Сплавы цинка

Сплавы цинка

Posted on By Natallia

Сплавы цинка – это металлические материалы, состоящие преимущественно из цинка, к которым добавляются различные легирующие элементы, такие как медь, алюминий, магний и другие, чтобы улучшить их физические и механические свойства. Они широко используются благодаря своей прочности, коррозионной стойкости и экономичности в производстве.

Историческая справка

Впервые цинковые сплавы начали использоваться в Древнем Египте и Месопотамии для создания латунных изделий. Латунь, сплав цинка с медью, была ценна за свою прочность и привлекательный золотистый цвет. Из нее изготавливали монеты, украшения и различные утилитарные предметы.

В период античности, особенно в Римской империи, сплавы цинка активно использовались для производства оружия, доспехов и других военных принадлежностей. Это было связано с их высокой прочностью и коррозионной стойкостью, что делало изделия долговечными и надежными.

С развитием технологий в Средние века и в эпоху Ренессанса, применение сплавов цинка расширилось. Латунь стала популярным материалом для изготовления музыкальных инструментов, таких как трубы и колокола, а также декоративных элементов в архитектуре.

В XVIII-XIX веках с началом промышленной революции сплавы цинка стали использоваться в производстве деталей для паровых машин, оборудования и первых автомобилей. Этот период ознаменовался значительным увеличением производства цинка и его сплавов, что стимулировало дальнейшие исследования и разработки в этой области.

В XX веке сплавы цинка нашли широкое применение в авиационной и космической промышленности благодаря своим уникальным свойствам – легкости и высокой прочности. Они также стали незаменимыми в автомобильной промышленности, где их используют для изготовления каркасов, корпусов и других важных компонентов.

Сплавы цинка – основные виды

Латунь 

Латунь – сплав, состоящий из нескольких компонентов. Основными являются медь и цинк (около 50%), где медь – основа, а цинк – легирующий элемент. Иногда в состав латуни добавляются олово (в меньших количествах, чем цинк), никель, свинец, марганец, железо и другие элементы для улучшения свойств сплава.

Физические свойства 

Характеристика Описание
Цвет Латунь обладает золотисто-желтым оттенком, который изменяется в зависимости от содержания меди и цинка.
Температура плавления Температура плавления латуни колеблется в пределах 900-940°C в зависимости от состава.
Коррозионная стойкость Хорошая коррозионная стойкость, особенно в сухих и умеренно влажных условиях. Возможны повреждения в морской воде и влажной атмосфере.
Электропроводность Ниже, чем у чистой меди, но достаточно высокая для использования в электрических соединениях.
Магнитные свойства Не проявляет магнитных свойств.
Плотность Примерно 8500-8700 кг/м³.
Удельная теплоемкость 0.38-0.39 Дж/(г·°C) (380-390 Дж/(кг·°C)).
Удельное электрическое сопротивление Около 0.6-0.8 мкОм·м.

Химические свойства

  1. Взаимодействие с воздухом и кислородом:
    • Латунь медленно окисляется на воздухе, образуя защитную оксидную пленку.
    • Реакция с кислородом: 2Cu+O2​→2CuO
  2. Взаимодействие с углеродом:
    • Латунь не вступает в прямую химическую реакцию с углеродом при обычных условиях.
  3. Взаимодействие с водородом:
    • Латунь не реагирует с водородом при обычных условиях.
  4. Взаимодействие с кислотами:
    • Разбавленные кислоты: Латунь медленно растворяется в разбавленных кислотах, таких как уксусная и лимонная кислоты.
    • Концентрированные кислоты: Латунь активно растворяется в концентрированных кислотах, например, в соляной и серной кислотах:
      • Cu+2H2​SO4​(конц.)→CuSO4​+SO2​+2H2​O
  5. Взаимодействие с щелочами:
    • Латунь устойчива к воздействию щелочей( гидроксид натрия или калия) при комнатной температуре. Однако, при высоких температурах и давлениях, цинк может взаимодействовать с щелочами, образуя цинкаты.
  6. Взаимодействие с менее активными металлами:
    • Латунь может вступать в реакцию с более активными металлами, такими как алюминий и магний, при определенных условиях, образуя интерметаллидные соединения. Однако, взаимодействие с менее активными металлами обычно не происходит.

