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 преимущества 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)

Сплавы ZA (ZA-8, ZA-12, ZA-27) имеют более высокое содержание Al, чем Zamak, обладают более высокой прочностью и износостойкостью. Они обычно используются в гравитационном литье, а в некоторых случаях и в литье под давлением.

ZA-8:

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

ZA-12 и ZA-27:

• Трудно отливать, но прочность выше.
• Используется в полуконструкциях или деталях, подверженных трению.

3. ACuZinc5

Это специальный цинково-медно-алюминиевый сплав, предназначенный для получения характеристик литейной способности Zamak и прочности сплавов ZA.

• Чрезвычайно высокая прочность и превосходная износостойкость.
• Применяется в корпусах редукторов, приводах и механических связях в автомобильных системах.
• Сменный материал идеально подходит для замены обработанной бронзы и стали в тех случаях, когда требуется долговечность.

4. EZAC (улучшенный цинк-алюминий-медь)

Относительно новый сплав, обладающий высокой прочностью и стойкостью к ползучести при повышенных температурах, EZAC является.

• Хорошо подходит для деталей, которые должны сохранять форму и прочность даже под нагрузкой, например, для узлов крепления или двигателей.
• Он обладает вдвое большей прочностью, чем Zamak 3, но требует более сложной оснастки.

5. Цинк-никелевые сплавы

Цинк-никелевая пластина менее распространена, чем цинковое литье под давлением, но часто используется для повышения коррозионной стойкости (особенно к соли и влаге) для деталей под капотом или ходовой части.

• Выбор правильного сплава
• Выбор цинкового сплава зависит от нескольких факторов
• Механические требования (прочность на разрыв, ударопрочность)
• Необходимость обработки поверхности
• Стоимость и объем производства
• Воздействие окружающей среды (тепло, коррозия)

По этой причине инженеры часто сотрудничают с материаловедами и поставщиками, чтобы выбрать сплав, который бы максимально соответствовал задаче по стоимости, удовлетворяя как эксплуатационным характеристикам, так и ограничениям по стоимости.

Роль литья под давлением цинка в автомобильной промышленности

Литье под давлением с использованием цинка имеет большое значение в автомобильном производстве благодаря высокой точности, прочности и экономичности при изготовлении деталей малого и среднего размера. Этот процесс позволяет изготавливать сложные детали высокой точности за очень короткий промежуток времени и отлично подходит для крупносерийного производства автомобилей.

Цинковые сплавы обладают превосходными механическими свойствами, такими как долговечность, коррозионная стойкость и стабильность размеров. Именно эти свойства делают цинк лучшим выбором для изготовления дверных ручек, кронштейнов, замков, эмблем и т. д. в качестве автозапчастей. Он также обеспечивает легкое покрытие или покраску, поскольку имеет гладкую поверхность.

Хотя цинк тяжелее алюминия или магния, он может быть конкурентоспособным в тех случаях, когда вес не является главным приоритетом с точки зрения прочности и детализации. Благодаря низкой температуре плавления он требует меньше энергии и имеет длительный срок службы инструмента. Кроме того, цинк 100% можно перерабатывать, что способствует ускоренному продвижению автомобильной промышленности в направлении экологичности.

Литье под давлением с использованием цинка по-прежнему обеспечивает надежные и высококачественные решения для сложных автомобильных задач по мере развития дизайна транспортных средств.

Физические и химические свойства цинка 

Физические свойства цинка

1. Внешний вид:

Термоэлектрический голубовато-серебристый или сероватый металл имеет металлический блеск в свежеотполированном состоянии.

2. Плотность:

Поскольку при комнатной температуре плотность цинка составляет около 7,14 г/см³, он является умеренно тяжелым по сравнению с другими металлами.

3. Температура плавления:

Однако при относительно низкой температуре 419,5°C (787°F) цинк подходит для термических процессов, таких как литье под давлением, где требуется низкое потребление энергии.

4. Температура кипения:

Цинк кипит при температуре 907°C (1665°F).

5. Твердость:

Цинк имеет твердость около 2,5 по шкале Мооса, что делает его не слишком твердым по сравнению со сталью, но и не слишком мягким, как чистое олово или свинец.

7. Электропроводность:

Однако если медь и серебро являются очень хорошими проводниками электричества, то цинк не столь электропроводен. Благодаря этому свойству он часто используется в батареях и гальванических покрытиях.

8. Теплопроводность:

Умеренная теплопроводность цинка делает его полезным для управления теплом, но он менее эффективен, чем алюминий.

