Zinklegeringen die gebruikt worden bij spuitgieten zijn onder andere Zamak 2, Zamak 3, Zamak 5 en ZA8. Zamak 2 heeft 3,8-4,3% aluminium, 2,7-3,3% koper en 0,035-0,06% magnesium, met een treksterkte van 328 MPa. Zamak 3 is kopervrij (<0,03%), bevat 3,8-4,3% aluminium en 0,035-0,06% magnesium, met een treksterkte van 283 MPa. Zamak 5 bevat 3,8-4,3% aluminium, 0,7-1,1% koper en 0,035-0,06% magnesium en heeft een treksterkte van 310 MPa. ZA8 bevat 8,2-8,8% aluminium, 0,9-1,3% koper en 0,02-0,035% magnesium, met een treksterkte van 386 MPa en een betere thermische stabiliteit.
Wil je weten waarom industrieën die grote volumes produceren, zoals de auto-industrie, consumptiegoederen of elektronica, hiervoor kiezen? Duik in dit artikel en leer hoe zinklegeringen werken en wat hun voordelen zijn.
Classificatie van zinklegeringen
Zinklegeringen vallen onder verschillende categorieën. Omdat ze verschillende primaire legeringselementen hebben, variëren hun eigenschappen. Zo kun je hun mechanische eigenschappen, gietgedrag en industriële componenten bepalen. Laten we de belangrijkste ontdekken.
Zamak 2 legering
Samenstelling:
Zamak 2 bevat zink als een primair element. Daarnaast is er 3,8-4,3% aluminium, 2,7-3,3% koper en 0,035-0,06% magnesium. Er zit meer koper in dan in andere legeringen. Hierdoor nemen de hardheid en slijtvastheid toe.
Eigenschappen:
328 Mpa is de treksterkte van Zamak 2. De hardheid gaat van 100 HB. De grotere hoeveelheid koper vormt een stabiele alfa-bèta messing fase.
Dit betekent dat deze legeringen dimensionale stabiliteit hebben. Waarbij je in staat bent om nauwkeurige resultaten te krijgen bij het stollen.
Toepassingen:
De onderdelen die te maken hebben met situaties met hoge druk worden gemaakt met zamak 2. Bijvoorbeeld tandwielen, sloten en onderdelen van industriële machines.
Binaire eutectische fasen zinkrijke dendrieten omhullen. Dat is het unieke kenmerk van de microstructuur van deze legering. Dit is ook gunstig voor de slijtvastheid.
Zamak 3 Alloy
Samenstelling:
De legering Zamak 3 bestaat uit een lagere hoeveelheid koper (<0,03%) samen met 3,8 - 4,3% aluminium en 0,035 - 0,06% magnesium.
Deze legering onderscheidt zich van andere zamak-legeringen doordat er bijna geen koper aanwezig is.
Eigenschappen:
De reden achter de superieure vervormbaarheid van Zamak 3 is de treksterkte van 283 MPa en de rek van 20%. Het magnesiummengsel helpt de korrelgrenzen van zink te verfijnen. Daardoor voorkomt een fijnkorrelige structuur scheuren tijdens het afkoelen.
Toepassingen:
Deze legeringen zijn geschikt voor compacte afmetingen of ingewikkeld gevormde onderdelen. Bijvoorbeeld ritsen, speelgoedwielen en elektrische connectoren.
Over de microstructuur gesproken, het heeft een meer ingewikkelde dendriet. Er is 20-40 μm ruimte in dentriet vergeleken met Zamak 2. De legeringen kunnen dus zeer specifieke onderdelen gieten.
Zamak 5 legering
Samenstelling:
De legering van Zamak 5 bevat 3,8 - 4,3% aluminium, 0,7 - 1,1% koper en 0,035 - 0,06% magnesium. Het heeft ook een matig kopergehalte. Dat ligt tussen Zamak 2 en Zamak 3.
Eigenschappen:
Zamaklegeringen hebben een uitgebalanceerde sterkte (310 MPa trek) en gietbaarheid. Het heeft ook een koper-aluminium intermetallische vorming. De toevoeging van koper verhoogt de hardheid tot 91 HB.
