Цинк: роль в металлообработке

О чем речь? Цинк – голубовато-серый металл, использующийся в медицине, промышленности, полиграфии и других сферах. До XVIII века не был известен из-за сложности получения сплава из руды, так как в чистом виде не встречается.

На что обратить внимание? Сегодня цинк наиболее известен как материал для антикоррозионной защиты, хотя выпускается и в виде проката. На практике сложности возникают со сваркой изделий с цинковым покрытием.

Получение и свойства цинка

Цинк входит в состав различных руд и в чистом виде в природе не встречается. Для получения этого элемента необходимо выполнение химических и термических операций, которые позволяют получить различные концентраты металла, в том числе серной кислоты.

Получить оксид цинка можно несколькими путями. Например, обожженный концентрат спекают до образования зернистого и газопроницаемого состава, после чего коксуют (подвергают угольной обработке при высокой температуре). В процессе пары металла выпадают в виде конденсата, который собирают в специальные формы.

Для восстановления цинка используют, к примеру, роторный (ручной) способ. Кроме того, металл получают при помощи механизированных систем и дуговых электропечей, а также шахтных печей. Несмотря на усовершенствование технологий выделения цинка из руды, в готовом элементе присутствует большое количество примесей.

Для очищения металла от примесей используют высокотемпературное отстаивание, позволяющее добиться чистоты материала до 98 %. Применение дорогостоящей и трудоемкой очистки дает на выходе элемент с чистотой до 99,9 %, в котором отсутствуют добавки, в том числе свинца и железа. Однако полностью удалить посторонние элементы не удастся, небольшой их процент будет присутствовать. Чаще всего среди инородных компонентов встречается кадмий.

Для получения цинка с чистотой до 99 %, в котором отсутствует также кадмий, требуется более сложная обработка при помощи серной кислоты. Примеси удаляются при взаимодействии обожженных концентратов с металлом. Полученный раствор затем подвергается электролизу, в результате которого Zn оседает на катодах, а затем снимается в специальных печах при высокой температуре.

В процессе очищения металла образуются отходы, из которых изготавливают цинковый купорос.

Цинк – светло серебристый металл, хрупкий при комнатной температуре. При сгибании цинковых изделий можно услышать характерный треск, который издают кристаллы элемента под воздействием трения. При нагревании до температуры свыше +100 °С он становится пластичным. Наличие примесей существенно повышает его хрупкость.

Zn – химический элемент, образующий амфотерные соединения. Вступая во взаимодействие с кислородом, он покрывается пленкой, образуя оксид цинка. При этом реакция с кислотами и щелочами возникает только при добавлении некоторого количества сульфата меди. Под воздействием температуры металл взаимодействует с галогенами, образуя галогениды. Для образования фосфидов необходимо добавление фосфора, халькогенидов – серы или ее аналогов, нитрида цинка – аммиака и нагревания до +500…+600 °С. Металл не взаимодействует с азотом и бором.

Применение прокатного цинка

Из цинка изготавливают полосы и листы, которые в дальнейшем применяют в строительной сфере, а также для производства сухих батарей.

Для изготовления листов металл непрерывно разливают, а затем пропускают через прокатные станки. Кристаллическая структура нелегированного материала меняется при комнатной температуре, поэтому повысить его прочность при обработке невозможно. Но, несмотря на низкие механические свойства, прокатанный Zn находит применение в различных сферах. К примеру, из узкой цинковой ленты штампуют круглые или шестиугольные заготовки для аккумуляторов, в дальнейшем на автоматических прессах их преобразуют в цилиндрические банки, из которых затем формируют аноды элементов Лекланше. Для производства высоковольтных элементов используют листы, произведенные из цинкового порошка.

Также из рулонов цинковой ленты изготавливают монеты, которые впоследствии покрывают медью.

В Европе цинковыми листами облицовывают кровли, водосточные желоба и трубы. Увеличение спроса на этот металл обусловлен разработкой его сплавов, содержащих в своем составе медь и титан. В процессе их создания элементы титана и цинка выравниваются в направлении прокатки, повышая прочностные характеристики сплава, устойчивость к остаточной деформации при постоянном приложении напряжения. Мелкий размер зерен обеспечивает высокую пластичность сплава при нормальной и низкой температуре, расширяя возможности обработки, заготовки легко подвергаются гибке, штамповке, резке, растяжению, экструзии, ковке и холодной штамповке.