Цинковый сплав – алюминий цинк(Zamak)

Zamak — это группа цинковых сплавов, легированных алюминием, медью и магнием. Название Zamak является аббревиатурой, образованной от начальных букв немецких слов: Zink (цинк), Aluminium (алюминий), MAgnesium (магний) и Kupfer (медь).

Основные сплавы Zamak и их состав (% соотношение):

  • Zamak 2: Zn 96%, Al 4%, Cu 3%, Mg 0.03%
  • Zamak 3: Zn 96%, Al 4%, Cu 0.03%, Mg 0.03%
  • Zamak 5: Zn 96%, Al 4%, Cu 1%, Mg 0.03%
  • Zamak 7: Zn 99.99%, Al 0.04%, Cu 0.03%, Mg 0.03%

Основные физические свойства

Характеристика Описание
Цвет Серебристо-серый цвет.
Температура плавления Около 380°C – 400°C.
Коррозионная стойкость Высокая коррозионная стойкость благодаря присутствию алюминия, который образует защитный оксидный слой.
Электропроводность Около 27% от электропроводности меди.
Магнитные свойства Zamak не является магнитным материалом.
Плотность Около 6.6 – 6.8 г/см³.
Удельная теплоемкость Около 0.4 Дж/(г·°C).
Удельное электрическое сопротивление Около 6 мкОм·м.
Твердость По шкале Бринелля – 82-130 HB.
Прочность на растяжение 250-400 МПа.
Удлинение при разрыве 2-10%.

Химические свойства

  1. Взаимодействие с воздухом и кислородом:
    • Zamak медленно окисляется на воздухе, образуя защитную оксидную пленку.
    • Реакция с кислородом: Zn+O2
  2. Взаимодействие с углеродом:
    • Zamak не вступает в прямую химическую реакцию с углеродом при обычных условиях.
  3. Взаимодействие с водородом:
    • Zamak не реагирует с водородом при обычных условиях.
  4. Взаимодействие с кислотами:
    • Zamak растворяется в сильных кислотах, таких как соляная и серная кислоты:
  5. Взаимодействие с щелочами:
    • Zamak устойчив к воздействию щелочей при комнатной температуре. При высоких температурах может реагировать, образуя цинкаты:
      • Zn+2NaOH+2H2O
  6. Взаимодействие с менее активными металлами:
    • Zamak может вступать в реакцию с более активными металлами, такими как алюминий и магний, при определенных условиях, образуя интерметаллидные соединения. Однако, взаимодействие с менее активными металлами обычно не происходит.

Цинк-магниевые сплавы

Сплавы цинка с магнием обладают уникальными физическими и химическими свойствами, которые делают их востребованными в различных отраслях, включая авиационную и космическую промышленность.

Основные сплавы и их состав (% соотношение)

  • Zn-Mg1: Zn 99%, Mg 1%
  • Zn-Mg2: Zn 98%, Mg 2%
  • Zn-Mg3: Zn 97%, Mg 3%

Основные физические свойства

Характеристика Описание
Цвет Серебристо-серый цвет.
Температура плавления Около 400°C – 420°C.
Плотность Около 6.5 – 6.7 г/см³.
Удельная теплоемкость Около 0.4 Дж/(г·°C).
Удельное электрическое сопротивление Около 6-7 мкОм·м.
Твердость По шкале Бринелля – 70-120 HB.
Прочность на растяжение 200-350 МПа.
Удлинение при разрыве 1-5%.
Магнитные свойства Не являются магнитными.
Коррозионная стойкость Высокая, благодаря пассивирующему слою оксида магния.

Основные химические свойства

  1. Взаимодействие с воздухом и кислородом:
    • Сплавы цинка с магнием медленно окисляются на воздухе, образуя защитную оксидную пленку.
    • Реакция с кислородом: Mg+O2
  2. Взаимодействие с углеродом:
    • Сплавы цинка с магнием не вступают в прямую химическую реакцию с углеродом при обычных условиях.
  3. Взаимодействие с водородом:
    • Сплавы цинка с магнием не реагируют с водородом при обычных условиях.
  4. Взаимодействие с кислотами:
    • Сплавы цинка с магнием растворяются в сильных кислотах, таких как соляная и серная кислоты:
      • Zn+2HCl
      • Mg+2HCl→
  5. Взаимодействие с щелочами:
    • Сплавы цинка с магнием устойчивы к воздействию щелочей при комнатной температуре. При высоких температурах могут реагировать, образуя цинкаты и магнезиты:
      • Zn+2NaOH+2H2O
      • Mg+2NaOH+2H2O
  6. Взаимодействие с менее активными металлами:
    • Сплавы цинка с магнием могут вступать в реакцию с более активными металлами, такими как алюминий и медь, при определенных условиях, образуя интерметаллидные соединения. Однако, взаимодействие с менее активными металлами обычно не происходит.