Toepassingen:
Zamak 5 is zeer geschikt voor de productie van auto-onderdelen (deurgrepen, carburateuronderdelen) en hardware. De samengestelde structuur zorgt voor een betere vloeibaarheid, wat resulteert in minder poreusheid.
ZA8 legering
Samenstelling:
8,2 - 8,8% aluminium, 0,9 - 1,3% koper en 0,02 - 0,035% magnesium zijn aanwezig in de samenstelling van de ZA8-legering. Het verschilt van zamaklegeringen door de overmatige hoeveelheid aluminium.
Eigenschappen:
ZA8 werkt bij 120 °C. De treksterkte is 386 Mpa. De microstructuur van 40% van deze legering bestaat uit de eutectische fase aluminium-zink. Een ander kenmerk is het verbeteren van de kruipweerstand.
Toepassingen:
Met ZA8 legering kun je hogedrukgietstukken maken. Bijvoorbeeld pomphuizen en beugels. Het biedt thermische stabiliteit omdat de structuur dendrieten bevat met een tussenruimte van 50-80 μm.
Superloy
Samenstelling:
De superlegering van zink bestaat uit 6,6 - 7,2% aluminium, 3,2 - 3,8% koper en <0,005% magnesium. Het hogere koperelement van deze legering lijkt op messing. Dit komt omdat het dezelfde pretentie heeft.
Eigenschappen:
Het koper-aluminiumgehalte slaat neer bij het verkrijgen van 120 hardheid in Superloy. Het bevat een mix van alfa- en bètafasen. Daarom is hun treksterkte zo goed als 440 Mpa.
Toepassingen:
Dit soort zink is geschikt voor het gieten van zware onderdelen zoals motorsteunen en industrieel gereedschap. Het stolt langzaam. Dit betekent dat ze een dendritische structuur bevorderen.
AcuZinc 5 legering
Samenstelling:
Combinaties van 2,8 - 3,3% aluminium, 5,0 - 6,0% koper en 0,025 - 0,05% magnesium vormen de AcuZinc 5 legering. In vergelijking met de meeste zinklegeringen bevat deze legering een te hoog kopergehalte.
Eigenschappen:
Het hogere kopergehalte vormt een koper-zink matrix. Dat zorgt voor een treksterkte van 350 Mpa. Het magnesiumgehalte is er om de structuren te verfijnen. Het vermindert ook het risico op krimp.
Toepassingen:
Dit zinkmetaal is vooral nuttig voor het maken van lagers en bussen. Dat is een gebruikte machineopstelling. Er is een ternaire eutectische fase. Dit zorgt voor een lage wrijvingscoëfficiënt tot 0,1-0,15.
Eigenschappen van zinklegeringen
Mechanische eigenschappen
De treksterkte van zinklegeringen schommelt tussen 283 Mpa (Zamak 3) en 440 MPa (Superloy). De waarde van rek is 10-20%.
Ook de legering Zamak 5 archiveert 310 MPa treksterkte met een hardheid van 91 HB.
Gegoten onderdelen van zink hebben een veel betere sterkte (15%) dan onderdelen die met zand zijn gegoten. Zandgieten veroorzaakt ook vormvarianten omdat het vroeg afkoelt.
Het ZA8 metaal is bestand tegen zware belastingen. Daardoor is het ideaal voor toepassingen met een hoge belasting, zoals pomphuizen.
Corrosiebestendigheid
Het corrosiemechanisme (weergegeven in de afbeelding) geeft het elektrochemische gedrag van zinklegeringen weer. Waarbij zinkoxide op anodes (Zn → Zn²⁺ + 2e-).
De reden dat zuurstof reduceert is vanwege kathodes (O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH-). Wanneer zich een beschermende laag vormt, produceren chloride-ionen (Cl-) oplosbaar ZnCl₂. Dat verstoort deze laag en veroorzaakt putjes van ongeveer 0,1-0,5 mm/jaar.
De aanwezigheid van aluminium in zinkmetaal (Zamak) stabiliseert deze afscherming. Dit komt doordat het bestand is tegen corrosie (30%).
Ondertussen neemt het risico op ontzinking in mariene milieus toe door koperelementen.