Добавление в цинковый сплав 22 % алюминия повышает его пластичные свойства. При комнатной температуре он обладает обычными характеристиками металла, а при нагревании легко подвергается формовке. Листы цинка формуются в вакууме и под давлением.

Виды и применение сплавов цинка

Для маркировки цинковых сплавов используют литеру Ц, а также буквы и цифры, обозначающие название легирующих элементов и их процентное содержание в составе. К примеру, маркировка ЦА4 означает, что в сплаве, помимо Zn присутствует 3,5–4,5 % алюминия и 0,02–0,06 магния.

В большинстве случаев для литья под давлением используют цинковые сплавы марок ЦА4, ЦА4о, ЦА4М3, ЦА4М1, ЦА4М1в, ЦА30М5.

Цинковые сплавы широко используют в литейном производстве. Литье под давлением позволяет изготавливать мелкие детали, которые в дальнейшем находят применение в автомобилестроении, машиностроении, электротехнической промышленности, при производстве бытовой техники, мебельной фурнитуры, замков и т. д.

Сплавы разных марок обладают определенными особенностями, влияющими на сферы их применения:

• ЦА4о, ЦА4 подходят для изготовления элементов приборов, в которых существенное значение имеют стабильные размеры;
• ЦА4М1 используют для производства различных деталей и изделий (корпусов, арматуры, декоративных элементов), которые необязательно должны отличаться высокой точностью;
• из ЦА4М1в отливают неответственные элементы;
• из ЦА4М3 создают высокоточные детали;
• из ЦА30М5 изготавливают вкладыши подшипников, червячные шестерни, втулки балансирной подвески.

Преимущества литья из цинка под давлением заключаются в следующем:

• Практически неизменные линейные размеры заготовок, а также низкая температура плавления при высокой текучести позволяют изготавливать детали, толщина стенок которых не превышает 0,5 мм.
• Отсутствие взаимодействия с материалами, из которых изготавливают формы и тигли для отливки, обуславливает возможность создания деталей и заготовок сложной конфигурации, а также применение оборудования, оснащенного горячими камерами.
• Низкая температура плавления цинка (около +380…+385 °С) и возможность литья при невысоком давлении увеличивают сроки эксплуатации пресс-форм до 500 тыс. циклов и более.
• Механические и антифрикционные свойства многих сплавов на основе цинка выше, чем у алюминиевых соединений, что позволяет обрабатывать изделия и заготовки из них защитными и декоративными покрытиями, не прибегая к предварительной отделке. Они легко переносят такие виды обработки, как полировка, покрытие лаком и эмалью.

Структура и свойства такого металла, как цинк, зависят от того, какие примеси присутствуют в составе сплава:

• для повышения прочности и жидкотекучести, снижения окисляемости заготовок в соединение добавляют алюминий;
• увеличение прочностных, износостойких и жидкотекучих характеристик достигается за счет введения в состав меди, однако этот элемент может привести к изменению размера отливок, поэтому его содержание в сплаве не должно превышать 1 %;
• повысить устойчивость к межкристаллитной коррозии (МКК), а также минимизировать негативное воздействие вредных примесей помогает добавление магния, однако во избежание горячеломкости готовых деталей и заготовок необходимо следить за тем, чтобы в составе сплава его было не более 0,1 %;
• к вредным примесям, повышающим вероятность возникновения межкристаллитной коррозии, относятся олово, кадмий и свинец.

Сварка оцинкованных изделий

Цинк – токсичный металл, плавящийся при температуре +420 °С и переходящий в газообразное состояние при +906 °С. Этими свойствами обусловлена сложность сварки оцинкованных заготовок. Проникая в структуру материала, он снижает качество сварного шва, а, попадая в организм человека, ухудшает состояние его здоровья.

Во избежание негативных последствий при сварке изделий из цинка важно следовать двум правилам:

• предотвращать попадание цинковых молекул в шов;
• защищать органы дыхания и обеспечивать хорошую вентиляцию в помещении, в котором выполняются сварочные работы.

