Цинк - многоцелевой и важный металл, играющий важную роль в широком спектре промышленных, коммерческих и биологических применений. Цинк используется в промышленности, строительстве и для защитных покрытий благодаря своей высокой коррозионной стойкости и голубовато-серебристому цвету. Одно из его наиболее ценных свойств - способность образовывать очень прочные сплавы, особенно с алюминием, медью и магнием, что значительно повышает прочность и долговечность. Для таких производственных процессов, как литье под давлением, эти характеристики делают цинк чрезвычайно подходящим. Цинк также известен как особый материал в контексте автомобильной промышленности, поскольку не существует другого материала с такими механическими свойствами и в то же время с таким количеством производственных преимуществ. Из него можно создавать очень сложные и детализированные формы с минимальными затратами на механическую обработку, что делает их идеальными как для декоративных, так и для функциональных компонентов автомобиля. Кроме того, его низкая температура плавления позволяет снизить энергопотребление при производстве, что соответствует глобальным целям устойчивого развития. Значение цинка возрастает по мере развития автомобильных технологий. Большинство деталей систем самолетов теперь могут быть изготовлены из него, поскольку он поддерживает высокосерийное производство с отличной согласованностью деталей, что делает его критически важным материалом не только для текущих системных конструкций, но и для их новых конструкций в будущем.

Что такое цинковое литье под давлением?

Литье цинка под давлением - это прецизионный производственный процесс, при котором расплавленный цинковый сплав впрыскивается в специальную форму (также известную как пресс-форма) под высоким давлением для формирования металлических деталей. Обычно он используется для производства сложных, детализированных компонентов с жесткими допусками, тонкой отделкой поверхности и высокими механическими свойствами.

Литье под давлением с использованием цинка обладает превосходными механическими свойствами и одновременно высокой точностью. Оно позволяет изготавливать сложные детали с малыми допусками и гладкой поверхностью и отвечает требованиям современного дизайна автомобилей.

Почему именно цинк? Основные свойства материала

Благодаря нескольким уникальным свойствам цинк предпочтительнее использовать в процессе литья под давлением.

Высокая прочность и пластичность

Поскольку он прочнее многих других металлов, используемых для литья под давлением, в тонкостенных изделиях применяются цинковые сплавы.

Отличная точность размеров

Литье под давлением из цинка - это деталь, которая сохраняет свои формы и размеры с большим постоянством, что позволяет отказаться от последующей обработки.

Превосходная коррозионная стойкость

Цинк от природы устойчив к коррозии, в том числе благодаря дополнительным покрытиям. Это очень важно для деталей, используемых в автомобилях в условиях неблагоприятного воздействия дорожных и погодных условий.

Высокая текучесть

Расплавленный цинк течет очень легко, и эти детали с мелкими элементами и тонкими стенками были успешно отлиты.

Экономически эффективная оснастка

Цинковое литье имеет преимущество в виде долговечных штампов по сравнению с алюминиевым или магниевым, поэтому при большом объеме производства цинк более выгоден с экономической точки зрения.

Возможность вторичной переработки

Переход автомобильной промышленности к большей экологичности также означает, что цинк является экологически ответственным материалом, который 100% можно перерабатывать без потери свойств.

Процесс производства: Пошаговый обзор

1. Дизайн и оснастка:

Программное обеспечение CAD используется инженерами для проектирования компонентов. Затем изготавливается высокоточный стальной штамп с большим количеством полостей для изготовления нескольких деталей за один цикл.

2. Расплавление цинкового сплава:

Цинк плавится при температуре около 420°C (788°F), что ниже, чем у алюминия, и требует значительно меньших затрат энергии.

3. Инъекция:

Обычно расплавленный цинк впрыскивается в форму под давлением 1 500 - 25 000 фунтов на квадратный дюйм, достаточным для быстрого и равномерного заполнения формы.

4. Охлаждение и затвердевание:

Когда цинковый сплав попадает в матрицу, он быстро охлаждается и застывает (в течение нескольких секунд).

5. Выброс:

Затем выталкивающие штифты извлекают только что сформированную деталь из матрицы.

6. Обрезка и отделка:

Деталь может быть подвергнута дополнительной обработке, такой как удаление заусенцев, полировка, покраска или нанесение покрытия, при этом удаляется лишний материал (вспышка).