9. Легируемость и пластичность:

Цинк хрупок, и поэтому легко ломается при комнатной температуре. Однако при нагревании до температуры 100-150°C (212-302°F) он становится податливым, и ему можно легко придать нужную форму.

10. Кристаллическая структура:

Кроме того, бинарные соединения цинка кристаллизуются в гексагональной плотноупакованной (hcp) структуре, что влияет на механические свойства, особенно на хрупкость при низких температурах.

Химические свойства цинка

1. Реактивность с воздухом:

После контакта с воздухом цинк образует на поверхности тонкий слой оксида цинка (ZnO). Цинк на верхней стороне предотвращает более глубокую коррозию и поэтому очень устойчив к атмосферному окислительному ржавлению.

2. Реактивность с кислотами:

Разбавленные кислоты, такие как соляная кислота (HCl), легко реагируют с цинком, выделяя газообразный водород (H₂). Поэтому это свойство делает цинк полезным при гальванизации и в качестве жертвенного анода для защиты от коррозии.

3. Амфотерная природа:

Цинк амфотерен, и на него могут действовать как кислоты, так и сильные основания. Например, он реагирует с гидроксидом натрия (NaOH), образуя цинкат натрия.

4. Формирование сплавов:

Цинк легко сплавляется с некоторыми металлами, включая медь, для получения латуни, алюминия, магния и многих других металлов.

5. Состояния окисления:

Наиболее распространена степень окисления цинка +2 (Zn²⁺). В этой степени окисления находятся такие соединения цинка, как оксид цинка (ZnO) и сульфат цинка (ZnSO₄).

6. Устойчивость к воде:

Чистая вода не реагирует с цинком при комнатной температуре, но при более высоких температурах цинк может вступать с ней в реакцию, медленно образуя газообразный водород и оксид цинка.

7. Гальваническая активность:

Материал анода, цинк, очень эффективен, поскольку он легко теряет электроны в гальванических элементах (батареях).

Цинк в сравнении с другими материалами в автомобильной промышленности

В отличие от алюминия, магния, пластика или стали, литье под давлением цинка имеет ряд преимуществ. Цинк отличается своими ключевыми характеристиками и стоимостью в автомобильном дизайне, и хотя каждый материал может иметь свое место в автомобильном дизайне, цинк особенно эффективен в этих параметрах.

Цинк против алюминия:

В форме, которую часто выбирают из-за малого веса, алюминий слишком слаб и мягок при малой толщине по сравнению с цинком. Кроме того, цинк обеспечивает лучшую стабильность размеров, а дополнительные сложные геометрические формы не требуют длительной механической обработки. Инструментарий для этого вида литья, как правило, служит дольше, а это значит, что долгосрочные производственные затраты ниже.

Цинк против магния:

Цинк легче магния, но стоит дороже, если покупать его без специального покрытия. Однако цинковые сплавы обладают превосходной коррозионной стойкостью и не требуют дополнительной обработки поверхности для придания им устойчивости в большинстве сред. Кроме того, литье цинка обеспечивает более высокую точность и чистоту отливки.

Цинк против пластика:

Однако пластик легок, недорог, но сравнительно слаб, плохо переносит температуры и менее долговечен, чем металл. Цинковые компоненты, выдерживающие износ, удары и нагрузки, являются надежной альтернативой, когда важны структурная целостность, срок службы и устойчивость к повреждениям от ударов или износа, в частности, когда речь идет о движении или переносе груза.

Цинк против стали:

Сталь - хороший материал, прочный и часто используемый в конструкциях, но она гораздо тяжелее, и во многих случаях ее формовка в причудливые формы обходится дороже. Литье под давлением с использованием цинка, поскольку оно позволяет получать детали практически чистой формы с минимальной последующей обработкой, хорошо подходит для случаев, когда необходимо изготовить детали малого и среднего размера.

В целом, цинк обеспечивает хороший баланс между механической прочностью, стоимостью, формуемостью и качеством обработки поверхности, поэтому он является отличным материалом для автомобильных деталей независимо от их назначения.

Сводная таблица основных свойств цинка

Применение цинкового литья под давлением в автомобилестроении

Широкий спектр компонентов для автомобилей может быть обработан методом литья под давлением из цинка. Некоторые из них наиболее распространены, такие как:-

1. Компоненты интерьера:

• Дверные ручки
• Оборудование для ремней безопасности
• Рычаги управления приборной панелью
• Ручки и переключатели системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Эти детали отличаются высокой точностью, тактильные ощущения должны быть хорошими, а подгонка - отличной. Способность цинка обеспечивать мелкую детализацию поверхности и точность размеров подходит для этих деталей, которые видны и часто используются.