Второй пункт имеет существенное значение, поскольку последствия для здоровья при отравлении парами цинка могут быть весьма серьезными, включая:

• поражение дыхательных органов;
• токсическую пневмонию;
• пневмосклероз;
• отек легких;
• онкологические заболевания;
• летальный исход при тяжелом отравлении.

Для минимизации негативного воздействия паров цинка следует использовать защитный респиратор даже при выполнении сварочных работ, в том числе на открытом воздухе.

Сварочные работы состоят из двух этапов:

• подготовки;
• сварки.

Второй этап может отличаться в зависимости от типа используемого сварочного оборудования, однако подготовительный этап в любом случае будет одинаковым.

Подготовка включает в себя несколько ступеней:

С заготовки удаляют цинк

Для удаления цинкового слоя со свариваемой детали можно воспользоваться одним из ниже приведенных способов:

• Механический – предполагает использование любого абразивного инструмента (наждачной бумаги, металлической щетки, абразивного круга и т. п.).
• Химический – заключается в нанесении на поверхность заготовки щелочного или кислотного растворителя, которые можно приобрести в магазине хозяйственных товаров (необходимое для удаления время зависит от качества состава и толщины цинкового слоя), а затем ее тщательной промывке и просушке.
• Горячий – состоит в обработке краев свариваемых деталей газовой горелкой (этот способ требует обязательного применения защитного респиратора, а также работы в хорошо проветриваемом помещении, поскольку процесс испарения цинка будет сопровождаться выделением токсичных паров).

При сварке оставшийся цинк будет выгорать, в связи с этим необходимо удалять слой с запасом, на расстоянии 3 см от места будущего сварного шва.

Подбор подходящего электрода

Выбор электрода зависит от марки свариваемых металлов:

• АНО-4, МР-3, ОЗС-4 позволяют работать с низкоуглеродистыми металлами и сплавами. Присутствующий в их составе оксид титана облегчает зажигание дуги, повышает прочность и герметичность шва, снижает разбрызгивание жидкого металла.
• УОНИ-13/45,55 и ДСК-50 подходят для работы с низколегированными сплавами за счет присутствия большого количества флюса.

Выбор подходящей присадочной проволоки

Функция присадочной проволоки заключается в том, чтобы повысить прочность сварного шва. При ее выборе следует исходить из температуры плавления. Оптимальной будет +900…+1100 °С, такие электроды в процессе плавки не разрушают структуру металла заготовок.

На сегодняшний день ассортимент присадочных проволок достаточно широк, ниже перечислим основные виды:

• CuSi₃ – распространенная проволока, в составе которой присутствует 97 % меди. Готовый шов не отличается высочайшей прочностью, однако легко обрабатывается. Наличие в составе присадки кремния обуславливает ее сильное плавление и растекание в процессе сварки.
• Autrod 19.30 с марганцем, кремнием и серой в составе повышает прочностные характеристики сварного шва.
• CuSi₂Mn обеспечивает создание сварного шва высокой прочности, который плохо поддается дальнейшей обработке.
• CuAI₈ подходит для работы с заготовками из металлов, покрытых цинко-алюминиевыми составами.

Все сварочные работы, независимо от типа используемого оборудования, должны выполняться с соблюдением определенных правил:

• для создания качественного сварного соединения стоит использовать метод наплыва с частым отрывом электрода от зоны шва;
• в процессе выполнения работ не следует торопиться, сварочную ванну лучше увеличивать медленно, не допуская резких движений электрода во избежание повреждения шва;
• если в процессе подготовки к сварке не был удален цинковый слой, важно сначала дождаться его полного выгорания и начала расплавления металла заготовки;
• при обработке краев деталей толщиной свыше 4 мм следует использовать метод нанесения фаски глубиной в 1/3 от толщины металла;
• обязательно пользоваться защитными средствами (профессиональными респираторами), работать в тщательно проветриваемых помещениях, внимательно следить за состоянием здоровья, при возникновении даже незначительных признаков отравления парами цинка незамедлительно обращаться за медицинской помощью.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.