Цинк-медные сплавы

Сплавы цинка с медью, где цинк является основным компонентом, а медь – легирующим элементом, известны за свои уникальные свойства, что делает их полезными в различных отраслях.

Основные сплавы и их состав (% соотношение):

  • Zn-Cu5: Zn 95%, Cu 5%
  • Zn-Cu10: Zn 90%, Cu 10%
  • Zn-Cu20: Zn 80%, Cu 20%

Основные физические свойства

Характеристика Описание
Цвет Серебристо-серый цвет.
Температура плавления Около 400°C – 450°C, в зависимости от содержания меди.
Плотность Примерно 6.7 – 7.2 г/см³.
Удельная теплоемкость Около 0.4 Дж/(г·°C).
Удельное электрическое сопротивление Около 6-7 мкОм·м.
Твердость По шкале Бринелля – 70-150 HB, в зависимости от конкретного состава и термообработки.
Прочность на растяжение 250-350 МПа.
Удлинение при разрыве 1-5%.
Магнитные свойства Не являются магнитными.
Коррозионная стойкость Высокая, благодаря пассивирующему слою оксида меди и цинка.

Основные химические свойства

  1. Взаимодействие с воздухом и кислородом:
    • Сплавы цинка с медью медленно окисляются на воздухе, образуя защитный оксидный слой.
    • Реакция с кислородом: Zn+O2
  2. Взаимодействие с углеродом:
    • Сплавы цинка с медью не вступают в прямую химическую реакцию с углеродом при обычных условиях.
  3. Взаимодействие с водородом:
    • Сплавы цинка с медью не реагируют с водородом при обычных условиях.
  4. Взаимодействие с кислотами:
    • Сплавы цинка с медью растворяются в сильных кислотах, таких как соляная и серная кислоты:
      • Zn+2HCl
      • Cu+2H2SO4
      • Zn+H2SO4→
  5. Взаимодействие с щелочами:
    • Сплавы цинка с медью устойчивы к воздействию щелочей при комнатной температуре. При высоких температурах могут реагировать, образуя цинкаты и медные соединения:
      • Zn+2NaOH+2H2O
  6. Взаимодействие с менее активными металлами:
    • Сплавы цинка с медью могут вступать в реакцию с более активными металлами, такими как алюминий и магний, при определенных условиях, образуя интерметаллидные соединения. Однако, взаимодействие с менее активными металлами обычно не происходит.

Вирениум: Сплав цинка, меди и никеля

Вирениум — это высококачественный сплав цинка, меди и никеля, который обладает уникальными физическими и химическими свойствами. Благодаря своей прочности, коррозионной стойкости и легкости обработки, вирениум находит широкое применение в автомобильной промышленности, строительной отрасли, электронике, бытовой технике и медицинском оборудовании. Современные разработки и инновации продолжают расширять возможности использования этого сплава, делая его важным материалом для различных отраслей промышленности.

Состав

  • Цинк: 24,5%
  • Медь: 70%
  • Никель: 5,5%

Физические свойства

Характеристика Описание
Цвет Вирениум имеет привлекательный золотистый оттенок благодаря высокому содержанию меди.
Температура плавления Около 900-950°C.
Плотность Примерно 8,4-8,6 г/см³.
Удельная теплоемкость Около 0,38 Дж/(г·°C).
Удельное электрическое

сопротивление

 Около 0,6-0,8 мкОм·м.
Твердость По шкале Бринелля – 100-150 HB, в зависимости от термической обработки.
Прочность на растяжение 300-500 МПа.
Удлинение при разрыве 20-40%.
Магнитные свойства Немагнитный.

