MPa trækstyrke) og støbbarhed. Den har også en intermetallisk dannelse af kobber-aluminium. Det er det, kobbertilsætning gør, og det øger hårdheden op til 91 HB.
Applikationer:
Zamak 5 passer godt til fremstilling af bilkomponenter (dørhåndtag, karburatordele) og hardware. Dens struktur giver bedre flydeevne, hvilket resulterer i mindre porøsitet.
ZA8-legering
Sammensætning:
8,2 - 8,8% aluminium, 0,9 - 1,3% kobber og 0,02 - 0,035% magnesium er til stede i ZA8-legeringens sammensætning. Den adskiller sig fra Zamak-legeringer på grund af den store mængde aluminium.
Egenskaber:
ZA8 fungerer ved 120 °C. Der er 386 Mpa trækstyrke. 40% af denne legerings mikrostruktur består af aluminium-zink eutektisk fase. En anden funktion er at forbedre krybbestandigheden.
Applikationer:
Du kan fremstille højtryksstøbte dele med ZA8-legering. For eksempel pumpehuse og beslag. Den giver termisk stabilitet, da der er 50-80 μm mellemrum mellem dendritterne i dens struktur.
Superloy
Sammensætning:
Superlegeringskategorien af zink består af 6,6 - 7,2% aluminium, 3,2 - 3,8% kobber og <0,005% magnesium. Det højere kobberelement i denne legering ligner messing. Det skyldes, at den har samme forspænding.
Egenskaber:
Indholdet af kobber-aluminium udfældes, så Superloy får en hårdhed på 120. Det indeholder en blanding af alfa- og betafaser. Det er derfor, deres trækstyrke er så god som 440 Mpa.
Applikationer:
Denne type zinkindhold er velegnet til støbning af tunge dele som motorophæng og industrielt værktøj. Det størkner langsomt. Det betyder, at de fremmer dendritisk struktur som følge heraf.
AcuZinc 5-legering
Sammensætning:
2,8 - 3,3% aluminium, 5,0 - 6,0% kobber og 0,025 - 0,05% magnesium danner tilsammen legeringen AcuZinc 5. Sammenlignet med de fleste zinklegeringer indeholder den for meget kobber.
Egenskaber:
Det højere indhold af kobber danner en kobber-zink-matrix. Det giver en trækstyrke på 350 Mpa. Magnesiumindholdet er til for at forfine strukturer. Det mindsker også risikoen for svind.
Applikationer:
Dette zinkmetal er især nyttigt til fremstilling af lejer og bøsninger. Det er en brugt maskinopstilling. Der er en ternær eutektisk fase. Det giver en lav friktionskoefficient på op til 0,1-0,15.
Egenskaber ved zinklegeringer
Mekaniske egenskaber
Trækstyrken for zinkbaserede legeringer svinger mellem 283 Mpa (Zamak 3) og 440 MPa (Superloy). Dens forlængelsesværdi er 10-20%.
Ligeledes arkiverer legeringen Zamak 5 310 MPa trækstyrke med en hårdhed på 91 HB.
Trykstøbte dele af zink udviser langt bedre styrke (15%) end dem, der er sandstøbte. Sandstøbning giver også variationer i formerne, fordi den afkøles tidligt.
ZA8-metallet kan modstå store belastninger. Det gør det ideelt til applikationer med høj belastning som f.eks. pumpehuse.
Modstandsdygtighed over for korrosion
Korrosionsmekanismen (vist på billedet) viser den elektrokemiske opførsel af zinklegeringer. Hvor zinkoxid dannes ved anoderne (Zn → Zn²⁺ + 2e-).
Grunden til, at ilt reduceres, er på grund af katoder (O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH-). Når der dannes et beskyttende lag, producerer kloridioner (Cl-) opløselig ZnCl₂. Det forstyrrer dette lag og forårsager grubetæring omkring 0,1-0,5 mm/år.
Tilstedeværelsen af aluminium i zinkmetal (Zamak) stabiliserer dette skjold. Det er på grund af dets evne til at modstå korrosion (30%).
