Stopy cynku stosowane w odlewnictwie ciśnieniowym obejmują Zamak 2, Zamak 3, Zamak 5 i ZA8. Zamak 2 zawiera 3,8-4,3% aluminium, 2,7-3,3% miedzi i 0,035-0,06% magnezu, a jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 328 MPa. Zamak 3 nie zawiera miedzi (<0,03%), ma 3,8-4,3% aluminium i 0,035-0,06% magnezu, a jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 283 MPa. Zamak 5 zawiera 3,8-4,3% aluminium, 0,7-1,1% miedzi i 0,035-0,06% magnezu, oferując wytrzymałość na rozciąganie 310 MPa. ZA8 ma 8,2-8,8% aluminium, 0,9-1,3% miedzi i 0,02-0,035% magnezu, z wytrzymałością na rozciąganie 386 MPa i lepszą stabilnością termiczną.
Chcesz dowiedzieć się, dlaczego wybierają je duże branże, takie jak motoryzacja, towary konsumpcyjne czy elektronika? Zanurz się w tym artykule, aby dowiedzieć się, jak działają stopy cynku i jakie są ich zalety.
Klasyfikacja stopów cynku
Stopy cynku należą do różnych kategorii. Ponieważ mają różne podstawowe pierwiastki stopowe, ich właściwości są różne. W ten sposób można określić ich właściwości mechaniczne, zachowanie podczas odlewania i komponenty przemysłowe. Poznajmy najważniejsze z nich.
Zamak 2 Alloy
Skład:
Zamak 2 zawiera cynk jako pierwiastek podstawowy. Ponadto zawiera 3,8-4,3% aluminium, 2,7-3,3% miedzi i 0,035-0,06% magnezu. Ma większą ilość miedzi niż inne stopy. W rezultacie zwiększa się twardość i odporność na zużycie.
Właściwości:
328 Mpa to wytrzymałość Zamak 2 na rozciąganie. Twardość wynosi od 100 HB. Większa ilość miedzi tworzy stabilną faza mosiądzu alfa-beta.
Oznacza to, że stopy te charakteryzują się stabilnością wymiarową. Dzięki temu można uzyskać dokładne wyniki krzepnięcia.
Zastosowania:
Komponenty, które mają do czynienia z wysokimi naprężeniami, są wykonane z zamaku 2. Są to na przykład koła zębate, zamki i części maszyn przemysłowych.
Binarne fazy eutektyczne owijają dendryty bogate w cynk. Jest to unikalna cecha mikrostruktury tego stopu. Jest to również korzystne z punktu widzenia odporności na zużycie.
Zamak 3 Alloy
Skład:
Stop Zamak 3 składa się z mniejszej ilości miedzi (<0,03%) wraz z 3,8 - 4,3% aluminium i 0,035 - 0,06% magnezu.
Stop ten można odróżnić od innych stopów zamak, ponieważ prawie nie zawiera miedzi.
Właściwości:
Powodem doskonałej ciągliwości stali Zamak 3 jest jej wytrzymałość na rozciąganie 283 MPa i wydłużenie 20%. Mieszanka magnezu pomaga udoskonalić granice ziaren cynku. W rezultacie drobnoziarnista struktura pozwala uniknąć pęknięć podczas procesu chłodzenia.
Zastosowania:
Stopy te nadają się do części o niewielkich rozmiarach lub skomplikowanych kształtach. Na przykład zamki błyskawiczne, kółka do zabawek i złącza elektryczne.
Jeśli chodzi o jego mikrostrukturę, ma bardziej skomplikowany dendryt. W dentrycie jest 20-40 μm przestrzeni w porównaniu do Zamak 2. Dzięki temu stopy te mogą odlewać bardzo specyficzne części.
Zamak 5 Alloy
Skład:
W stopie Zamak 5 znajduje się 3,8 - 4,3% aluminium, 0,7 - 1,1% miedzi i 0,035 - 0,06% magnezu. Ma również umiarkowaną zawartość miedzi. To waha się między Zamak 2 i Zamak 3.
Właściwości:
Stopy Zamak charakteryzują się zrównoważoną wytrzymałością (310 MPa na rozciąganie) i podatnością na odlewanie. Posiada również międzymetaliczną formację miedziowo-aluminiową. Dodatek miedzi zwiększa twardość do 91 HB.
