Zink är en mångsidig och viktig metall med viktiga roller i ett brett spektrum av industriella, kommersiella och biologiska tillämpningar. Zink används industriellt, inom byggbranschen och för skyddsbeläggningar på grund av sin höga korrosionsbeständighet och sitt blåaktiga silverutseende. En av dess mest värdefulla egenskaper är dess förmåga att bilda mycket starka legeringar, särskilt med aluminium, koppar och magnesium, och det förbättrar styrkan och hållbarheten avsevärt. När det gäller tillverkningsprocesser som pressgjutning gör dessa egenskaper zink extremt lämpligt. Zink är också känt som ett specialmaterial inom fordonsindustrin eftersom det inte finns något annat material med sådana mekaniska egenskaper och samtidigt med så många tillverkningsfördelar. Det kan användas för att skapa mycket komplexa och detaljerade former med lite maskinarbete, vilket gör dem perfekta för både dekorativa och funktionella fordonskomponenter. Dessutom har den en låg smältpunkt, vilket ger lägre energianvändning under produktionen, i enlighet med globala hållbarhetsmål. Zinkens betydelse ökar i takt med att fordonstekniken utvecklas. De flesta systemdelar till flygplan kan nu tillverkas av zink eftersom det stöder högvolymsproduktion med utmärkt delkonsistens, vilket gör det till ett kritiskt material, inte bara för de nuvarande systemkonstruktionerna, utan även för deras nya konstruktioner för framtiden.

Vad är pressgjutning av zink?

Zinkdruckgjutning är en precisionstillverkningsprocess som innebär att smält zinklegering injiceras i en anpassad form (även kallad gjutform) under högt tryck och vid högt tryck för att forma metalldelar. Den används normalt för tillverkning av komplexa, detaljerade komponenter med snäva toleranser, fin ytfinish och höga mekaniska egenskaper.

Zinkgjutning har utmärkta mekaniska egenskaper och kombinerar hög precision på samma gång. Det gör det möjligt att tillverka komplicerade detaljer med snäva toleranser och slät ytfinish och är användbart för de krav som ställs på dagens fordonsdesign.

Varför zink? Viktiga materialegenskaper

På grund av flera unika egenskaper är zink att föredra i pressgjutningsprocessen.

Hög hållfasthet och formbarhet

Eftersom den är starkare än många andra metaller som pressgjuts används zinklegeringar i tunnväggiga applikationer.

Utmärkt dimensionell noggrannhet

Zinkgjutning är en del som bibehåller sina former och storlekar med stor konsistens vilket hjälper till att skära bort från efterbehandling.

Överlägsen korrosionsbeständighet

Zink är naturligt motståndskraftigt mot korrosion, särskilt om det förses med ytterligare beläggningar. Det är avgörande för delar som används i fordon under de olyckliga väg- och väderförhållanden som råder.

Hög fluiditet

Den smälta zinken flyter mycket lätt, och dessa detaljer med små detaljer och tunna väggar kunde gjutas med framgång.

Kostnadseffektiva verktyg

Zinkgjutning har fördelar med verktyg med lång livslängd jämfört med aluminium eller magnesium; därför är det mer ekonomiskt fördelaktigt att använda zink om man vill ha en stor produktionskörning.

Återvinningsbarhet

Bilindustrins övergång till ökad hållbarhet innebär också att zink är ett miljövänligt material som är 100% återvinningsbart utan att förlora sina egenskaper.

Tillverkningsprocess: Steg-för-steg-översikt

1. Konstruktion och verktyg:

CAD-programvara används av ingenjörer för att konstruera komponenten. Därefter tillverkas en stålform med hög precision och ett stort antal hålrum för att bygga flera delar i en enda cykel.

2. Smältning av zinklegeringen:

Vid cirka 420°C smälts zink, lägre än aluminium och med betydligt lägre energikostnader.

3. Injektion:

Vanligtvis sprutas den smälta zinken in i formen med ett tryck på 1.500 - 25.000 psi, tillräckligt högt för att säkerställa att formen fylls snabbt och jämnt.

