Цинковые сплавы: характеристики и применение

О чем речь? Цинковые сплавы применяются в различных сферах: машиностроении, производстве бижутерии, медицине. Данные соединения характеризуются повышенной пластичностью, отличными литейными свойствами и отсутствием реакции с железом.

На что обратить внимание? Наиболее популярны сплавы цинка с медью, алюминием или оловом. Некоторые примеси оказывают обратный эффект, ухудшая качества материала, к таким относят свинец, мышьяк и кадмий. Однако избыточная концентрация той же меди тоже неблагоприятно сказывается на характеристиках.

Свойства цинка и его сплавов

Цинк обладает невысокими механическими характеристиками. В нормальных условиях он хрупкий, но при температуре +100…+150 °С становится пластичным, легко обрабатывается и прокатывается в тонкие листы. Добавление таких элементов, как свинец, олово, медь, алюминий и магний, повышает прочность и температуру плавления.

Цинк – химически активный металл. При температуре +100 °С в результате контакта с воздухом на его поверхности образуется оксидная матовая пленка. Влажность и наличие углекислого газа разрушают этот металл. Он подвержен воздействию кислот и щелочей, поэтому для индустриального использования применяют его сплавы.

Соединения на основе цинка обладают хорошими литейными свойствами. В расплавленном состоянии они используются для производства отливок, имеющих сложную форму, глубокие полости, резьбу и тонкие стенки. Отлитые детали не застревают в формах благодаря отсутствию реакции с железом. Литые изделия отличаются высокой точностью и чистотой поверхности. Сплавы металла отличаются прочностью, твердостью, легко поддаются обработке, включая пайку и сварку.

Недостатком цинковых сплавов является их склонность к старению, а также высокая плотность и коррозионная чувствительность. В процессе старения такого соединения размер деталей уменьшается. Большая часть усадки происходит в первые пять недель, а сам процесс продолжается длительное время. Для компенсации сокращения размеров детали отжигают. Снижение коррозии достигается за счет уменьшения содержания магния до 0,1 %. Для увеличения срока службы заготовки подвергают защитной металлизации никелем, хромом, кадмием.

Примеси цинковых сплавов

Далее рассмотрим, как добавки влияют на свойства цинка:

Количество включений зависит от метода добычи, качества исходного материала и технологии обработки. В производстве стремятся минимизировать присутствие примесей, поскольку это негативно сказывается на свойствах сплава.

В чистом виде цинк используется редко, чаще он применяется в соединении с другими химическими элементами. Самыми распространенными являются сплавы с медью, алюминием, сталью:

С медью

Латунь – это сплав меди с цинком. В XVI веке итальянский алхимик Винсенцо Кассале обнаружил способ создания такого соединения. Это стало важным открытием для развития промышленности, в частности, металлообработки. Изначально этого добивались путем плавления медной руды. В XVIII веке были разработаны более точные методы для получения латуни, что способствовало увеличению ее производства.

В таблице приведены различные виды латуни:

Медно-цинковый сплав обладает прекрасными механическими свойствами и отлично обрабатывается давлением. Однако при нагревании возрастает риск коррозии. Для ее предотвращения применяют дополнительную обработку – отжиг при невысокой температуре.

Латунь сохраняет свои свойства при низкой температуре, но при нагреве примерно до +200 °С становится хрупкой.

С оловом

Сплав из олова и цинка характеризуется высокой степенью защиты. Обычно содержание Sn в нем составляет 75–80 %, а цинка – 20–25 %.

Данное соединение характеризуется такими свойствами, как:

• гибкость и возможность пайки;
• прочность и устойчивость к внешним воздействиям;
• сохранение блеска на долгие годы.

Немногие знают, корродирует ли цинк и его сплавы. Чем больше основного металла, тем меньше вероятность коррозии. Чистый Sn подвержен коррозии при высокой температуре.

Один из видов – оловянно-цинковый припой (ПОЦ), он включает олово и цинк в различных пропорциях. Например, в ПОЦ-12 88 % олова и 12 % цинка. А соединение Zamak содержит примерно 95 % цинка, 4 % олова и 1 % меди.

С алюминием

Соединения на базе цинка, меди и алюминия называют цинк-алюминиево-медными (ЦАМ). Для улучшения физических характеристик добавляется небольшое количество магния.

Алюминиево-цинковые сплавы характеризуются невысокой точкой плавления и прекрасными литейными качествами. Основное назначение – литье под давлением. Альцинк отличается значительной прочностью, что расширяет его применение в изготовлении сложных компонентов.

Виды цинковых сплавов

Цинковые сплавы различаются по своему предназначению:

• Деформируемые. Содержание алюминия 13–17%, меди 4,5-5 % и 0,05 % магния. Подобные соединения имеют механические свойства, сходные с латунью. В их основе твердый раствор легирующих присадок с гексагонально-плотным кристаллическим строением. Предел прочности составляет от 300 до 480 МПа, относительное удлинение 8–30 %, твердость по шкале Бринелля – от 750 до 1150 МПа. Слитки деформируемых сплавов производят методами наполнительного литья и полуавтоматического формования, затем из них получают различные полуфабрикаты.
• Литейные. Сплавы на цинковой основе, содержат примерно 3,5–4,3 % алюминия, 0,6–3,5 % меди и 0,03–0,06 % магния. Соединения характеризуются высокой текучестью при плавлении, качественным наполнением формы литья, не реагируют с материалами пресс-камеры и формы, что обеспечивает получение деталей сложной формы и точных размеров, не требующих дополнительной обработки поверхности.