Thermische en elektrische eigenschappen
In het geval van thermische uitzettingscoëfficiënt bevat zamak 23 × 10-⁶/°C (ZA8) tot 29 × 10-⁶/°C. Toevoeging van legeringselementen verandert de werkelijke elektrische geleidbaarheid of verlaagt deze.
Bijvoorbeeld, het toevoegen van meer koper in zamak 3 om zamak 2 te vormen verlaagt van 28% IACS naar 26%.
De thermische stabiliteit rond 110-125 W/m-K (onder 100°C) van deze legeringen verandert echter niet. Hierdoor zijn ze geschikt voor een groot aantal onderdelen, waaronder koellichamen.
Weerstand tegen vermoeiing
Elke zinkmetaallegering heeft tot nu toe vermoeiingsweerstandslimieten. Die varieert van 120 Mpa voor zamak 3 tot 180 Mpa voor Superloy.
Giettechnieken verbeteren de vermoeiingsweerstand tot 20%. Dit komt omdat het de restspanning comprimeert.
Ondertussen moeten andere technieken zoals machinale bewerking werken voor spanningsarmgloeien. Zodat ze in eerste instantie stoppen met barsten
Vergelijkingstabel Zamak 2, 3, 5, ZA-8, Superloy en AcuZinc 5
Tabel 1: Nominale samenstellingsbereiken (% in gewicht)
| Element | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZink 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 |
| Koper (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 | - |
| Chroom (Cr) | - | - | - | - | 0.05 - 0.15 | - |
| IJzer (Fe) max | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.03 | 0.02 | 0.02 |
| Lood (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) | Saldo | Saldo | Saldo | Saldo | Saldo | Saldo |
Tabel 2: Mechanische eigenschappen (typische spuitgietwaarden)
| Eigendom | Eenheid | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZink 5 |
| Treksterkte | MPa (ksi) | 359 (52) | 283 (41) | 331 (48) | 374 (54)¹ | ~240-275 (35-40) |
~410-450 (60-65)
|
| Opbrengststerkte (0,2%) | MPa (ksi) | 290 (42) | 218 (32) | 266 (39) | 290 (42)¹ | ~180-220 (26-32) |
~360-400 (52-58)
|
| Hardheid | BHN (10mm/500kg) | ~100 | ~82 | ~91 | ~103¹ | ~80-90 | ~110-120 |
| Rek (% in 50mm/2″) | % | ~7 | ~10 | ~7 | ~10¹ | ~10-20 | ~5-8 |
Tabel 3: Fysische eigenschappen
| Eigendom | Eenheid | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZink 5 |
| Smeltbereik | °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
|
| Dichtheid | 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 |
| Thermische geleidbaarheid | 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 |
| Elektrische geleidbaarheid | % IACS | ~26% | ~27% | ~26% | ~27.7% | ~27%² | ~26%² |
| Specifieke warmte | 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 |
Vergelijking van zinklegering (Zamak 5) vs. alternatieve materialen
| Metrisch | Zinklegering (Zamak 5) | Aluminiumlegering (A380) | Magnesiumlegering (AZ91D) | Gegoten messing (typisch geel) |
Technische kunststoffen (algemeen)
|
| Relatieve kosten (deelkosten)¹ | Matig | Laag tot gemiddeld | Matig tot hoog | Hoog tot zeer hoog |
Laag naar hoog (sterk volumeafhankelijk)
|
| Dichtheid (g/cm³) | Hoog (~6,6) | Laag (~2,7) | Zeer laag (~1,8) | Zeer hoog (~8,4-8,7) |
Zeer laag (~1,0 - 1,5+)
|
| Kracht / Stijfheid | Goed | Goed (uitstekende sterkte/gewicht) | Redelijk tot goed (uitstekende sterkte/gewicht) | Goed tot uitstekend |
Slecht tot goed (zeer variabel)
|
| Max. diensttemperatuur / kruipweerstand | Redelijk (Beperkt >100°C) | Goed (bruikbaar ~200°C) | Redelijk (beperkt >120°C, afhankelijk van legering) | Uitstekend |
Slecht tot redelijk (zeer variabel)
|