4. Kylning och stelning:

När zinklegeringen kommer in i verktyget kyls den snabbt och stelnar (på några sekunder).

5. Utvisning:

Utskjutningsstiften skjuter sedan ut den nyformade delen från verktyget.

6. Trimning och efterbehandling:

Delen kan bli föremål för ytterligare efterbehandling, t.ex. gradning, polering, målning eller beläggning, och överskottsmaterialet (flash) avlägsnas.

7. Kvalitetskontroll:

Vissa komponenter inspekteras med avseende på måttnoggrannhet, ytdefekter och mekanisk integritet, vilket ofta sker med automatiserade system eller 3D-skannrar.

Vanliga zinklegeringar som används inom fordonsindustrin

Inom fordonsindustrin är det viktigt att välja rätt zinklegering eftersom legeringens egenskaper spelar en viktig roll för prestanda, tillförlitlighet och kostnadseffektivitet. Tillverkarna kan matcha material till specifika applikationer beroende på vilken balans mellan styrka, duktilitet, flytbarhet och korrosionsbeständighet som olika legeringar har att erbjuda i varierande grad. De vanligaste zinklegeringarna i gjutning av bilar anges nedan.

1. Zamaklegeringar (zink-aluminiumlegeringar)

Det primära legeringselementet i en familj av zinklegeringar som kallas zamak är aluminium vid ca 4%. Namnet kommer från de tyska namnen på de metaller som används: Zink, Aluminium, Magnesium och Kopper (koppar).

Zamak 3:

• Det är den mest använda zinklegeringen för pressgjutning.
• Ger utmärkt dimensionsstabilitet, god ytfinhet och gjutbarhet.
• Dessa ytor är vanliga i interiörkomponenter som dörrhandtag, knoppar och lister.

Zamak 5:

• Den är något mer kopparhaltig än Zamak 3 och erbjuder högre hållfasthet och hårdhet.
• Lämplig för applikationer med mekanisk belastning, t.ex. konstruktionsfästen.

Zamak 2:

• Den starkaste och hårdaste av Zamak-legeringarna.
• Detta används i låssystem eller växelhus där slitstyrkan är kritisk.

2. ZA-legeringar (zink-aluminium)

ZA-legeringar (ZA-8, ZA-12, ZA-27) har högre Al-innehåll än Zamak och har högre hållfasthet och slitstyrka. De används i allmänhet vid gravitationsgjutning, i vissa fall förmodligen även vid pressgjutning.

ZA-8:

• Innehåller 8% aluminium.
• Ger god hållfasthet och måttliga gjutegenskaper.
• Lämplig för strukturella komponenter i lättviktsfordon.

ZA-12 och ZA-27:

• Svårt att gjuta, men högre hållfasthet.
• Används i halvstrukturella applikationer eller delar, där det utsätts för friktion.

3. ACuZink5

Det är en speciell zink-koppar-aluminiumlegering avsedd att uppnå Zamaks gjutbarhet och ZA-legeringarnas hållfasthet.

• Extremt hög hållfasthet och överlägsen slitstyrka.
• Används i växelhus, ställdon och mekaniska kopplingar i fordonssystem.
• Det nya materialet är idealiskt för att ersätta maskinbearbetad brons och stål i applikationer där hållbarhet är nödvändig.

4. EZAC (Enhanced Zinc-Aluminum-Copper)

EZAC är en relativt ny legering med mycket hög hållfasthet och krypbeständighet upp till förhöjda temperaturer.

• Bra för delar som måste hålla form och styrka även under belastning, t.ex. monteringsdelar eller motorer.
• Den har dubbelt så hög hållfasthet som Zamak 3, men kräver mer avancerade verktyg.

5. Zink-nickellegeringar

Zink-nickelplåt är mindre vanligt än zinkgjutning för dessa områden, men det används ofta för att förbättra korrosionsbeständigheten (särskilt salt och fukt) för delar under huven eller underredet.