Основные химические свойства

  1. Взаимодействие с воздухом и кислородом:
    • Вирениум медленно окисляется на воздухе, образуя защитный оксидный слой.
    • Реакция с кислородом: Cu+O2
  2. Взаимодействие с углеродом:
    • Вирениум не вступает в прямую химическую реакцию с углеродом при обычных условиях.
  3. Взаимодействие с водородом:
    • Вирениум не реагирует с водородом при обычных условиях.
  4. Взаимодействие с кислотами:
    • Вирениум растворяется в сильных кислотах, таких как соляная и серная кислоты:
      • Zn+2HCl
      • Cu+2H2SO4
      • Ni+2HCl
  5. Взаимодействие с щелочами:
    • Вирениум устойчив к воздействию щелочей при комнатной температуре, но может реагировать при высоких температурах.

Сплавы цинка – преимущества использования 

Механические свойства
  1. Прочность и износостойкость:
    • Высокая прочность на растяжение: Сплавы цинка, такие как Zamak, обладают высокой прочностью на растяжение, что делает их идеальными для применения в конструкционных деталях и компонентах, которые должны выдерживать значительные нагрузки. Например, Zamak 3 имеет прочность на растяжение около 280 МПа.
    • Твердость: Сплавы цинка обладают значительной твердостью, что делает их устойчивыми к механическим повреждениям и износу. Твердость по шкале Бринелля для Zamak варьируется от 80 до 120 HB.
    • Устойчивость к износу: Сплавы цинка имеют отличные антифрикционные свойства, что позволяет использовать их в движущихся частях механизмов и машин, где требуется высокая устойчивость к износу.
  2. Прочность при ударе: Сплавы цинка имеют хорошую ударопрочность, что делает их пригодными для использования в условиях, где возможны механические удары и вибрации.
  3. Обрабатываемость:
    • Легкость литья: Сплавы цинка имеют низкую температуру плавления (около 380-420°C), что облегчает процесс литья и позволяет получать детали с высокой точностью и минимальными затратами.
    • Механическая обработка: Цинковые сплавы легко поддаются механической обработке, что позволяет изготавливать детали сложной формы и с высокими допусками.
  4. Плотность: Относительно низкая плотность сплавов цинка (около 6.6-6.8 г/см³) делает их привлекательными для применения в авиационной и автомобильной промышленности, где важна масса деталей.
Коррозионная стойкость

Сплавы цинка известны своей высокой устойчивостью к коррозии, что делает их идеальными для использования в условиях, где металлические изделия подвержены воздействию агрессивных сред, таких как влажная атмосфера, морская вода, химические реагенты и другие коррозионные агенты.

Естественные антикоррозионные свойства

  1. Пассивирующий слой оксида цинка:
    • Когда цинк или его сплавы подвергаются воздействию воздуха и влаги, на их поверхности образуется тонкий, но плотный слой оксида цинка (ZnO), который действует как защитный барьер, предотвращая дальнейшую коррозию.
    • Этот слой устойчив к воздействию многих кислот и щелочей, что значительно повышает долговечность изделий из сплавов цинка.
  2. Жертвенное анодное действие:
    • Цинк обладает более отрицательным электродным потенциалом по сравнению с многими другими металлами, такими как железо и сталь. Это означает, что в контакте с этими металлами цинк будет корродировать первым, защищая основной металл.
    • Этот принцип лежит в основе горячего цинкования, где стальные изделия покрываются слоем цинка для защиты от ржавчины.

Примеры коррозионной стойкости сплавов цинка

Тест на соленый туман (Salt Spray Test)

Тест на соленый туман (ISO 9227) является стандартным методом оценки коррозионной стойкости материалов. В этом тесте образцы подвергаются воздействию распыленного солевого раствора в контролируемых условиях. Результаты выражаются в часах до появления первых признаков коррозии.

  • Сплавы Zamak (Zamak 3 и Zamak 5):
    • Продолжительность до появления белой ржавчины (цинковых оксидов): 100-200 часов.
    • Продолжительность до появления красной ржавчины (продольное коррозионное повреждение): 500-1000 часов.

Коррозионная стойкость в морской воде

Морская вода является агрессивной средой для металлов из-за высокого содержания соли и других коррозионных агентов. Сплавы цинка показывают высокую устойчивость в таких условиях благодаря образованию защитного оксидного слоя.

    • Продолжительность до появления значительных коррозионных повреждений: 1-2 года при постоянном контакте.
    • Применение защитных покрытий (например, горячее цинкование) может увеличить срок службы до 10-15 лет и более.