Zastosowania:
Zamak 5 doskonale nadaje się do produkcji komponentów motoryzacyjnych (klamki drzwi, części gaźnika) i sprzętu. Jego struktura zapewnia lepszą płynność, co skutkuje mniejszą porowatością.
Stop ZA8
Skład:
8,2 - 8,8% aluminium, 0,9 - 1,3% miedzi i 0,02 - 0,035% magnezu są obecne w składzie stopu ZA8. Różni się on od stopów zamak ze względu na nadmierną ilość aluminium.
Właściwości:
ZA8 działa w temperaturze 120 °C. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi 386 Mpa. Mikrostruktura 40% tego stopu składa się z fazy eutektycznej aluminium-cynk. Kolejną cechą jest poprawa odporności na pełzanie.
Zastosowania:
Ze stopu ZA8 można produkować części odlewane pod wysokim ciśnieniem. Na przykład obudowy pomp i wsporniki. Zapewnia stabilność termiczną, ponieważ w jego strukturze znajdują się dendryty o rozstawie 50-80 μm.
Superloy
Skład:
Kategoria superstopów cynku składa się z 6,6 - 7,2% aluminium, 3,2 - 3,8% miedzi i <0,005% magnezu. Wyższa zawartość miedzi w tym stopie przypomina mosiądz. Dzieje się tak, ponieważ ma takie samo napięcie.
Właściwości:
Zawartość miedzi i aluminium wytrąca się w celu uzyskania twardości 120 w Superloy. Zawiera mieszankę faz alfa i beta. Dlatego ich wytrzymałość na rozciąganie wynosi aż 440 Mpa.
Zastosowania:
Ten rodzaj zawartości cynku nadaje się do odlewania ciężkich części, takich jak mocowania silnika i narzędzia przemysłowe. Cynk krzepnie powoli. Oznacza to, że promuje strukturę dendrytyczną.
AcuZinc 5 Alloy
Skład:
2,8 - 3,3% aluminium, 5,0 - 6,0% miedzi i 0,025 - 0,05% magnezu tworzą stop AcuZinc 5. W porównaniu z większością stopów cynku, zawiera on nadmierną zawartość miedzi.
Właściwości:
Wyższa zawartość miedzi tworzy matrycę miedziano-cynkową. Zapewnia to wytrzymałość na rozciąganie 350 Mpa. Zawartość magnezu ma na celu udoskonalenie struktury. Zmniejsza również ryzyko skurczu.
Zastosowania:
Ten metal cynkowy jest szczególnie przydatny do produkcji łożysk i tulei. Jest to wykorzystywana konfiguracja maszyn. Istnieje trójskładnikowa faza eutektyczna. Pozwala to wygenerować niski współczynnik tarcia do 0,1-0,15.
Właściwości stopów cynku
Właściwości mechaniczne
Wytrzymałość na rozciąganie stopów na bazie cynku waha się od 283 Mpa (Zamak 3) do 440 MPa (Superloy). Jego wartość wydłużenia wynosi 10-20%.
Podobnie, stop Zamak 5 charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie 310 MPa i twardością 91 HB.
Części odlewane ciśnieniowo z cynku wykazują znacznie większą wytrzymałość (15%) niż te odlewane piaskowo. Odlewanie piaskowe powoduje również różnice w kształtach, ponieważ przedwcześnie stygnie.
Metal ZA8 jest odporny na duże obciążenia. Dzięki temu idealnie nadaje się do zastosowań o dużym obciążeniu, takich jak obudowy pomp.
Odporność na korozję
Mechanizm korozji (pokazany na obrazku) przedstawia elektrochemiczne zachowanie stopów cynku. Tlenek cynku na anodzie (Zn → Zn²⁺ + 2e-).
Powodem redukcji tlenu są katody (O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH-). Gdy tworzy się warstwa ochronna, jony chlorkowe (Cl-) wytwarzają rozpuszczalny ZnCl₂. Powoduje to uszkodzenie tej warstwy i wżery o wielkości około 0,1-0,5 mm/rok.
Obecność aluminium w metalu cynkowym (Zamak) stabilizuje tę osłonę. Wynika to z jego odporności na korozję (30%).
Tymczasem wzrost ryzyka odcynkowania w środowiskach morskich następuje z powodu pierwiastków miedzi.
Właściwości termiczne i elektryczne
W przypadku współczynnika rozszerzalności cieplnej, zamak zawiera od 23 × 10-⁶/°C (ZA8) do 29 × 10-⁶/°C. Dodanie pierwiastków stopowych zmienia rzeczywistą przewodność elektryczną lub ją zmniejsza.