7. Контроль качества:

Некоторые компоненты проверяются на точность размеров, дефекты поверхности и механическую целостность, как это часто делается с помощью автоматизированных систем или 3D-сканеров.

Распространенные цинковые сплавы, используемые в автомобильной промышленности

В автомобильной промышленности выбор подходящего цинкового сплава очень важен, поскольку свойства сплава играют важную роль в обеспечении надлежащей производительности, надежности и экономичности. Производители могут подобрать материал для конкретного применения в зависимости от того, какой баланс прочности, пластичности, текучести и коррозионной стойкости могут предложить различные сплавы в той или иной степени. Ниже приведены наиболее часто используемые цинковые сплавы в автомобильном литье под давлением.

1. Сплавы замак (цинково-алюминиевые сплавы)

Основным легирующим элементом в семействе цинковых сплавов, известных как замак, является алюминий с температурой около 4%. Название происходит от немецких названий используемых металлов: Zink (цинк), Aluminum (алюминий), Magnesium (магний) и Kopper (медь).

Замак 3:

• Это наиболее широко используемый цинковый сплав для литья под давлением.
• Обладает отличной стабильностью размеров, хорошей обработкой поверхности и способностью к литью.
• Такие поверхности часто встречаются в деталях интерьера, например, дверных ручках, ручках и деталях отделки.

Замак 5:

• Он немного более медный, чем Zamak 3, и обладает более высокой прочностью и твердостью.
• Подходит для применения в условиях механических нагрузок, например, в конструкционных кронштейнах.

Замак 2:

• Самый прочный и твердый из сплавов Zamak.
• Используется в замковых системах или корпусах редукторов, где износостойкость имеет решающее значение.

2. Сплавы ZA (цинк-алюминий)

ZA alloys (ZA-8, ZA-12, ZA-27) have higher Al content than Zamak, having higher strength and wear resistance. They’re generally used in gravity casting presumably in some cases in die casting too.

ZA-8:

• Содержит алюминий 8%.
• Обладает хорошей прочностью и умеренными литейными свойствами.
• Подходит для конструктивных элементов легких автомобилей.

ZA-12 и ZA-27:

• Hard to cast, but higher strength.
• Used in semi-structural applications or parts, where it is subject to friction.

3. ACuZinc5

It is a special zinc copper aluminum alloy intended to obtain the characteristics of cast ability of Zamak and the strength of ZA alloys.

• Extremely high strength and superior wear resistance.
• Applied in gear housings, actuators, and mechanical linkages in automotive systems.
• The change material is ideal for replacing machined bronze and steel in applications where durability is necessary.

4. EZAC (Enhanced Zinc-Aluminum-Copper)

A relatively new alloy, very high in strength and creep resistance up to elevated temperatures, EZAC is.

• Good for parts that have to hold shape and strength even under the load, for example mounting components or engines.
• It offers twice the strength of Zamak 3, but requires more advanced tooling.

5. Zinc-Nickel Alloys

Zinc-nickel plate is less common than zinc die casting for these areas, but it is frequently used to improve corrosion resistance (especially salt and moisture) for under the hood or undercarriage parts.

• Выбор правильного сплава
• The selection of zinc alloy depends on several factors
• Mechanical requirements (tensile strength, impact resistance)
• Surface finish needs
• Cost and production volume
• Exposure to environmental stress (heat, corrosion)

For that reason, engineers frequently work with material scientists and suppliers to choose an alloy that is as well suited to the task as cost may permit, meeting both performance and cost constraints.

Role of Zinc Die Casting in the Automotive Industry

Zinc die casting has great importance in automotive manufacture due to high precision, high strength and economical make of small-to medium sized components. This process offers the means to produce complex parts of high precision in a very short time period and is excellent for high volume automotive applications.

Excellent mechanical properties of zinc alloys, such as durability, corrosion resistance, and dimensional stability, are obtained. These are the things that make zinc the best choice for door handles, brackets, locks, emblems, etc., as an auto part. This also provides easy plating or painting since it has a smooth surface finish.

Although zinc is heavier than aluminum or magnesium, it can be competitive for applications where weight is not the highest priority in terms of strength and detail. Due to its low melting point it requires less energy usage and has a long tool life. Zinc also is 100% recyclable, which supports accelerating the automotive industry’s promotion of sustainability.

