Cynk jest uniwersalnym i ważnym metalem, odgrywającym istotną rolę w wielu zastosowaniach przemysłowych, handlowych i biologicznych. Cynk jest stosowany w przemyśle, budownictwie i powłokach ochronnych ze względu na wysoką odporność na korozję i niebiesko-srebrny wygląd. Jedną z jego najcenniejszych właściwości jest zdolność do tworzenia bardzo mocnych stopów, zwłaszcza z aluminium, miedzią i magnezem, co znacznie poprawia wytrzymałość i trwałość. W odniesieniu do procesów produkcyjnych, takich jak odlewanie ciśnieniowe, cechy te sprawiają, że cynk jest niezwykle odpowiedni. Cynk jest również znany jako specjalny materiał w kontekście przemysłu motoryzacyjnego, ponieważ nie ma innego materiału o takich właściwościach mechanicznych, a jednocześnie o tak wielu zaletach produkcyjnych. Może być stosowany do tworzenia bardzo złożonych i szczegółowych kształtów przy niewielkiej obróbce maszynowej, co czyni je idealnymi zarówno do dekoracyjnych, jak i funkcjonalnych elementów pojazdów. Oprócz niskiej temperatury topnienia, która zapewnia niższe zużycie energii podczas produkcji, zgodnie z globalnymi celami zrównoważonego rozwoju. Znaczenie cynku rośnie wraz z rozwojem technologii motoryzacyjnej. Większość części układu samolotu może być obecnie z niego wykonana, ponieważ wspiera produkcję wielkoseryjną z doskonałą spójnością części, co czyni go krytycznym materiałem, nie tylko dla obecnych projektów układów, ale także dla ich nowych projektów na przyszłość.

Czym jest odlewanie ciśnieniowe cynku?

Odlewanie ciśnieniowe cynku to precyzyjny proces produkcyjny, który polega na wtryskiwaniu stopionego stopu cynku do niestandardowej matrycy (znanej również jako forma) pod wysokim ciśnieniem w celu uformowania metalowych części. Jest on zwykle wykorzystywany do produkcji złożonych, szczegółowych komponentów o wąskich tolerancjach, dokładnym wykończeniu powierzchni i wysokich właściwościach mechanicznych.

Odlewanie ciśnieniowe cynku ma doskonałe właściwości mechaniczne i jednocześnie łączy w sobie wysoką precyzję. Pozwala to na produkcję skomplikowanych części o wąskiej tolerancji i gładkim wykończeniu powierzchni, co jest przydatne w przypadku wymogów współczesnego projektowania pojazdów.

Dlaczego cynk? Kluczowe właściwości materiału

Ze względu na kilka unikalnych właściwości, cynk jest preferowany w procesie odlewania ciśnieniowego.

Wysoka wytrzymałość i plastyczność

Ponieważ jest on mocniejszy niż wiele innych metali, które są odlewane ciśnieniowo, w zastosowaniach cienkościennych stosuje się stopy cynku.

Doskonała dokładność wymiarowa

Cynkowe odlewy ciśnieniowe to części, które zachowują swoje kształty i rozmiary z dużą spójnością, co pomaga odciąć się od obróbki końcowej.

Doskonała odporność na korozję

Cynk jest naturalnie odporny na korozję, w szczególności dzięki dodatkowym powłokom. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku części używanych w pojazdach w niefortunnych warunkach drogowych i pogodowych.

Wysoka płynność

Stopiony cynk płynie bardzo łatwo, a części o małych elementach i cienkich ściankach zostały z powodzeniem odlane.

Ekonomiczne oprzyrządowanie

Odlewy cynkowe charakteryzują się długą żywotnością matryc w porównaniu z aluminium lub magnezem; dlatego też odlewanie cynku jest bardziej opłacalne w przypadku dużych serii produkcyjnych.

Możliwość recyklingu

Przejście przemysłu motoryzacyjnego w kierunku bardziej zrównoważonego rozwoju oznacza również, że cynk jest materiałem przyjaznym dla środowiska, który można poddać recyklingowi bez utraty właściwości.