  Изделия из этих сплавов обычно изготавливаются методом литья под давлением, иногда используется литье в песчаные или металлические формы. В составе данных соединений, помимо твердого раствора на основе цинка, имеются различные эвтектические компоненты.

• Антифрикционные. Сплавы на основе цинка, содержат 9–12 % алюминия, 1–5,5 % меди и 0,03–0,06 % магния. В структуре данных соединений присутствуют мягкие (в основе алюминий) и твердые (на базе цинка и меди) компоненты, обеспечивающие низкий коэффициент трения (µ = 0,009) и необходимую адаптивность подшипника скольжения к валу. В сравнении с тинбронзой и баббитами они обладают более высоким коэффициентом термического расширения (α).

  Получают сплавы методом литья под давлением. Из них делают моно- и биметаллические подшипники скольжения, втулки, направляющие, замещают оловянно-бронзовые соединения и баббиты в узлах трения металлообрабатывающих станков, прессов, подъемно-транспортных машин и устройств.

• Припои. Имеют различный состав. Кроме алюминия (2–21 %) и меди (3–16 %), они могут включать кадмий (20–41 %), олово (0,5–40 %), а также серебро (4-5 %), свинец (0,5–1,5 %) и другие элементы. В структуре данных материалов присутствуют различные компоненты одновременной кристаллизации. Ее температура варьируется в пределах от +163…+346 °C (сплав с кадмием и оловом) до +480…+490 °C (с алюминием и медью).

  Припои применяются для пайки изделий из алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Наивысшую прочность и достаточную пластичность имеют при содержании в составе более 30 % олова, однако во влажной среде места пайки требуют защиты от коррозии с использованием красок и лаков.

• Полиграфические. В составе цинкового сплава для типографии 2,2–7,5 % алюминия, 0,06–4,5 % меди и 1,2–1,8 % магния. Такие соединения используются в полиграфии для литья шрифтов машинного и ручного набора. Они обладают высокой литейной способностью, хорошей текучестью, износостойкостью, заменяя опасные свинцовые сплавы в литографии.
• Защитные. Содержат 0,2–0,7 % алюминия, а также добавки магния (0,2 %) и марганца (0,2 %) или титана (0,1 %) и кремния (0,1 %). Используются для защиты от окисления подводных и внутренних частей морских судов, металлических конструкций. В отличие от аналогичных сплавов на основе алюминия и магния, характеризуются огнестойкостью и безопасностью от взрывов, не выделяют водород при анодном растворении и слабо изменяют pH окружающей среды. Обладают (ЦП1) отрицательным потенциалом в районе 820 мВ, рабочим до 763 мВ, фактической токоотдачей 740–780 Ач/кг и удельным расходом 10,69 кг/А*год.

  К недостаткам цинковых сплавов относят изменение механических свойств и размеров в результате старения, а также низкую устойчивость к коррозии во влажной среде и при нагреве, которую можно повысить нанесением металлических (хром, никель, кадмий) и лакокрасочных покрытий.

Для улучшения свойств изделия из цинковых сплавов подвергают термообработке. При гомогенизации литых соединений используется температурный отжиг (+320…+340 °С), рекристаллизация при +200 °С увеличивает пластичность и снижает анизотропию механических свойств. Для стабилизации размеров заготовки закаляют при температуре +360 °С, а затем старят на протяжении 3–10 часов при +60…+100 °С.

Сферы применения цинковых сплавов

Цинк и его сплавы используют во многих отраслях: от машиностроения до медицины:

• В автомобильной промышленности применяются для создания разнообразных компонентов, включая топливные баки, защитные крышки багажника, карбюраторов, глушители, топливные насосы, радиаторы и фурнитуру.
• В литейном производстве цинковые сплавы применяются для изготовления различных деталей, включая затворы оружия. Данные соединения обладают хорошей текучестью, что позволяет отливать сложные формы и детали.
• Сплавы цинка используют в электротехнике для производства аккумуляторов, батареек и других химических источников тока (отрицательный электрод). Высокая стойкость к коррозии и надежность делают их подходящим выбором для электрических устройств.
• В полиграфической сфере сплавы цинка используют для литья шрифтов, набора текстов и печати иллюстраций.
• В обработке металлоконструкций используются для металлизации и оцинковки поверхностей.
• В медицине сплавы используются для производства антисептических и противовоспалительных средств, для получения радионуклидов.
• В производстве краски применяются для изготовления пигментов.
• В строительной сфере используются для устройства кровли, облицовки стен, оборудования откосов, водосточных труб, желобов.
• В искусстве цинковые сплавы применяют для чеканки монет и создания графических работ.
• В ювелирном деле используют для изготовления украшений и декоративных элементов.
• Из цинковых сплавов изготавливают и кухонную утварь.

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.