| Gietbaarheid / Vormbaarheid² | Uitstekend (hete kamer, dunne wanden, levensduur van matrijzen, cyclustijd, toleranties) | Goed (koude kamer, goede vloeibaarheid, langzamere cycli, kortere levensduur van de matrijs) | Zeer goed (Hete kamer mogelijk, Dunne wanden, Snelle cycli, Bescherming nodig) | Redelijk (spuitgieten moeilijk, andere methoden langzamer) |
Uitstekend (spuitgieten, complexe vormen, snelle cycli)
|
| Afwerkingsopties (plateren, schilderen, enz.) | Uitstekend (Gemakkelijkst te Plaat/Finishen) | Goed (anodiseren mogelijk, moet worden voorbereid voor plateren) | Redelijk (Speciale behandeling nodig, Corrosierisico) | Uitstekend (Polijst goed, Gemakkelijk Geplateerd) |
Redelijk tot goed (integrale kleur, specifieke vereisten voor plateren/schilderen)
|
| Belangrijkste voordelen | Gietbaarheid, afwerking, maatnauwkeurigheid, gematigde kosten | Laag gewicht, sterkte/gewicht, hittebestendigheid, kosten | Laagste gewicht, sterkte/gewicht, gietbaarheid (dunne wanden) | Sterkte, corrosiebestendigheid, draageigenschappen, esthetiek |
Laagste gewicht, lage kosten (hoog volume), ontwerpflexibiliteit, integrale kleur
|
| Belangrijkste nadelen | Hoge dichtheid, lagere temperatuurbestendigheid | Hogere verwerkingstemperaturen/kosten, lagere levensduur van matrijzen dan zink | Kosten, Corrosiegevoeligheid, Temperatuursgrenzen, Brandbaarheidsrisico (gesmolten) | Hoge kosten, hoge dichtheid, moeilijk spuitgietwerk |
Lagere sterkte/stijfheid, lagere temperatuurbestendigheid, kruip
|
Productieprocessen voor zinklegeringen
A. Spuitgieten
Warm kamer spuitgieten:
Het proces dat gesmolten zinklegering in de matrijsholte kan dwingen om productprofielen aan te nemen, is een hete kamer zink spuitgieten. Het maakt gebruik van zwanenhals- en plunjersystemen om vloeistof te laten stromen.
Dit proces werkt goed bij het gieten van metaal met een lager smeltpunt. Daarom is het geschikt voor zink. Het heeft cyclustijden van 50-100 shots/uur.
Koud kamer spuitgieten:
Koudkamergieten is niet zoals een warmkamergieten; het is geschikt voor legeringen met een hoger smeltpunt. Er is een aparte oven om metaal te smelten en handmatig in de matrijs te gieten.
Het is veel langzamer dan warmkamergieten en kan 20 tot 40 shots per uur produceren. Er is echter minder ijzervervuiling in zinkgietlegeringen.
B. Zwaartekrachtgieten
Bij het zwaartekrachtgietproces koelen metaalbewerkers de gietstukken af door middel van natuurlijke convectie. Hiervoor creëren ze koelsnelheden van 1-10 °C/s.
Er ontstaan grove dendrieten, die ook de treksterkte verlagen in vergelijking met gegoten voorwerpen. Hierdoor blijft de vervormbaarheid echter behouden en wordt deze zelfs verbeterd.
C. Zandgieten
De populairste en eenvoudigste manier van gieten is zandgieten. Het kost minder arbeid en er zijn minder stappen nodig om zinken onderdelen te gieten.
Hierbij gieten de fabrikanten gesmolten zink in de schuurmatrijs en wachten tot het is afgekoeld. Dan wordt de matrijs geopend om het afgewerkte onderdeel te verwijderen.
Zandvormen duurt vele uren en koelt langzaam af rond 0,1-1 °C/s. Dat is de reden voor de grote vorming van eutectische fasen. De belangrijkste voordelen van ZA27 zandgietdelen zijn dat ze een betere thermische stabiliteit hebben dan spuitgietdelen.
D. Oppervlakteafwerking
Het oppervlak is erg belangrijk voor de verbeterde kwaliteit en eigenschappen van legeringen. Galvanisch verzinken (5-15 µm zink-nikkel) houdt corrosie bijvoorbeeld 5 keer beter tegen.