Proces produkcji: Przegląd krok po kroku

1. Projektowanie i oprzyrządowanie:

Oprogramowanie CAD jest wykorzystywane do projektowania komponentów przez inżynierów. Następnie wytwarzana jest precyzyjna stalowa matryca z dużą liczbą wgłębień do budowy kilku części w jednym cyklu.

2. Topienie stopu cynku:

Cynk topi się w temperaturze około 420°C (788°F), niższej niż aluminium i przy znacznie niższych kosztach energii.

3. Wstrzyknięcie:

Zazwyczaj stopiony cynk jest wtryskiwany do matrycy pod ciśnieniem 1500-25000 psi, które jest wystarczająco wysokie, aby zapewnić szybkie i równomierne wypełnienie formy.

4. Chłodzenie i krzepnięcie:

Gdy stop cynku dostanie się do matrycy, szybko schładza się i krzepnie (kwestia sekund).

5. Wyrzut:

Następnie trzpienie wypychacza wyrzucają nowo uformowaną część z matrycy.

6. Przycinanie i wykańczanie:

Część może podlegać dodatkowemu wykończeniu, takiemu jak gratowanie, polerowanie, malowanie lub powlekanie, a nadmiar materiału (błysk) jest usuwany.

7. Kontrola jakości:

Niektóre komponenty są sprawdzane pod kątem dokładności wymiarowej, wad powierzchniowych i integralności mechanicznej, co często ma miejsce w przypadku systemów zautomatyzowanych lub skanerów 3D.

Powszechnie stosowane stopy cynku w przemyśle motoryzacyjnym

W przemyśle motoryzacyjnym wybór odpowiedniego stopu cynku jest ważny, ponieważ właściwości stopu odgrywają istotną rolę dla właściwej wydajności, niezawodności i efektywności kosztowej. Producenci mogą dopasować materiały do konkretnych zastosowań w zależności od tego, jakie zrównoważenie wytrzymałości, plastyczności, płynności i odporności na korozję mają do zaoferowania różne stopy w różnych miarach. Poniżej przedstawiono najczęściej stosowane stopy cynku w odlewnictwie samochodowym.

1. Stopy Zamak (stopy cynku i aluminium)

Podstawowym pierwiastkiem stopowym w rodzinie stopów cynku znanych jako zamak jest aluminium o temperaturze około 4%. Nazwa pochodzi od niemieckich nazw użytych metali: Zink, Aluminium, Magnesium i Kopper (miedź).

Zamak 3:

• Jest to najczęściej stosowany stop cynku do odlewania ciśnieniowego.
• Oferuje doskonałą stabilność wymiarową, dobre wykończenie powierzchni i zdolność odlewania.
• Powierzchnie te są powszechne w elementach wewnętrznych, takich jak klamki drzwi, gałki i elementy wykończeniowe.

Zamak 5:

• Jest nieco bardziej miedziany niż Zamak 3 i oferuje wyższą wytrzymałość i twardość.
• Odpowiedni do zastosowań związanych z naprężeniami mechanicznymi, takich jak wsporniki konstrukcyjne.

Zamak 2:

• Najmocniejszy i najtwardszy ze stopów Zamak.
• Jest on stosowany w systemach blokujących lub obudowach przekładni, gdzie odporność na zużycie ma kluczowe znaczenie.

2. Stopy ZA (cynk-aluminium)

Stopy ZA (ZA-8, ZA-12, ZA-27) mają wyższą zawartość Al niż Zamak, charakteryzują się wyższą wytrzymałością i odpornością na zużycie. Są one zwykle stosowane w odlewnictwie grawitacyjnym, a w niektórych przypadkach także w odlewnictwie ciśnieniowym.

ZA-8:

• Zawiera aluminium 8%.
• Oferuje dobrą wytrzymałość i umiarkowane właściwości odlewnicze.
• Nadaje się do elementów konstrukcyjnych w lekkich pojazdach.

ZA-12 i ZA-27:

• Trudny do odlania, ale bardziej wytrzymały.
• Używany w zastosowaniach półstrukturalnych lub częściach, w których występuje tarcie.