I mellemtiden øges risikoen for afzinkning i havmiljøer på grund af kobberelementer.
Termiske og elektriske egenskaber
I tilfælde af termisk udvidelseskoefficient indeholder zamak 23 × 10-⁶/°C (ZA8) til 29 × 10-⁶/°C. Tilsætning af legeringselementer ændrer den faktiske elektriske ledningsevne eller reducerer den.
Hvis man f.eks. tilføjer mere kobber i zamak 3 for at danne zamak 2, falder det fra 28% IACS til 26%.
Men den termiske stabilitet på omkring 110-125 W/m-K (under 100 °C) for disse legeringer ændrer sig ikke. På grund af dette er de velegnede til en lang række dele, herunder kølelegemer.
Modstandsdygtighed over for udmattelse
Hver zinkmetallegering har indtil videre haft grænser for udmattelsesmodstand. Det svinger mellem 120 Mpa for Zamak 3 og 180 Mpa for Superloy.
Støbeteknikker forbedrer udmattelsesmodstanden med op til 20%. Det skyldes, at den komprimerer restspændinger.
I mellemtiden skal andre teknikker som bearbejdning arbejde for spændingsaflastende udglødning. Så de i første omgang holder op med at revne
Sammenligningstabel for Zamak 2, 3, 5, ZA-8, Superloy og AcuZinc 5
Tabel 1: Nominelle sammensætningsintervaller (% efter vægt)
| Element | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Aluminium (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 |
| Kobber (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 |
| Magnesium (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 |
| Titanium (Ti) | - | - | - | - | 0.15 - 0.25 | - |
| Krom (Cr) | - | - | - | - | 0.05 - 0.15 | - |
| Jern (Fe) max | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.03 | 0.02 | 0.02 |
| Bly (Pb) max | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 |
| Cadmium (Cd) max | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 |
| Tin (Sn) max | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 |
| Zink (Zn) | Balance | Balance | Balance | Balance | Balance | Balance |
Tabel 2: Mekaniske egenskaber (typiske trykstøbte værdier)
| Ejendom | Enhed | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Trækstyrke | MPa (ksi) | 359 (52) | 283 (41) | 331 (48) | 374 (54)¹ | ~240-275 (35-40) |
~410-450 (60-65)
|
| Udbyttestyrke (0,2%) | MPa (ksi) | 290 (42) | 218 (32) | 266 (39) | 290 (42)¹ | ~180-220 (26-32) |
~360-400 (52-58)
|
| Hårdhed | BHN (10 mm/500 kg) | ~100 | ~82 | ~91 | ~103¹ | ~80-90 | ~110-120 |
| Forlængelse (% i 50mm/2″) | % | ~7 | ~10 | ~7 | ~10¹ | ~10-20 | ~5-8 |
Tabel 3: Fysiske egenskaber
| Ejendom | Enhed | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Smelteområde | °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
|
| Tæthed | 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 |
| Termisk ledningsevne | W/m-K (BTU/hr-ft-°F) | 105 (60.7) | 113 (65.3) | 109 (63.0) | 115 (66.5) | ~110 (63.5)² | ~108 (62.4)² |
| Elektrisk ledningsevne | % IACS | ~26% | ~27% | ~26% | ~27.7% | ~27%² | ~26%² |
| Specifik varme | 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 |
Sammenligning af zinklegering (Zamak 5) og alternative materialer
| Metrisk | Zinklegering (Zamak 5) | Aluminiumslegering (A380) | Magnesiumlegering (AZ91D) | Støbt messing (typisk gul) |
Konstrueret plast (generelt)
|
| Relativ omkostning (delomkostning)¹ | Moderat | Lav til moderat | Moderat til høj | Høj til meget høj |
Lav til høj (meget volumenafhængig)
|
| Massefylde (g/cm³) | Høj (~6,6) | Lav (~2,7) | Meget lav (~1,8) | Meget høj (~8,4-8,7) |
Meget lav (~1,0 - 1,5+)
|