• Att välja rätt legering
• Valet av zinklegering beror på flera faktorer
• Mekaniska krav (draghållfasthet, slagtålighet)
• Behov av ytfinish
• Kostnad och produktionsvolym
• Exponering för miljöpåverkan (värme, korrosion)

Därför samarbetar ingenjörer ofta med materialforskare och leverantörer för att välja en legering som är så väl lämpad för uppgiften som kostnaden tillåter, och som uppfyller både prestanda- och kostnadsrestriktioner.

Zinkgjutningens roll inom fordonsindustrin

Zinkpressgjutning har stor betydelse inom fordonstillverkningen på grund av hög precision, hög hållfasthet och ekonomisk tillverkning av små till medelstora komponenter. Processen gör det möjligt att tillverka komplexa delar med hög precision på mycket kort tid och är utmärkt för högvolymstillämpningar inom fordonsindustrin.

Zinklegeringarnas utmärkta mekaniska egenskaper, såsom hållbarhet, korrosionsbeständighet och dimensionsstabilitet, erhålls. Det är dessa egenskaper som gör zink till det bästa valet för dörrhandtag, fästen, lås, emblem etc. som bildelar. Det är också lätt att plätera eller måla eftersom det har en slät ytfinish.

Även om zink är tyngre än aluminium eller magnesium kan det vara konkurrenskraftigt för applikationer där vikt inte är högsta prioritet när det gäller styrka och detaljer. Tack vare sin låga smältpunkt kräver zink mindre energi och har en lång livslängd på verktygen. Zink är också 100% återvinningsbart, vilket bidrar till att påskynda fordonsindustrins arbete med att främja hållbarhet.

Zinkpressgjutning ger fortfarande tillförlitliga och högkvalitativa lösningar för krävande applikationer inom fordonsindustrin i takt med att fordonskonstruktionerna utvecklas.

Fysikaliska och kemiska egenskaper hos zink 

Fysikaliska egenskaper hos zink

1. Utseende:

Den termoelektriska blåaktiga silver- eller gråaktiga metallen har en skinande metallisk lyster när den är nypolerad.

2. Täthet:

Eftersom zink vid rumstemperatur har en densitet på ca 7,14 g/cm³ är den måttligt tung i jämförelse med andra metaller.

3. Smältpunkt:

Vid en relativt låg temperatur på 419,5°C (787°F) är zink dock lämpligt för termiska processer, t.ex. pressgjutning, där låg energiförbrukning är önskvärd.

4. Kokpunkt:

Zink kokar vid 907°C (1665°F).

5. Hårdhet:

Zink är ca 2,5 på Mohs hårdhetsskala, vilket innebär att det inte är för hårt jämfört med stål, men inte heller för mjukt som rent tenn eller bly.

7. Elektrisk konduktivitet:

Men medan koppar och silver är mycket goda ledare av elektricitet är zink inte riktigt lika ledande. På grund av denna egenskap används det ofta i batterier och galvanisering.

8. Termisk konduktivitet:

Den måttliga värmeledningsförmågan hos zink gör den användbar för att hantera värme, men den är mindre effektiv än aluminium.

9. Formbarhet och duktilitet:

Zink är sprött och kan därför lätt gå sönder vid rumstemperatur. Det är dock formbart när det värms upp till cirka 100-150°C (212-302°F), och då kan man lätt forma dem.

10. Kristallstruktur:

Dessutom kristalliserar binära föreningar av zink i en hexagonal tätpackad (hcp) struktur som påverkar de mekaniska egenskaperna, särskilt sprödheten vid lägre temperaturer.

Kemiska egenskaper hos zink

1. Reaktivitet med luft:

När zink kommer i kontakt med luft bildas ett tunt lager av zinkoxid (ZnO) på ytan. Zink på ovansidan förhindrar djupare korrosion och är därför mycket motståndskraftigt mot atmosfärisk oxidationsrostning.

2. Reaktivitet med syror:

Utspädda syror som den utspädda syran saltsyra (HCl) kan lätt reagera med zink och avge vätgas (H₂). Denna egenskap gör därför zink användbart vid galvanisering och som offeranoder för korrosionsskydd.

3. Amfoterisk natur:

Zink är amfotert och kan påverkas av både syror och starka baser. Zink reagerar t.ex. med natriumhydroxid (NaOH) och ger natriumzinkat.