Na przykład, dodanie większej ilości miedzi w zamak 3 w celu utworzenia zamak 2 zmniejsza z 28% IACS do 26%.
Jednak stabilność termiczna tych stopów na poziomie około 110-125 W/m-K (poniżej 100°C) nie ulega zmianie. Z tego powodu nadają się one do szerokiej gamy części, w tym radiatorów.
Odporność na zmęczenie
Każdy z dotychczasowych stopów cynku ma limit wytrzymałości zmęczeniowej. Wahają się one od 120 Mpa w przypadku Zamak 3 do 180 Mpa w przypadku Superloy.
Techniki odlewania poprawiają odporność zmęczeniową nawet o 20%. Wynika to z kompresji naprężeń szczątkowych.
W międzyczasie inne techniki, takie jak obróbka skrawaniem, muszą pracować nad wyżarzaniem odprężającym. Tak, aby początkowo przestały pękać
Zamak 2, 3, 5, ZA-8, Superloy i AcuZinc 5 Tabela porównawcza
Tabela 1: Zakresy składu nominalnego (wagowo %)
| 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 |
| Miedź (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 |
| Magnez (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 |
| Tytan (Ti) | - | - | - | - | 0.15 - 0.25 | - |
| Chrom (Cr) | - | - | - | - | 0.05 - 0.15 | - |
| Żelazo (Fe) maks | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.03 | 0.02 | 0.02 |
| Ołów (Pb) maks | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 |
| Kadm (Cd) maks | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 | 0.003 |
| Cyna (Sn) max | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 |
| Cynk (Zn) | Równowaga | Równowaga | Równowaga | Równowaga | Równowaga | Równowaga |
Tabela 2: Właściwości mechaniczne (typowe wartości dla odlewów ciśnieniowych)
| Nieruchomość | Jednostka | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Wytrzymałość na rozciąganie | MPa (ksi) | 359 (52) | 283 (41) | 331 (48) | 374 (54)¹ | ~240-275 (35-40) |
~410-450 (60-65)
|
| Granica plastyczności (0,2%) | MPa (ksi) | 290 (42) | 218 (32) | 266 (39) | 290 (42)¹ | ~180-220 (26-32) |
~360-400 (52-58)
|
| Twardość | BHN (10mm/500kg) | ~100 | ~82 | ~91 | ~103¹ | ~80-90 | ~110-120 |
| Wydłużenie (% w 50 mm/2″) | % | ~7 | ~10 | ~7 | ~10¹ | ~10-20 | ~5-8 |
Tabela 3: Właściwości fizyczne
| Nieruchomość | Jednostka | Zamak 2 | Zamak 3 | Zamak 5 | ZA-8 | Superloy (ILZRO 16) | AcuZinc 5 |
| Zakres topnienia | °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
|
| Gęstość | 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 |
| Przewodność cieplna | 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 |
| Przewodność elektryczna | % IACS | ~26% | ~27% | ~26% | ~27.7% | ~27%² | ~26%² |
| Ciepło właściwe | 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 |
Porównanie stopu cynku (Zamak 5) z materiałami alternatywnymi
| Metryczny | Stop cynku (Zamak 5) | Stop aluminium (A380) | Stop magnezu (AZ91D) | Odlew mosiężny (typowy żółty) |
Tworzywa sztuczne (ogólnie)
|
| Koszt względny (koszt częściowy)¹ | Umiarkowany | Niski do umiarkowanego | Umiarkowany do wysokiego | Wysoki do bardzo wysokiego |
Niski do wysokiego (silnie zależny od wolumenu)
|
| Gęstość (g/cm³) | Wysoki (~6,6) | Niski (~2,7) | Bardzo niski (~1,8) | Bardzo wysoki (~8,4-8,7) |
Bardzo niski (~1,0 - 1,5+)
|
| Wytrzymałość / Sztywność | Dobry | Dobry (doskonała wytrzymałość/waga) | Od dobrego do dobrego (doskonała wytrzymałość/waga) | Od dobrego do doskonałego |
Słaby do dobrego (bardzo zmienny)
|
| Maksymalna temperatura pracy / odporność na pełzanie | Fair (Limited >100°C) | Dobry (Użyteczny ~200°C) | Dobra (ograniczona >120°C, zależnie od stopu) | Doskonały |
Słaby do sprawiedliwego (bardzo zmienny)
|