Коррозионная стойкость в агрессивных средах

Агрессивные среды могут включать промышленные атмосферы с высоким содержанием сернистых соединений, кислотные дожди и другие химически активные среды. В таких условиях сплавы цинка также демонстрируют высокую устойчивость к коррозии.

  • Сплавы цинка в промышленных атмосферах:
    • Продолжительность до появления коррозионных повреждений: 5-10 лет в условиях средней агрессивности.
    • При более агрессивных условиях (высокое содержание SO2, высокая влажность) продолжительность может быть снижена до 2-5 лет без дополнительной защиты.
  1. Горячее цинкование стали:
    • Сталь, покрытая цинком, способна выдерживать более 1000 часов в тесте на соленый туман без значительных коррозионных повреждений.
    • В реальных условиях эксплуатации в морской воде или промышленных атмосферных условиях срок службы может превышать 20-30 лет.
  2. Автомобильные кузова:
    • Автомобильные детали, покрытые цинковыми сплавами, могут выдерживать до 1000 часов в тесте на соленый туман, обеспечивая длительную защиту от коррозии в условиях эксплуатации на дорогах, где используется соль для предотвращения обледенения.
  3. Архитектурные элементы:
    • Архитектурные покрытия из цинковых сплавов обеспечивают защиту зданий и сооружений от коррозии на срок до 50 лет в условиях умеренной атмосферной агрессивности.
Обработка и производство

Простота процесса литья и обработки

Преимущество Описание
Низкая температура плавления
  • Температура плавления сплавов цинка составляет около 380-420°C, что значительно ниже, чем у многих других металлов, таких как сталь или алюминий.
  • Низкая температура плавления уменьшает затраты на энергию и оборудование, используемое в процессе литья.
Точность литья
  • Сплавы цинка, такие как Zamak, обладают высокой текучестью в расплавленном состоянии, что позволяет заполнять сложные формы и получать детали с высокой точностью и минимальными дефектами.
  • Это особенно важно для изготовления мелких и сложных компонентов, таких как механические части, декоративные элементы и электрические соединения.
Скорость охлаждения и застывания
  • Цинковые сплавы быстро охлаждаются и застывают, что позволяет сократить время производственного цикла и повысить производительность.
  • Быстрое застывание также способствует получению деталей с мелкой зернистостью, что улучшает их механические свойства.
Литье под давлением
  • Литье под давлением является одним из наиболее распространенных методов обработки сплавов цинка.
  • Этот процесс позволяет получать детали с высокой точностью, гладкой поверхностью и минимальными последующими доработками.
  • Литье под давлением позволяет производить большое количество деталей за короткое время, что идеально подходит для массового производства.
Обрабатываемость
  • Сплавы цинка легко поддаются механической обработке, такой как сверление, резка, шлифовка и полировка.
  • Это позволяет изготавливать детали сложной формы и с высокими допусками.
  • Высокая обрабатываемость также снижает износ инструментов, используемых в производстве.

Экономичность производства

Преимущество Описание
Низкая стоимость сырья
  • Цинк является относительно дешевым и доступным металлом по сравнению с другими металлами, такими как медь или никель.
  • Это снижает затраты на сырье для производства сплавов цинка.
Энергоэффективность
  • Низкая температура плавления цинковых сплавов снижает затраты на энергию, необходимую для плавки и обработки.
  • Это делает производство более экономичным и экологически чистым.
  • Снижение энергозатрат также уменьшает выбросы углекислого газа, что положительно сказывается на экологической обстановке.
Высокая производительность
  • Процессы литья под давлением и другие методы обработки цинковых сплавов позволяют производить большое количество деталей за короткое время, что повышает общую производительность.
  • Возможность автоматизации процессов литья и обработки также способствует снижению производственных затрат и увеличению выхода продукции.
Минимизация отходов
  • Высокая точность и качество деталей, получаемых из цинковых сплавов, минимизируют количество брака и отходов.
  • Остатки и отходы цинковых сплавов легко перерабатываются, что дополнительно снижает затраты на сырье и уменьшает воздействие на окружающую среду.

  1. Сплавы цинка/ Процесс производства

Литье под давлением

Литье под давлением является одним из наиболее распространенных и эффективных методов производства изделий из сплавов цинка. Этот процесс позволяет получать детали с высокой точностью, минимальными дефектами и высокой производительностью.