Zinc die casting is still providing reliable and high-quality solutions for automotive demanding applications as vehicle designs evolve.

Physical and Chemical Properties of Zinc 

Физические свойства цинка

1. Appearance:

The thermoelectric bluish silver or grayish metal has a shiny metallic luster when freshly polished.

2.  Density:

Since at room temperature Zinc has a density of about 7.14 g/cm³, it is moderately heavy in comparison with other metals.

3. Melting Point:

However, at a relatively low temperature of 419.5°C (787°F), zinc is suitable for thermal processes, such as die casting, where low energy consumption is desired.

4. Boiling Point:

Zinc boils at 907°C (1665°F).

5. Hardness:

Zinc is about 2.5 on the Mohs scale of hardness, which makes it not too hard compared to steel, but not too soft as pure tin or lead are.

7. Electrical Conductivity:

However, while copper and silver are very good conductors of electricity, zinc is not quite as conductive. Because of this property, it is often used in batteries and electroplating.

8. Thermal Conductivity:

The moderate thermal conductivity of zinc makes it useful in managing heat, but it is less efficient than aluminum.

9. Malleability and Ductility:

Zinc is brittle, and thus can easily break at room temperature. It is however malleable when heated to around 100–150°C (212–302°F), one can easily shape them.

10. Crystal Structure:

In addition binary compounds of zinc are zinc crystallizing in a hexagonal close packed (hcp) structure which affects the mechanical properties especially the brittleness at lower temperatures.

Chemical Properties of Zinc

1. Reactivity with Air:

After coming in contact with air, zinc forms a thin layer of zinc oxide (ZnO) on the surface. Zinc on the top side prevents deeper corrosion and is therefore very resistant to atmospheric oxidation rusting.

2. Reactivity with Acids:

Dilute acids like the dilute acid hydrochloric acid (HCl) can react easily with zinc to give up hydrogen gas (H₂). Therefore, this property makes zinc useful in galvanization and sacrificial anodes for corrosion protection.

3. Amphoteric Nature:

Zinc is amphoteric, and can be acted upon by both acids and powerful bases. For example it reacts with sodium hydroxide (NaOH) to give sodium zincate.

4. Alloy Formation:

Zinc readily alloys with several metals, including copper, to produce brass, aluminum, magnesium, and many other metals.

5. Oxidation States:

The +2 (Zn²⁺) oxidation state of zinc is the most common. This oxidation state is combined with zinc compounds such as zinc oxide (ZnO) and zinc sulphate (ZnSO₄).

6. Resistance to Water:

Pure water does not react with zinc at room temperature, but at higher temperatures, zinc can react with it, slowly forming hydrogen gas and zinc oxide.

7. Galvanic Activity:

The anode material, zinc, is very effective because it readily loses electrons in galvanic cells (batteries).

Zinc vs Other Materials in Automotive Applications

Unlike aluminum, magnesium, plastic or steel, zinc die casting has several advantages. Zinc shines for its key performance and cost in automotive design, and while each material may have its place in automotive design, zinc is particularly effective in those parameters.

Zinc vs Aluminum:

In a form that is often selected for its light weight, aluminum is too weak and too soft at low thicknesses compared with zinc. Additionally, zinc provides better dimensional stability and additional complex geometries don’t require extensive machining. Tooling for this kind of casting also tends to last for longer periods, so it means that long term production costs are lower.

Zinc vs Magnesium:

Zinc is lighter than magnesium but is more expensive when bought without special coating. However, zinc alloys offer excellent corrosion resistance and do not require any additional surface treatments to make them resistant in most environments. Also, casting zinc provides better casting precision and finish.

Zinc vs Plastic:

However, plastic is lightweight, inexpensive, but comparatively weaker, does not withstand temperatures very well and is less durable than metal. Zinc components withstanding wear, impact or load bear are a solid alternative when structural integrity, lifespan and resistance to damage from impact or wear are important, in particular where movement or load carrying is involved.

Zinc vs Steel:

Steel is a good material that is strong and is quite commonly used in structural applications, but it is much heavier, and in many cases, more costly to form into ornery shapes. Zinc die casting, because it produces near net shape parts with minimal post processing, is well suited in cases where small and medium sized components are to be produced.