| Styrke/stivhed | God | God (fremragende styrke/vægt) | Rimelig til god (fremragende styrke/vægt) | God til fremragende |
Dårlig til god (meget varierende)
|
| Maks. driftstemperatur / krympebestandighed | Rimelig (begrænset >100°C) | God (brugbar ~200°C) | Rimelig (begrænset >120°C, afhængig af legering) | Fremragende |
Dårlig til rimelig (meget varierende)
|
| Støbbarhed/formbarhed² | Fremragende (varmt kammer, tynde vægge, formens levetid, cyklustid, tolerancer) | God (koldt kammer, god fluiditet, langsommere cyklusser, kortere levetid) | Meget god (mulighed for varmt kammer, tynde vægge, hurtige cyklusser, behov for beskyttelse) | Rimelig (trykstøbning vanskelig, andre metoder langsommere) |
Fremragende (sprøjtestøbning, komplekse former, hurtige cyklusser)
|
| Muligheder for efterbehandling (plettering, maling osv.) | Fremragende (nemmest at plade/færdiggøre) | God (anodisering mulig, skal forberedes til plettering) | Rimelig (kræver særlig behandling, risiko for korrosion) | Fremragende (polerer godt, let at plettere) |
Rimelig til god (integreret farve, har brug for specifikke oplysninger til plettering/maling)
|
| Vigtige fordele | Støbbarhed, efterbehandling, dimensionsnøjagtighed, moderate omkostninger | Lav vægt, styrke/vægt, temperaturbestandighed, pris | Laveste vægt, styrke/vægt, støbbarhed (tynde vægge) | Styrke, korrosionsbestandighed, bærende egenskaber, æstetik |
Laveste vægt, lave omkostninger (højt volumen), designfleksibilitet, integreret farve
|
| Vigtige ulemper | Høj tæthed, lavere temperaturbestandighed | Højere behandlingstemperatur/omkostninger, lavere levetid end zink | Omkostninger, korrosionsfølsomhed, temperaturgrænser, brandfare (smeltet) | Høje omkostninger, høj densitet, vanskelig trykstøbning |
Lavere styrke/stivhed, lavere temperaturbestandighed, krybning
|
Fremstillingsprocesser for zinklegeringer
A. Trykstøbning
Trykstøbning med varmt kammer:
Processen, der kan tvinge smeltet zinklegering ind i formhulrummet for at få produktprofiler, er et varmt kammer Trykstøbning af zink. Den bruger svanehals- og stempelsystemer til at flyde væske.
Denne proces er god til støbning af metal med lavere smeltepunkter. Det er derfor, den passer til zink. Den gennemfører sine cyklustider på 50-100 skud/time.
Trykstøbning i koldt kammer:
Koldkammerstøbning er ikke som et varmt kammer; det passer til legeringer med højere smeltepunkt. Der er en separat ovn til at smelte metal og manuelt hælde det i formen.
Det er meget langsommere end varmkammerstøbning og kan producere 20 til 40 skud i timen. Der er dog mindre jernforurening i zinkstøbte legeringer.
B. Støbning ved hjælp af tyngdekraft
I gravitationsstøbningsprocessen afkøler metalarbejderne støbegodset ved hjælp af naturlig konvektion. Til dette formål skaber de kølehastigheder på 1-10 °C/s.
Der opstår grove dendritter, som også sænker trækstyrken sammenlignet med trykstøbte genstande. Dette bevirker dog, at duktiliteten bevares og endda forbedres.
C. Sandstøbning
Den mest populære og nemmeste måde at støbe på er sandstøbning. Det kræver mindre arbejde og bare færre vigtige trin at støbe zinkdele.
Her hælder producenterne smeltet zink i slibeformen og venter, til det er kølet ned. Derefter åbnes matricen for at fjerne den færdige del.
Sandstøbning tager mange timer og afkøles langsomt omkring 0,1-1 °C/s. Det er årsagen til den store eutektiske fasedannelse. De største fordele ved ZA27-sandstøbte dele er, at de har bedre termisk stabilitet end trykstøbning.