| Odlewalność / formowalność² | Doskonałe (gorąca komora, cienkie ścianki, trwałość matrycy, czas cyklu, tolerancje) | Dobry (zimna komora, dobra płynność, wolniejsze cykle, krótsza żywotność matrycy) | Bardzo dobry (możliwa gorąca komora, cienkie ścianki, szybkie cykle, wymaga ochrony) | Uczciwy (odlewanie ciśnieniowe trudne, inne metody wolniejsze) |
Doskonałe (formowanie wtryskowe, złożone kształty, szybkie cykle)
|
| Opcje wykończenia (galwanizacja, malowanie itp.) | Doskonały (najłatwiejszy do przygotowania/wykończenia) | Dobry (możliwe anodowanie, wymaga przygotowania do galwanizacji) | Fair (wymaga specjalnego traktowania, ryzyko korozji) | Doskonały (dobrze się poleruje, łatwy do powlekania) |
Fair to Good (kolor integralny, wymaga specyfiki poszycia/malowania)
|
| Główne zalety | Odlewalność, wykończenie, dokładność wymiarowa, umiarkowany koszt | Niska waga, wytrzymałość/waga, odporność na temperaturę, koszt | Najniższa waga, wytrzymałość/waga, odlewalność (cienkie ścianki) | Wytrzymałość, odporność na korozję, właściwości łożyskowe, estetyka |
Najniższa waga, niski koszt (duża objętość), elastyczność konstrukcji, zintegrowany kolor
|
| Główne wady | Wysoka gęstość, niższa odporność na temperaturę | Wyższa temperatura/koszt przetwarzania, niższa trwałość matrycy niż w przypadku cynku | Koszt, podatność na korozję, graniczne wartości temperatury, ryzyko palności (stopiony) | Wysoki koszt, wysoka gęstość, trudne odlewanie ciśnieniowe |
Niższa wytrzymałość/sztywność, niższa odporność na temperaturę, pełzanie
|
Procesy produkcyjne stopów cynku
A. Odlewanie ciśnieniowe
Odlewanie ciśnieniowe z gorącą komorą:
Procesem, który może wtłaczać stopiony stop cynku do wnęki matrycy w celu uzyskania profilu produktu, jest gorąca komora odlew cynkowy. Do przepływu cieczy wykorzystuje systemy gęsiej szyi i tłoka.
Proces ten dobrze nadaje się do odlewania metali o niższych temperaturach topnienia. Właśnie dlatego nadaje się do cynku. Czas cyklu wynosi 50-100 strzałów/godzinę.
Odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze:
Odlewanie w zimnej komorze nie przypomina odlewania w gorącej komorze; nadaje się do stopów o wyższej temperaturze topnienia. Istnieje oddzielny piec do topienia metalu i ręcznego wlewania go do matrycy.
Proces ten jest znacznie wolniejszy niż odlewanie gorącokomorowe i może produkować od 20 do 40 strzałów na godzinę. Jednak w przypadku stopów odlewniczych cynku zanieczyszczenie żelazem jest mniejsze.
B. Odlewanie grawitacyjne
W procesie odlewania grawitacyjnego, metalowcy chłodzą odlewy wykorzystując naturalną konwekcję. W tym celu osiągają prędkości chłodzenia rzędu 1-10 °C/s.
Występują grube dendryty, które również obniżają wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z przedmiotami odlewanymi ciśnieniowo. Pozwala to jednak zachować plastyczność, a nawet ją poprawić.
C. Odlewanie piaskowe
Najpopularniejszym i najłatwiejszym sposobem odlewania jest odlewanie piaskowe. Odlewanie części cynkowych wymaga mniejszego nakładu pracy i mniejszej liczby kluczowych kroków.
W tym przypadku producenci wlewają stopiony cynk do matrycy szlifierskiej i czekają, aż ostygnie. Następnie matryca jest otwierana w celu usunięcia gotowej części.
Formowanie piaskowe trwa wiele godzin i chłodzi się powoli około 0,1-1 °C/s. Jest to powodem powstawania dużych faz eutektycznych. Główną zaletą odlewów piaskowych ZA27 jest to, że mają lepszą stabilność termiczną niż odlewy ciśnieniowe.
D. Wykończenie powierzchni
Powierzchnia jest bardzo ważna dla poprawy jakości i właściwości stopów. Na przykład powłoka galwaniczna (5-15 μm cynk-nikiel) 5 razy lepiej zatrzymuje korozję.