Литье под давлением (Die Casting) — это процесс, при котором расплавленный металл под высоким давлением вводится в металлическую форму (матрицу), где он быстро охлаждается и затвердевает, принимая форму полости.

Технология литья под давлением

  1. Подготовка формы:
    • Матрица состоит из двух половин, которые создают полость, соответствующую форме конечного изделия.
    • Матрица предварительно нагревается для предотвращения слишком быстрого охлаждения расплава, что может вызвать дефекты.
  2. Подача расплава:
    • Цинковый сплав плавится в плавильной печи при температуре около 380-420°C.
    • Расплавленный металл подается в камеру литьевой машины.
  3. Впрыск расплава:
    • Расплавленный металл под высоким давлением (обычно от 70 до 150 МПа) впрыскивается в полость матрицы.
    • Высокое давление удерживается до тех пор, пока металл не затвердеет.
  4. Охлаждение и затвердевание:
    • Металл быстро охлаждается и затвердевает в форме, принимая ее контуры.
    • Быстрое охлаждение способствует получению изделий с мелкой зернистостью, что улучшает их механические свойства.
  5. Извлечение изделия:
    • После затвердевания половинки матрицы разъединяются, и готовое изделие извлекается с помощью выталкивателей.
    • Матрица очищается и подготавливается для следующего цикла.
  6. Постобработка:
    • Готовые изделия могут подвергаться дополнительной механической обработке, такой как обрезка, шлифовка и полировка.
    • Иногда применяются дополнительные покрытия для улучшения коррозионной стойкости и внешнего вида.

Преимущества литья под давлением

Преимущество Описание
Высокая точность и качество поверхности
  • Литье под давлением позволяет получать детали с высокой точностью, минимальными отклонениями и гладкой поверхностью.
  • Это уменьшает необходимость в дальнейшей механической обработке и улучшает внешний вид изделий.
Высокая производительность
  • Процесс литья под давлением позволяет производить большое количество деталей за короткое время благодаря быстрому циклу охлаждения и затвердевания.
  • Высокая производительность делает этот метод идеальным для массового производства.
Экономичность
  • Низкая температура плавления сплавов цинка снижает затраты на энергию и оборудование.
  • Высокая производительность и минимальные отходы делают производство более экономичным.
Минимизация отходов             и переработка
  • Литье под давлением минимизирует количество отходов благодаря высокой точности процесса.
  • Остатки и отходы цинковых сплавов легко перерабатываются и повторно используются, что снижает затраты на сырье и уменьшает воздействие на окружающую среду.
Комплексные

формы               

и тонкие стенки
  • Сплавы цинка обладают высокой текучестью в расплавленном состоянии, что позволяет отливать детали сложных форм с тонкими стенками и мелкими деталями.
  • Это особенно важно для изготовления мелких и сложных компонентов, таких как механические части, декоративные элементы и электрические соединения.
Механические свойства
  • Быстрое охлаждение в процессе литья под давлением способствует получению изделий с мелкой зернистостью, что улучшает их механические свойства, такие как прочность и твердость.

Гравитационное литье

Гравитационное литье — это метод литья металлов, при котором расплавленный металл заливается в форму под действием силы тяжести. Этот метод является одним из старейших и наиболее распространенных способов литья.

Технология гравитационного литья

  1. Подготовка формы:
    • Форма: Обычно состоит из двух частей (половинок), которые создают полость, соответствующую форме будущего изделия.
    • Материалы форм: Формы могут быть изготовлены из песка (одноразовые формы) или металла (постоянные формы). Песчаные формы позволяют изготавливать сложные детали, а металлические — многократное использование.
  2. Плавление металла:
    • Расплавление: Сплавы цинка плавятся в плавильной печи при температуре около 380-420°C.
    • Подача расплава: Расплавленный металл подготавливается для заливки в форму.
  3. Заливка металла:
    • Заливка: Расплавленный металл заливается в форму под действием силы тяжести. Для равномерного заполнения формы могут использоваться специальные литники и системы подачи.
    • Заполнение формы: Металл заполняет полость формы, принимая ее контуры.
  4. Охлаждение и затвердевание:
    • Охлаждение: После заливки расплавленный металл начинает охлаждаться и затвердевать, принимая форму полости.
    • Затвердевание: Время затвердевания зависит от размера и толщины отливаемого изделия, а также от материала формы.
  5. Извлечение изделия:
    • Разъединение формы: После полного затвердевания формы разъединяются (для песчаных форм — разрушаются), и готовое изделие извлекается.
    • Очистка и обработка: Готовое изделие очищается от литейных заусенцев и других дефектов. При необходимости проводится дополнительная механическая обработка.