D. Overfladebehandling
Overfladen er meget vigtig for at forbedre legeringernes kvalitet og egenskaber. For eksempel stopper galvanisering (5-15 μm zink-nikkel) korrosion 5 gange bedre.
Hvis man vil have et smukt udseende, er pulverlakering (50-80 μm) værdifuld. Det øger også antallet af legeringer, der overlever 500+ timers salttågetest som f.eks. ASTM B117.
E. Bearbejdning
Den blyfri sammensætning af zinklegeringer som Zamak 3 giver 80% bedre bearbejdelighed end fritskåret messing. Det mindsker også overfladeruheden med 0,8-1,6 μm Ra.
Men legeringer med højt kobberindhold, der indeholder slibende intermetalliske stoffer, som Zamak 2, har brug for hårdmetalværktøjer til bearbejdning.
F. Genbrug
Zinklegeringer kan genbruges efter endt levetid, da de indeholder 100% genanvendelige egenskaber. De omsmeltes ved 420-450 °C. Du kan reducere forekomsten af slagger til <2% af smeltevægten ved at fokusere på korrekt fluxing. Legeringen kan også opretholde mekaniske egenskaber via 7+ omsmeltningscyklusser.
Fordele ved zinklegeringer
Omkostningseffektivitet
Zinklegeringer kan spare op til 40-60% sammenlignet med aluminium eller rustfrit stål til fremstilling af dele i kompakt størrelse. Det koster normalt 2,50-3,50/kg mod 5-8/kg for erstatninger.
Udvalget af trykstøbningsmuligheder bringer også prisen mere ned. Men priserne varierer afhængigt af legeringstyper, projekter eller andre produktionsbehov.
Korrosionsbestandighed og holdbarhed
Zamak kan overleve over 500 timer i salttågetest sammenlignet med blødt stål (10x). For eksempel korroderer anvendelser af zink af marinekvalitet meget lidt, op til <0,1 mm/år i kystnære miljøer.
Højt styrke-til-vægt-forhold
Med god trækstyrke giver delene af zinklegeringer en massefylde på 6,6-7,1 g/cm³. Det giver en sammenlignelig styrke. Støbejern har en massefylde på 7,2 g/cm³. Derfor har det en 20% lavere vægt.
Dæmpningskapacitet
Zink er nyttigt til fremstilling af bilophæng og maskinfødder. Det skyldes, at det kan dæmpe 30% flere vibrationer end alternativer som aluminium. De reducerer støj med op til 15-20 dB.
Udfordringer og begrænsninger ved zinklegeringer
Korrosionsmekanismer
Disse legeringer kan have galvanisk korrosion, hvis der er ædlere metaller til stede, som f.eks. stål. De kloridrige miljøer forårsager grubetæring (0,1-0,3 mm/år).
De legeringer, der består af mere aluminium, kæmper med intergranulær korrosion over 60 °C.
Ydeevne ved høje temperaturer
Disse legeringer mister styrke op til 40%, når de udsættes for 150 °C (Zamak) og 60% ved 200 °C (ZA-8). Mikrostrukturel grovhed, der opstår på grund af termisk cykling, afviger dimensionsforskydning pr. 100 cyklusser.
Bekymringer om toksicitet
Udsættelse for zinkdampe resulterer i metaldampfeber. OSHA-ventilation er også vigtig for cadmiumspor. Der er behov for personlige værnemidler med P100-filtre og røgudsugning, når man smelter zink.
Modstand mod krybning
I ZA-27 når krybestrækningen op på 0,5% ved 50 mpa efter 1000 timer. De fleste af de komplekse designs reducerer spændingen til flydespænding. De bruger ribbeforstærkning til at håndtere deformation.
Konklusion
Zinklegeringer spiller en meget vigtig rolle i fremstillingen af forskellige applikationer. Det er omkostningseffektivt, men giver fremragende støbbarhed og korrosionsbestandighed. Ligesom andre metaller har de visse begrænsninger, men de er alsidige og genanvendelige. Sørg for udholdenhed på tværs af forskellige industrisektorer med det metal, du vælger.