3. ACuZinc5

Jest to specjalny stop aluminium z miedzią cynkową przeznaczony do uzyskania właściwości odlewania Zamak i wytrzymałości stopów ZA.

• Niezwykle wysoka wytrzymałość i doskonała odporność na zużycie.
• Stosowany w obudowach przekładni, siłownikach i połączeniach mechanicznych w systemach motoryzacyjnych.
• Wymienny materiał jest idealny do zastąpienia obrabianego brązu i stali w zastosowaniach, w których wymagana jest trwałość.

4. EZAC (ulepszony cynk-aluminium-miedź)

EZAC to stosunkowo nowy stop o bardzo wysokiej wytrzymałości i odporności na pełzanie w podwyższonych temperaturach.

• Dobrze nadaje się do części, które muszą zachować kształt i wytrzymałość nawet pod obciążeniem, na przykład elementów montażowych lub silników.
• Oferuje dwukrotnie większą wytrzymałość niż Zamak 3, ale wymaga bardziej zaawansowanego oprzyrządowania.

5. Stopy cynk-nikiel

Blacha cynkowo-niklowa jest mniej powszechna niż odlew cynkowy w tych obszarach, ale jest często stosowana w celu poprawy odporności na korozję (zwłaszcza soli i wilgoci) w częściach pod maską lub podwoziem.

• Wybór odpowiedniego stopu
• Wybór stopu cynku zależy od kilku czynników
• Wymagania mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie, odporność na uderzenia)
• Potrzeby w zakresie wykończenia powierzchni
• Koszt i wielkość produkcji
• Narażenie na stres środowiskowy (ciepło, korozja)

Z tego powodu inżynierowie często współpracują z naukowcami zajmującymi się materiałami i dostawcami, aby wybrać stop, który jest tak dobrze dostosowany do zadania, jak pozwalają na to koszty, spełniając zarówno ograniczenia dotyczące wydajności, jak i kosztów.

Rola odlewów cynkowych w przemyśle motoryzacyjnym

Odlewanie ciśnieniowe cynku ma ogromne znaczenie w produkcji motoryzacyjnej ze względu na wysoką precyzję, wysoką wytrzymałość i ekonomiczną produkcję małych i średnich komponentów. Proces ten oferuje środki do produkcji złożonych części o wysokiej precyzji w bardzo krótkim czasie i doskonale nadaje się do zastosowań motoryzacyjnych o dużej objętości.

Stopy cynku charakteryzują się doskonałymi właściwościami mechanicznymi, takimi jak trwałość, odporność na korozję i stabilność wymiarowa. To właśnie one sprawiają, że cynk jest najlepszym wyborem do produkcji klamek, wsporników, zamków, emblematów itp. jako części samochodowych. Zapewnia to również łatwą galwanizację lub malowanie, ponieważ ma gładkie wykończenie powierzchni.

Chociaż cynk jest cięższy niż aluminium lub magnez, może być konkurencyjny w zastosowaniach, w których waga nie jest najwyższym priorytetem pod względem wytrzymałości i szczegółowości. Ze względu na niską temperaturę topnienia wymaga mniejszego zużycia energii i ma długą żywotność. Cynk 100% nadaje się również do recyklingu, co przyczynia się do przyspieszenia promocji zrównoważonego rozwoju w przemyśle motoryzacyjnym.

Odlewanie ciśnieniowe cynku nadal zapewnia niezawodne i wysokiej jakości rozwiązania dla wymagających zastosowań motoryzacyjnych w miarę ewolucji projektów pojazdów.

Właściwości fizyczne i chemiczne cynku 

Właściwości fizyczne cynku

1. Wygląd:

Niebiesko-srebrny lub szarawy metal termoelektryczny ma błyszczący metaliczny połysk, gdy jest świeżo wypolerowany.

2. Gęstość:

Ponieważ w temperaturze pokojowej gęstość cynku wynosi około 7,14 g/cm³, jest on umiarkowanie ciężki w porównaniu z innymi metalami.

3. Temperatura topnienia:

Jednak przy stosunkowo niskiej temperaturze 419,5°C (787°F) cynk nadaje się do procesów termicznych, takich jak odlewanie ciśnieniowe, w których pożądane jest niskie zużycie energii.