W przypadku uzyskania pięknego wyglądu, malowanie proszkowe (50-80 μm) jest cenne. Zwiększa również liczbę stopów, które przetrwają ponad 500-godzinne testy w mgle solnej, takie jak ASTM B117.
E. Obróbka skrawaniem
Bezołowiowa kompozycja stopów cynku, takich jak Zamak 3, zapewnia 80% lepszą skrawalność niż mosiądz. Zmniejsza również chropowatość powierzchni o 0,8-1,6 μm Ra.
Jednak stopy o wysokiej zawartości miedzi, które zawierają ścierne materiały międzymetaliczne, takie jak Zamak 2, wymagają do obróbki narzędzi z węglików spiekanych.
F. Recykling
Stopy cynku mogą być ponownie wykorzystane po zakończeniu okresu eksploatacji, ponieważ mają właściwości recyklingowe 100%. Topią się one w temperaturze 420-450 °C. Skupiając się na odpowiednim topniku, można ograniczyć występowanie żużlu do <2% masy stopu. Stop może również zachować właściwości mechaniczne przez ponad 7 cykli przetapiania.
Zalety stopów cynku
Efektywność kosztowa
Stopy cynku pozwalają zaoszczędzić do 40-60% w porównaniu z aluminium lub stalą nierdzewną przy produkcji części o kompaktowych rozmiarach. Zwykle kosztują 2,50-3,50/kg w porównaniu do 5-8/kg dla substytutów.
Ponadto wybór opcji odlewania ciśnieniowego obniża jego cenę. Ceny różnią się jednak w zależności od rodzaju stopu, projektu lub innych potrzeb produkcyjnych.
Odporność na korozję i trwałość
Zamak może przetrwać ponad 500 godzin w testach mgły solnej w porównaniu ze stalą miękką (10x). Na przykład, zastosowania cynku klasy morskiej powodują bardzo niską korozję, do <0,1 mm/rok w przybrzeżny środowiska.
Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
Przy dobrej wytrzymałości na rozciąganie, części ze stopów cynku dają gęstość 6,6-7,1 g/cm³. Zapewnia to porównywalną wytrzymałość. Żeliwo ma gęstość 7,2 g/cm³. Z tego powodu działa przy niższej wadze 20%.
Zdolność tłumienia
Cynk jest przydatny do produkcji mocowań samochodowych i podstaw maszyn. Dzieje się tak dlatego, że może tłumić 30% więcej wibracji niż alternatywy takie jak aluminium. Redukują one hałas do 15-20 dB.
Wyzwania i ograniczenia związane ze stopami cynku
Mechanizmy korozji
Stopy te mogą ulegać korozji galwanicznej w obecności metali szlachetnych, takich jak stal. Środowiska bogate w chlorki powodują wżery (0,1-0,3 mm/rok).
Stopy zawierające więcej aluminium zmagają się z korozją międzykrystaliczną powyżej 60°C.
Wydajność w wysokich temperaturach
Stopy te tracą wytrzymałość do 40% przy napawaniu w temperaturze 150°C (Zamak) i 60% w temperaturze 200°C (ZA-8). Mikrostrukturalne zgrubienie, które występuje z powodu cykli termicznych, powoduje zmianę wymiarów na 100 cykli.
Obawy dotyczące toksyczności
Narażenie na opary cynku powoduje gorączkę metaliczną. Wentylacja OSHA jest również ważna w przypadku śladowych ilości kadmu. Podczas topienia cynku konieczne jest stosowanie środków ochrony indywidualnej z filtrami P100 i odciągiem oparów.
Odporność na pełzanie
W ZA-27 odkształcenie pełzania osiąga 0,5%, działając przy 50 mpa po 1000 godzinach. Większość złożonych konstrukcji redukuje naprężenia do granicy plastyczności. Wykorzystują one wzmocnienie żebrowe do radzenia sobie z odkształceniami.
Wnioski
Stopy cynku odgrywają bardzo ważną rolę w produkcji różnych zastosowań. Są one opłacalne, a jednocześnie oferują doskonałą odlewalność i odporność na korozję. Podobnie jak inne metale, mają pewne ograniczenia, ale są wszechstronne i nadają się do recyklingu. Zapewnij sobie wytrzymałość w różnych sektorach przemysłu dzięki wybranemu metalowi.