Особенности гравитационного литья

Особенность Описание
Простота и доступность
  • Легкость процесса: Гравитационное литье не требует сложного оборудования и легко освоится. Оно широко используется для производства мелких и средних партий изделий.
  • Низкая стоимость: Этот метод требует минимальных капитальных затрат, особенно при использовании одноразовых песчаных форм.
Гибкость в производстве
  • Разнообразие материалов: Гравитационное литье позволяет использовать различные материалы форм, включая песок, гипс и металл, что дает гибкость в выборе метода производства.
  • Сложные формы: Песчаные формы позволяют изготавливать детали сложной формы с внутренними полостями и тонкими стенками.
Качество поверхности
  • Гладкость поверхности: Металлические формы обеспечивают гладкую поверхность изделия, что снижает необходимость в дополнительной обработке.
  • Текстура: Песчаные формы могут оставлять на изделии текстуру, которая может быть полезна в некоторых случаях, но часто требует дополнительной обработки для достижения гладкости.
Контроль охлаждения
  • Равномерное охлаждение: Возможность контролировать скорость охлаждения позволяет минимизировать внутренние напряжения и дефекты в изделии.
  • Толщина стенок: Толщина и масса изделия влияют на скорость охлаждения, что важно учитывать при проектировании отливок.

  1. Преимущества гравитационного литья

Преимущество Описание
Экономичность
  • Низкая стоимость форм: Песчаные формы дешевы в производстве и идеально подходят для мелких серий или прототипов.
  • Минимальные затраты на оборудование: Процесс не требует дорогостоящего оборудования, что снижает капитальные затраты.
Универсальность
  • Широкий спектр размеров: Метод позволяет изготавливать изделия различных размеров — от мелких деталей до крупных конструкций.
  • Разнообразие форм: Возможность создавать детали сложной геометрии и внутренние полости.
Механические свойства
  • Прочность и износостойкость: Гравитационное литье обеспечивает высокую прочность и износостойкость изделий благодаря контролируемому процессу охлаждения и затвердевания.
  • Гомогенность структуры: Медленное охлаждение способствует получению однородной структуры, что улучшает механические свойства.

Гравитационное литье — это простой и эффективный метод производства изделий из сплавов цинка, который обладает множеством преимуществ: низкая стоимость, универсальность, высокая точность и качество поверхности.

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия (Powder Metallurgy) — это процесс производства металлических изделий путем спекания порошков металлов. Этот метод особенно полезен для производства сложных форм и высокоточных деталей с уникальными свойствами.

Технология порошковой металлургии

  1. Подготовка порошков:
    • Производство порошков: Цинковый порошок получают различными методами, такими как атомизация, механическое измельчение или химическое восстановление. Порошок может содержать чистый цинк или сплавы цинка с другими металлами, такими как медь, алюминий или магний.
    • Смешивание: Порошки различных металлов смешиваются для получения требуемого состава сплава. Добавляют легирующие элементы и связывающие вещества для улучшения свойств порошка.
  2. Формирование заготовок:
    • Прессование: Смешанный порошок помещается в пресс-форму и уплотняется под высоким давлением для формирования заготовки (компактата). Давление может достигать 700-800 МПа.
    • Формы: Пресс-формы могут иметь сложную геометрию, что позволяет получать заготовки сложной формы.
  3. Спекание:
    • Процесс спекания: Уплотненные заготовки нагреваются в печи до температуры ниже температуры плавления (обычно 70-80% от температуры плавления основного металла) в контролируемой атмосфере. Температура спекания для сплавов цинка составляет около 300-400°C.
    • Диффузия: В процессе спекания происходит диффузия атомов между частицами порошка, что приводит к образованию прочных межчастичных связей и увеличению плотности изделия.
  4. Постобработка:
    • Механическая обработка: После спекания изделия могут подвергаться дополнительной механической обработке, такой как резка, сверление, шлифовка и полировка.
    • Инфильтрация и пропитка: Для улучшения свойств изделия могут подвергаться инфильтрации расплавленным металлом или пропитке смазочными материалами.