In general, zinc provides a good balance between mechanical strength, cost, formability, and surface finish and is therefore an excellent material for automotive parts regardless of their function.

Summary Table of Zinc’s Key Properties

Applications of Zinc Die Casting in Automotive Manufacturing

A wide range of components for vehicles can be processed via zinc die casting. Some of which are most common, such as:-

1. Interior Components:

• Дверные ручки
• Seat belt hardware
• Dashboard control levers
• HVAC knobs and switches

The components in these are high precision, tactile feel needs to be good, and the fit has to be a great finish. The ability of zinc to provide fine surface detail and dimensional accuracy is suited for these parts that are visible and used frequently.

2. Exterior Components:

• Emblems and logos
• Door and trunk locks
• Mirror brackets
• Wiper system components

Since noise, however, often indicates the cause of noise and the location of its cause is not as important as the noise itself, corrosion resistance and strength are used for use after environmental exposure and give appearance and function.

3. Under-the-Hood Components:

• Carburetor parts
• Fuel system parts
• Valve bodies
• Timing belt covers

Both thermal stability, strength and wear resistance are essential for these parts. Complex geometries, high precision tolerances and fluid engine system applications are achieved through zinc die casting.

4. Structural Parts:

• Кронштейны
• Mounting plates
• Chassis supports (in smaller vehicles)

Although not used for primary load bearing structures, zinc components have stiffness and reliable mechanical properties that make them useful in supporting frames and assemblies.

Zinc’s flexibility meets decoratively and functionally said requirements in all classes of vehicles. Because of its capacity to cut post-processing, EMI shielding, and component consolidation, zinc die casting extends to more and more electric and conventional platforms.

Advantages of Die Casting over Other Die Casting Materials

Although aluminum and magnesium have also been used in the automotive sector, zinc has an advantage:

It is easy to see that for small to medium sized components in which precision and strength are of great importance, zinc die casting is a very good option.

Challenges in Zinc Die Casting

Zinc die casting has some disadvantages:

Weight:

Zinc is too heavy to use in electric vehicle chassis and other applications where weight reduction is critical because it’s heavier than aluminum or magnesium.

Тепловые свойства: 

Thermal conductivity of zinc is lower than that of aluminum, so it is not suitable for heat dissipation parts like engine radiators.

Size Limitations:

For example, the tools cannot be used to cast very large components, and solidification defects can occur.

Yes, given intelligent engineering and hybrid material design, most of these challenges can be addressed.

Environmental and Sustainability Factors

Zinc die casting stands out because the global automotive industry leans towards greener practices.

100% Recyclability:

Zinc casting scraps are collected and reworked without any degradation.

Энергоэффективность:

Since aluminium has a much higher melting temperature, the energy consumption is significantly lower than with aluminium.

Long Tooling Life: 

It lengthens the die life, lessening the frequency of tool replacement, which means less waste and time without production.

As a result, companies working towards meeting more rigorous environmental regulations are drawn to zinc as it is an excellent option that won’t compromise quality or performance.

Innovations and Future Trends

Thin-Wall Technology:

Dies that have been advanced, and more fluid zinc alloys, have now enabled parts with extremely thin walls, reducing weight without losing strength.

Hybrid Assemblies: 

Also, zinc parts are being used more and more in combination with plastics or other metals for multifunctional parts.

Электромобили (EV): 

EVs need compact and robust components for battery housings, control systems, and connectors, and zinc is showing promise because of its precision and as an EMI (electromagnetic interference) shielding metal.

Smart Tooling: 

In mass production, the use of AI and machine learning for die maintenance also helps to reduce the die life and defects.

Заключение

Литье под давлением с цинком is more than a manufacturing method; it’s a winning strategy to achieve the competitive automotive edge. It presents a combination that is optimal regarding mechanical strength, design flexibility, cost efficiency, and sustainability. Since vehicles are moving towards becoming lighter, more environmentally friendly, and more sophisticated, zinc die casting has an important role to carry it forward as the next generation of automotive components. Zinc has huge use from small interior knobs to powerful under hood structures in automotive manufacturing. Once innovations continue to refine their application, the years ahead will deliver even wider adoption on conventional, hybrid, and electric vehicle platforms.