Voor een mooi uiterlijk is poedercoating (50-80 μm) waardevol. Het verhoogt ook het aantal legeringen dat 500+ uur zoutsproeitests overleeft, zoals ASTM B117.
E. Bewerking
De loodvrije samenstelling van zinklegeringen zoals Zamak 3 biedt 80% een betere bewerkbaarheid dan vrijgeslepen messing. Het vermindert ook de oppervlakteruwheid met 0,8-1,6 μm Ra.
Maar legeringen met een hoog kopergehalte die abrasieve intermetallische materialen bevatten, zoals Zamak 2, hardmetalen gereedschap nodig hebben voor bewerking.
F. Recycling
Zinklegeringen kunnen na hun levensduur opnieuw worden gebruikt, omdat ze 100% recycleerbare eigenschappen hebben. Ze smelten opnieuw bij 420-450 °C. Je kunt het voorkomen van dross verminderen tot <2% smeltgewicht door je te richten op het juiste smelten. De legering kan ook mechanische eigenschappen behouden via meer dan 7 hersmeltcycli.
Voordelen van zinklegeringen
Kosteneffectiviteit
Zinklegeringen kunnen tot 40-60% besparen in vergelijking met aluminium of roestvast staal om onderdelen van compact formaat te maken. Het kost meestal 2,50-3,50/kg tegenover 5-8/kg voor vervangproducten.
Ook de selectie van opties voor spuitgieten brengt het tarief omlaag. Maar de prijzen variëren op basis van de legeringstypes, projecten of andere productiebehoeften.
Corrosiebestendigheid en duurzaamheid
Zamak kan meer dan 500 uur overleven in zoutsproeitests in vergelijking met zacht staal (10x). De toepassingen van zink voor de scheepvaart corroderen bijvoorbeeld zeer weinig, tot <0,1 mm/jaar in kust omgevingen.
Hoge verhouding sterkte/gewicht
Met een goede treksterkte geven de onderdelen van zinklegeringen een dichtheid van 6,6-7,1 g/cm³. Dit maakt een vergelijkbare sterkte mogelijk. Dat gietijzer heeft een dichtheid van 7,2 g/cm³. Daarom heeft het een 20% lager gewicht.
Dempingscapaciteit
Zink is nuttig voor de vervaardiging van autohouders en machinevoeten. Dit komt omdat het 30% meer trillingen kan dempen dan alternatieven zoals aluminium. Ze verminderen het geluid tot 15-20 dB.
Uitdagingen en beperkingen van zinklegeringen
Corrosiemechanismen
Deze legeringen kunnen galvanische corrosie vertonen als er edele metalen aanwezig zijn, zoals staal. De chloriderijke omgevingen veroorzaken putcorrosie (0,1-0,3 mm/jaar).
De legeringen die uit meer aluminium bestaan, worstelen met interkristallijne corrosie boven 60°C.
Prestaties bij hoge temperaturen
Deze legeringen verliezen sterkte tot 40% bij een temperatuur van 150°C (Zamak) en 60% bij 200°C (ZA-8). Microstructurele verruwing die optreedt door thermische cycli zorgt voor een dimensionale verschuiving per 100 cycli.
Zorgen over toxiciteit
Blootstelling aan zinkdampen leidt tot metaaldampkoorts. Ook OSHA-ventilatie is belangrijk voor cadmiumsporen. Tijdens het smelten van zink zijn persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) met P100-filters en rookafzuiging nodig.
Kruipweerstand
In ZA-27 bereikt de kruiprek 0,5% bij 50 mpa na 1000 uur. De meeste complexe ontwerpen verlagen de spanning tot de vloeigrens. Ze gebruiken ribwapening om vervorming op te vangen.
Conclusie
Zinklegeringen spelen een zeer belangrijke rol bij de productie van verschillende toepassingen. Het is kosteneffectief, maar biedt een uitstekende gietbaarheid en corrosiebestendigheid. Net als andere metalen hebben ze bepaalde beperkingen, maar ze zijn veelzijdig en recyclebaar. Zorg voor duurzaamheid in diverse industriële sectoren met het metaal van je keuze.