2. Внешние компоненты:

• Эмблемы и логотипы
• Замки дверей и багажника
• Кронштейны для зеркал
• Компоненты системы стеклоочистителей

Поскольку шум, однако, часто указывает на его причину, а местонахождение его причины не так важно, как сам шум, коррозионная стойкость и прочность используются для использования после воздействия окружающей среды и придают внешний вид и функциональность.

3. Компоненты под капотом:

• Детали карбюратора
• Детали топливной системы
• Корпуса клапанов
• Крышки ремня ГРМ

Для этих деталей важны термическая стабильность, прочность и износостойкость. Сложные геометрические формы, высокая точность допусков и применение в системах жидкостных двигателей достигаются с помощью литья под давлением с использованием цинка.

4. Структурные части:

• Кронштейны
• Монтажные пластины
• Опоры шасси (в небольших автомобилях)

Несмотря на то, что цинковые компоненты не используются для создания первичных несущих конструкций, они обладают жесткостью и надежными механическими свойствами, что позволяет использовать их в несущих рамах и узлах.

Гибкость цинка отвечает декоративным и функциональным требованиям, предъявляемым к автомобилям всех классов. Благодаря возможности сократить время на постобработку, экранирование электромагнитных помех и консолидацию компонентов, цинковое литье распространяется на все большее количество электрических и обычных платформ.

Преимущества литья под давлением перед другими материалами для литья под давлением

Хотя алюминий и магний также используются в автомобильном секторе, цинк имеет преимущество:

Легко понять, что для деталей малого и среднего размера, в которых важны точность и прочность, литье под давлением с использованием цинка является очень хорошим вариантом.

Проблемы литья под давлением цинка

Литье под давлением с использованием цинка имеет некоторые недостатки:

Вес:

Цинк слишком тяжел для использования в шасси электромобилей и других областях, где снижение веса имеет решающее значение, поскольку он тяжелее алюминия или магния.

Тепловые свойства: 

Теплопроводность цинка ниже, чем у алюминия, поэтому он не подходит для теплоотводящих деталей, таких как радиаторы двигателей.

Ограничения по размеру:

Например, эти инструменты нельзя использовать для литья очень крупных деталей, при этом могут возникать дефекты затвердевания.

Да, при грамотном проектировании и создании гибридных материалов большинство этих проблем можно решить.

Факторы экологии и устойчивости

Литье цинка под давлением выделяется тем, что мировая автомобильная промышленность склоняется к более экологичным методам.

100% Возможность вторичной переработки:

Отходы цинкового литья собираются и перерабатываются без ухудшения качества.

Энергоэффективность:

Поскольку температура плавления алюминия гораздо выше, расход энергии значительно ниже, чем при использовании алюминия.

Длительный срок службы инструмента: 

Он продлевает срок службы штампа, снижая частоту замены инструмента, а значит, уменьшая количество отходов и время простоя производства.

В результате компании, стремящиеся соответствовать более строгим экологическим нормам, обращают внимание на цинк, поскольку это отличный вариант, не снижающий качество и производительность.

Инновации и будущие тенденции

Тонкостенная технология:

Усовершенствованные штампы и более жидкие цинковые сплавы позволяют изготавливать детали с очень тонкими стенками, снижая вес без потери прочности.

Гибридные сборки: 

Кроме того, цинковые детали все чаще используются в сочетании с пластиком или другими металлами для создания многофункциональных деталей.

Электромобили (EV): 

Электромобилям нужны компактные и прочные компоненты для корпусов батарей, систем управления и разъемов, и цинк демонстрирует перспективность благодаря своей точности и как металл, экранирующий электромагнитные помехи (ЭМП).

Умная оснастка: 

В массовом производстве использование искусственного интеллекта и машинного обучения для обслуживания штампов также помогает сократить срок службы штампов и уменьшить количество дефектов.

Заключение

Литье под давлением с цинком это не просто метод производства, это выигрышная стратегия для достижения конкурентного преимущества в автомобилестроении. Она представляет собой оптимальное сочетание механической прочности, гибкости конструкции, экономической эффективности и экологичности. Поскольку автомобили становятся все легче, экологичнее и сложнее, литье под давлением цинка играет важную роль в создании следующего поколения автомобильных компонентов. Цинк находит огромное применение в автомобилестроении - от небольших ручек в салоне до мощных конструкций под капотом. Когда инновации продолжат совершенствовать его применение, ближайшие годы обеспечат еще более широкое внедрение на платформах обычных, гибридных и электрических автомобилей.