4. Legeringsbildning:

Zink legerar lätt med flera metaller, inklusive koppar, för att producera mässing, aluminium, magnesium och många andra metaller.

5. Oxidationstillstånd:

Zinkens oxidationstal +2 (Zn²⁺) är det vanligaste. Detta oxidationstal kombineras med zinkföreningar som zinkoxid (ZnO) och zinksulfat (ZnSO₄).

6. Motståndskraft mot vatten:

Rent vatten reagerar inte med zink vid rumstemperatur, men vid högre temperaturer kan zink reagera med det och långsamt bilda vätgas och zinkoxid.

7. Galvanisk aktivitet:

Anodmaterialet, zink, är mycket effektivt eftersom det lätt förlorar elektroner i galvaniska celler (batterier).

Zink jämfört med andra material i fordonstillämpningar

Till skillnad från aluminium, magnesium, plast eller stål har zinkgjutning flera fördelar. Zink glänser för sin nyckelprestanda och kostnad i fordonsdesign, och även om varje material kan ha sin plats i fordonsdesign, är zink särskilt effektivt i dessa parametrar.

Zink vs Aluminium:

I en form som ofta väljs för sin lätta vikt är aluminium för svagt och för mjukt vid låga tjocklekar jämfört med zink. Dessutom ger zink bättre dimensionsstabilitet och ytterligare komplexa geometrier kräver inte omfattande maskinbearbetning. Verktyg för denna typ av gjutning tenderar också att hålla under längre perioder, vilket innebär att de långsiktiga produktionskostnaderna är lägre.

Zink vs Magnesium:

Zink är lättare än magnesium men är dyrare när det köps utan särskild ytbehandling. Zinklegeringar har dock utmärkt korrosionsbeständighet och kräver inga ytterligare ytbehandlingar för att bli beständiga i de flesta miljöer. Dessutom ger gjutning av zink bättre gjutprecision och finish.

Zink kontra plast:

Plast är dock lätt, billigt, men jämförelsevis svagare, står inte emot temperaturer särskilt bra och är mindre hållbart än metall. Zinkkomponenter som tål slitage, stötar eller belastning är ett bra alternativ när strukturell integritet, livslängd och motståndskraft mot skador från stötar eller slitage är viktigt, i synnerhet när det gäller rörelser eller belastning.

Zink vs stål:

Stål är ett bra material som är starkt och används ganska ofta i strukturella applikationer, men det är mycket tyngre och i många fall dyrare att forma till ornerade former. Zinkgjutning, eftersom den producerar delar med nära nettoform med minimal efterbearbetning, är väl lämpad i fall där små och medelstora komponenter ska produceras.

I allmänhet ger zink en bra balans mellan mekanisk styrka, kostnad, formbarhet och ytfinish och är därför ett utmärkt material för fordonsdelar oavsett funktion.

Sammanfattande tabell över zinkens viktigaste egenskaper

Tillämpningar av zinkgjutning inom fordonstillverkning

En mängd olika komponenter till fordon kan bearbetas genom zinkgjutning. Några av de vanligaste är t.ex.

1. Invändiga komponenter:

• Dörrhandtag
• Beslag för säkerhetsbälten
• Spakar för instrumentbräda
• Vred och strömbrytare för HVAC

Komponenterna i dessa har hög precision, den taktila känslan måste vara god och passformen måste vara perfekt. Zinkens förmåga att ge fina ytdetaljer och måttnoggrannhet lämpar sig väl för dessa delar som syns och används ofta.

2. Utvändiga komponenter:

• Emblem och logotyper
• Dörr- och bagagelås
• Spegelfästen
• Komponenter till torkarsystemet

Eftersom buller emellertid ofta indikerar orsaken till buller och platsen för dess orsak inte är lika viktig som själva bullret, används korrosionsbeständighet och styrka för användning efter miljöexponering och ger utseende och funktion.

3. Komponenter under huven:

• Delar till förgasare
• Delar till bränslesystemet
• Ventilhus
• Skydd för kuggrem

Både termisk stabilitet, hållfasthet och slitstyrka är avgörande för dessa delar. Komplexa geometrier, toleranser med hög precision och applikationer med vätskeburna motorsystem uppnås genom zinkgjutning.