4. Temperatura wrzenia:

Cynk wrze w temperaturze 907°C (1665°F).

5. Twardość:

Cynk ma twardość około 2,5 w skali Mohsa, co sprawia, że nie jest zbyt twardy w porównaniu ze stalą, ale nie jest też zbyt miękki jak czysta cyna czy ołów.

7. Przewodność elektryczna:

Jednakże, podczas gdy miedź i srebro są bardzo dobrymi przewodnikami elektryczności, cynk nie jest aż tak przewodzący. Ze względu na tę właściwość jest on często wykorzystywany w bateriach i galwanizacji.

8. Przewodność cieplna:

Umiarkowana przewodność cieplna cynku sprawia, że jest on przydatny w zarządzaniu ciepłem, ale jest mniej wydajny niż aluminium.

9. Kowalność i ciągliwość:

Cynk jest kruchy, a zatem może łatwo pęknąć w temperaturze pokojowej. Jest jednak plastyczny, a po podgrzaniu do około 100-150°C (212-302°F) można go łatwo kształtować.

10. Struktura krystaliczna:

Ponadto dwuskładnikowe związki cynku krystalizują w strukturze heksagonalnej (hcp), co wpływa na właściwości mechaniczne, zwłaszcza kruchość w niższych temperaturach.

Właściwości chemiczne cynku

1. Reaktywność z powietrzem:

Po wejściu w kontakt z powietrzem cynk tworzy na powierzchni cienką warstwę tlenku cynku (ZnO). Cynk na górnej stronie zapobiega głębszej korozji i dlatego jest bardzo odporny na rdzewienie spowodowane utlenianiem atmosferycznym.

2. Reaktywność z kwasami:

Rozcieńczone kwasy, takie jak rozcieńczony kwas solny (HCl), mogą łatwo reagować z cynkiem, wydzielając wodór (H₂). Ta właściwość sprawia, że cynk jest przydatny w galwanizacji i anodach protektorowych do ochrony przed korozją.

3. Amfoteryczna natura:

Cynk jest amfoteryczny i może być poddawany działaniu zarówno kwasów, jak i silnych zasad. Na przykład reaguje z wodorotlenkiem sodu (NaOH), dając cynkan sodu.

4. Tworzenie stopu:

Cynk łatwo łączy się z kilkoma metalami, w tym miedzią, tworząc mosiądz, aluminium, magnez i wiele innych metali.

5. Stany utlenienia:

Stopień utlenienia cynku +2 (Zn²⁺) jest najbardziej powszechny. Ten stopień utlenienia jest łączony ze związkami cynku, takimi jak tlenek cynku (ZnO) i siarczan cynku (ZnSO₄).

6. Odporność na wodę:

Czysta woda nie reaguje z cynkiem w temperaturze pokojowej, ale w wyższych temperaturach cynk może z nią reagować, powoli tworząc wodór i tlenek cynku.

7. Aktywność galwaniczna:

Materiał anody, cynk, jest bardzo skuteczny, ponieważ łatwo traci elektrony w ogniwach galwanicznych (bateriach).

Cynk a inne materiały w zastosowaniach motoryzacyjnych

W przeciwieństwie do aluminium, magnezu, plastiku czy stali, odlewanie ciśnieniowe cynku ma kilka zalet. Cynk wyróżnia się kluczową wydajnością i kosztami w projektowaniu samochodów i chociaż każdy materiał może mieć swoje miejsce w projektowaniu samochodów, cynk jest szczególnie skuteczny w tych parametrach.

Cynk vs aluminium:

W formie, która jest często wybierana ze względu na niewielką wagę, aluminium jest zbyt słabe i zbyt miękkie przy niskich grubościach w porównaniu z cynkiem. Ponadto cynk zapewnia lepszą stabilność wymiarową, a dodatkowe złożone geometrie nie wymagają intensywnej obróbki. Oprzyrządowanie do tego rodzaju odlewów ma również tendencję do dłuższej żywotności, co oznacza, że długoterminowe koszty produkcji są niższe.

Cynk a magnez:

Cynk jest lżejszy od magnezu, ale jest droższy w przypadku zakupu bez specjalnej powłoki. Stopy cynku oferują jednak doskonałą odporność na korozję i nie wymagają dodatkowej obróbki powierzchni, aby były odporne w większości środowisk. Ponadto odlewanie cynku zapewnia lepszą precyzję i wykończenie odlewu.

Cynk kontra plastik:

Tworzywa sztuczne są jednak lekkie, niedrogie, ale stosunkowo słabsze, nie wytrzymują zbyt dobrze temperatur i są mniej trwałe niż metal. Elementy cynkowe odporne na zużycie, uderzenia lub obciążenia są solidną alternatywą, gdy ważna jest integralność strukturalna, żywotność i odporność na uszkodzenia spowodowane uderzeniami lub zużyciem, w szczególności w przypadku ruchu lub przenoszenia obciążeń.

Cynk vs stal:

Stal jest dobrym materiałem, który jest wytrzymały i jest dość powszechnie stosowany w zastosowaniach konstrukcyjnych, ale jest znacznie cięższy i w wielu przypadkach bardziej kosztowny w formowaniu w ozdobne kształty. Odlewanie ciśnieniowe cynku, ponieważ produkuje części o kształcie zbliżonym do siatki przy minimalnej obróbce końcowej, jest dobrze dostosowane do przypadków, w których produkowane są małe i średnie komponenty.

Ogólnie rzecz biorąc, cynk zapewnia dobrą równowagę między wytrzymałością mechaniczną, kosztem, formowalnością i wykończeniem powierzchni, a zatem jest doskonałym materiałem na części samochodowe niezależnie od ich funkcji.

Tabela podsumowująca kluczowe właściwości cynku

Zastosowania odlewów cynkowych w produkcji samochodów

Szeroka gama komponentów do pojazdów może być przetwarzana poprzez odlewanie ciśnieniowe cynku. Niektóre z nich są najbardziej powszechne, takie jak:-

1. Elementy wewnętrzne:

• Klamki drzwi
• Osprzęt pasów bezpieczeństwa
• Dźwignie sterujące na desce rozdzielczej
• Pokrętła i przełączniki HVAC

Elementy te są bardzo precyzyjne, muszą być dobrze wyczuwalne w dotyku, a dopasowanie musi być doskonale wykończone. Zdolność cynku do zapewnienia drobnych szczegółów powierzchni i dokładności wymiarowej jest odpowiednia dla tych części, które są widoczne i często używane.

2. Elementy zewnętrzne:

• Emblematy i logo
• Zamki drzwi i bagażnika
• Wsporniki lusterek
• Elementy systemu wycieraczek

Ponieważ jednak hałas często wskazuje na przyczynę hałasu, a lokalizacja jego przyczyny nie jest tak ważna jak sam hałas, odporność na korozję i wytrzymałość są wykorzystywane do użytku po ekspozycji na środowisko i nadają wygląd i funkcjonalność.

3. Podzespoły pod maską:

• Części gaźnika
• Części układu paliwowego
• Korpusy zaworów
• Osłony paska rozrządu

Stabilność termiczna, wytrzymałość i odporność na zużycie są kluczowe dla tych części. Złożone geometrie, wysokie tolerancje precyzji i zastosowania w układach silników płynowych są osiągane dzięki odlewaniu ciśnieniowemu cynku.

4. Części konstrukcyjne:

• Wsporniki
• Płyty montażowe
• Wsporniki podwozia (w mniejszych pojazdach)

Choć nie są one stosowane w konstrukcjach nośnych, komponenty cynkowe charakteryzują się sztywnością i niezawodnymi właściwościami mechanicznymi, które czynią je użytecznymi w ramach nośnych i zespołach.

Elastyczność cynku spełnia wymagania dekoracyjne i funkcjonalne we wszystkich klasach pojazdów. Ze względu na możliwość obróbki końcowej, ekranowania EMI i konsolidacji komponentów, odlewanie ciśnieniowe cynku obejmuje coraz więcej platform elektrycznych i konwencjonalnych.