4. Strukturella delar:

• Fästen
• Monteringsplattor
• Chassistöd (i mindre fordon)

Även om zinkkomponenter inte används för primärt lastbärande konstruktioner har de styvhet och tillförlitliga mekaniska egenskaper som gör dem användbara för att stödja ramar och enheter.

Zinkens flexibilitet uppfyller dekorativa och funktionella krav i alla fordonsklasser. På grund av sin kapacitet att minska efterbearbetning, EMI-skärmning och komponentkonsolidering utvidgas zinkgjutning till fler och fler elektriska och konventionella plattformar.

Fördelar med pressgjutning jämfört med andra pressgjutningsmaterial

Även om aluminium och magnesium också har använts inom fordonsindustrin har zink en fördel:

Det är lätt att se att för små till medelstora komponenter där precision och styrka är av stor betydelse är zinkgjutning ett mycket bra alternativ.

Utmaningar inom pressgjutning av zink

Zinkgjutning har vissa nackdelar:

Vikt:

Zink är för tungt för att användas i chassin till elfordon och andra applikationer där viktminskningen är avgörande, eftersom det är tyngre än aluminium eller magnesium.

Termiska egenskaper: 

Värmeledningsförmågan hos zink är lägre än hos aluminium, så den är inte lämplig för värmeavledande delar som motorradiatorer.

Begränsningar i storlek:

Verktygen kan t.ex. inte användas för gjutning av mycket stora komponenter, och stelningsdefekter kan uppstå.

Ja, med hjälp av intelligent teknik och hybridmaterialdesign kan de flesta av dessa utmaningar hanteras.

Miljö- och hållbarhetsfaktorer

Zinkpressgjutning sticker ut eftersom den globala fordonsindustrin lutar sig mot grönare metoder.

100% Återvinningsbarhet:

Skrot från zinkgjutning samlas in och bearbetas utan försämring.

Energieffektivitet:

Eftersom aluminium har en mycket högre smälttemperatur är energiförbrukningen betydligt lägre än för aluminium.

Lång livslängd för verktyg: 

Det förlänger verktygens livslängd och minskar antalet verktygsbyten, vilket innebär mindre spill och tid utan produktion.

Därför lockas företag som arbetar för att uppfylla strängare miljöbestämmelser av zink eftersom det är ett utmärkt alternativ som inte kompromissar med kvalitet eller prestanda.

Innovationer och framtida trender

Tunnväggsteknik:

Med hjälp av avancerade verktyg och mer lättflytande zinklegeringar kan man nu tillverka detaljer med extremt tunna väggar, vilket minskar vikten utan att förlora i hållfasthet.

Hybridmonterade enheter: 

Dessutom används zinkdelar i allt större utsträckning i kombination med plast eller andra metaller för multifunktionella delar.

Elektriska fordon (EV): 

Elbilar behöver kompakta och robusta komponenter för batterihöljen, styrsystem och kontakter, och zink är lovande tack vare sin precision och som EMI-skyddande metall (elektromagnetisk interferens).

Smarta verktyg: 

Vid massproduktion bidrar användningen av AI och maskininlärning för verktygsunderhåll också till att minska verktygens livslängd och antalet defekter.

Slutsats

Pressgjutning av zink är mer än en tillverkningsmetod; det är en vinnande strategi för att uppnå en konkurrensfördel för fordonsindustrin. Den ger en kombination som är optimal när det gäller mekanisk styrka, designflexibilitet, kostnadseffektivitet och hållbarhet. Eftersom fordon går mot att bli lättare, mer miljövänliga och mer sofistikerade, har zinkgjutning en viktig roll att föra den framåt som nästa generation av fordonskomponenter. Zink har en enorm användning från små interiörknoppar till kraftfulla strukturer under huven i fordonstillverkningen. När innovationer fortsätter att förfina deras tillämpning kommer de kommande åren att ge ännu bredare användning på konventionella, hybrid- och elektriska fordonsplattformar.