Zalety odlewów ciśnieniowych w porównaniu z innymi materiałami odlewniczymi

Chociaż aluminium i magnez były również wykorzystywane w sektorze motoryzacyjnym, cynk ma przewagę:

Łatwo zauważyć, że w przypadku małych i średnich komponentów, w których precyzja i wytrzymałość mają ogromne znaczenie, odlewanie ciśnieniowe cynku jest bardzo dobrym rozwiązaniem.

Wyzwania związane z odlewaniem ciśnieniowym cynku

Odlewanie ciśnieniowe cynku ma pewne wady:

Waga:

Cynk jest zbyt ciężki, by używać go w podwoziach pojazdów elektrycznych i innych zastosowaniach, w których redukcja masy ma krytyczne znaczenie, ponieważ jest cięższy niż aluminium czy magnez.

Właściwości termiczne: 

Przewodność cieplna cynku jest niższa niż aluminium, więc nie nadaje się on do części rozpraszających ciepło, takich jak chłodnice silnika.

Ograniczenia rozmiaru:

Na przykład, narzędzia te nie mogą być używane do odlewania bardzo dużych komponentów i mogą wystąpić wady krzepnięcia.

Tak, biorąc pod uwagę inteligentną inżynierię i projektowanie materiałów hybrydowych, można sprostać większości tych wyzwań.

Czynniki środowiskowe i zrównoważonego rozwoju

Odlewanie ciśnieniowe cynku wyróżnia się tym, że globalny przemysł motoryzacyjny skłania się ku bardziej ekologicznym praktykom.

100% Możliwość recyklingu:

Złom odlewniczy cynku jest zbierany i ponownie przetwarzany bez jakiejkolwiek degradacji.

Efektywność energetyczna:

Ponieważ aluminium ma znacznie wyższą temperaturę topnienia, zużycie energii jest znacznie niższe niż w przypadku aluminium.

Długa żywotność narzędzi: 

Wydłuża żywotność matrycy, zmniejszając częstotliwość wymiany narzędzi, co oznacza mniej odpadów i czasu bez produkcji.

W rezultacie firmy pracujące nad spełnieniem bardziej rygorystycznych przepisów środowiskowych są przyciągane do cynku, ponieważ jest to doskonała opcja, która nie obniża jakości ani wydajności.

Innowacje i przyszłe trendy

Technologia cienkich ścianek:

Zaawansowane matryce i bardziej płynne stopy cynku umożliwiły uzyskanie części o niezwykle cienkich ściankach, zmniejszając wagę bez utraty wytrzymałości.

Zespoły hybrydowe: 

Ponadto części cynkowe są coraz częściej stosowane w połączeniu z tworzywami sztucznymi lub innymi metalami w celu uzyskania części wielofunkcyjnych.

Pojazdy elektryczne (EV): 

Pojazdy elektryczne potrzebują kompaktowych i wytrzymałych komponentów do obudów akumulatorów, systemów sterowania i złączy, a cynk jest obiecujący ze względu na swoją precyzję i jako metal ekranujący EMI (zakłócenia elektromagnetyczne).

Inteligentne oprzyrządowanie: 

W produkcji masowej wykorzystanie sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego do konserwacji matryc pomaga również zmniejszyć ich żywotność i liczbę usterek.

Wnioski

Odlew cynkowy to coś więcej niż metoda produkcji; to zwycięska strategia pozwalająca osiągnąć przewagę konkurencyjną w branży motoryzacyjnej. Jest to optymalne połączenie wytrzymałości mechanicznej, elastyczności konstrukcji, efektywności kosztowej i zrównoważonego rozwoju. Ponieważ pojazdy stają się coraz lżejsze, bardziej przyjazne dla środowiska i bardziej wyrafinowane, odlewanie ciśnieniowe cynku ma do odegrania ważną rolę jako następna generacja komponentów samochodowych. Cynk ma ogromne zastosowanie, od małych gałek wewnętrznych po potężne konstrukcje pod maską w produkcji samochodów. Gdy innowacje będą nadal udoskonalać ich zastosowanie, nadchodzące lata przyniosą jeszcze szersze zastosowanie na platformach pojazdów konwencjonalnych, hybrydowych i elektrycznych.