Цинковые сплавы – особенности порошковой металлургии

Преимущество Описание
Точность и сложность формы
  • Высокая точность: Метод позволяет получать детали с высокой точностью и минимальными допусками.
  • Сложные формы: Порошковая металлургия позволяет изготавливать детали сложной геометрии, которые трудно получить другими методами.
Экономичность и эффективность
  • Минимальные отходы: Процесс практически не создает отходов, так как порошки могут быть переработаны и повторно использованы.
  • Низкие затраты на обработку: Метод снижает потребность в механической обработке после формования, что экономит время и затраты.
Контроль состава и структуры
  • Однородность: Тщательное смешивание порошков обеспечивает однородный состав и структуру изделия.
  • Контроль пористости: Порошковая металлургия позволяет контролировать уровень пористости, что важно для некоторых применений.
Механические свойства
  • Прочность и твердость: Готовые изделия обладают высокой прочностью и твердостью благодаря плотной структуре и сильным межчастичным связям.
  • Износостойкость: Высокая износостойкость делает изделия пригодными для использования в условиях трения и нагрузки.

Экологические аспекты и переработка/ Сплавы цинка

Переработка и вторичное использование цинковых сплавов

Переработка сплавов цинка играет важную роль в снижении воздействия на окружающую среду и улучшении экономической эффективности производства. Использование вторичных ресурсов позволяет сократить добычу первичного сырья, уменьшить количество отходов и снизить потребление энергии.

Технологии переработки

  1. Сбор и сортировка:
    • Сбор отходов: Переработка начинается со сбора и сортировки отходов цинковых сплавов. Источниками отходов могут быть отработанные изделия, производственные остатки, стружка и другие виды металлического лома.
    • Сортировка: Отходы сортируются по типу и составу. Это важно для обеспечения однородности перерабатываемого материала и повышения качества вторичного сырья.
  2. Очистка и подготовка:
    • Удаление загрязнений: Отходы очищаются от загрязнений, таких как масло, краска, пластик и другие материалы, которые могут негативно влиять на процесс переработки и качество конечного продукта.
    • Механическая обработка: Отходы могут быть измельчены или разрезаны для удобства дальнейшей обработки.
  3. Плавка и рафинирование:
    • Плавка: Очищенные и подготовленные отходы загружаются в плавильные печи, где они расплавляются при температуре около 380-420°C. Это позволяет отделить металлическую составляющую от неметаллических примесей.
    • Рафинирование: Расплавленный металл рафинируется для удаления примесей и достижения требуемого химического состава. В процессе рафинирования могут использоваться различные методы, такие как флотация, фильтрация и химическая обработка.
  4. Литье:
    • Формирование слитков: Очищенный и рафинированный расплавленный металл заливается в формы для получения слитков или заготовок, которые затем могут быть использованы для производства новых изделий.
    • Литье под давлением: Для получения деталей сложной формы расплавленный металл может использоваться в процессе литья под давлением.

Экономическая и экологическая выгода

  1. Экономическая выгода:
    • Снижение затрат на сырье: Использование вторичных сплавов цинка снижает потребность в добыче и переработке первичного сырья, что значительно уменьшает затраты на материалы.
    • Энергоэффективность: Переработка цинковых сплавов требует меньше энергии по сравнению с производством первичного цинка. Например, переработка цинка требует на 60-75% меньше энергии, чем его добыча и первичная обработка.
    • Повышение рентабельности: Экономия на сырье и энергии увеличивает общую рентабельность производства, что особенно важно в условиях роста цен на природные ресурсы и энергии.
  2. Экологическая выгода:
    • Снижение добычи полезных ископаемых: Переработка сплавов цинка уменьшает необходимость в добыче цинковых руд, что сохраняет природные ресурсы и уменьшает разрушительное воздействие на окружающую среду.
    • Уменьшение выбросов и отходов: Переработка металлов способствует сокращению выбросов парниковых газов и других вредных веществ, связанных с добычей и первичной переработкой цинка. Кроме того, уменьшается количество промышленных отходов, которые могли бы попасть на свалки или в окружающую среду.
    • Замкнутый цикл производства: Создание замкнутого цикла производства, где отходы одного процесса становятся сырьем для другого, способствует устойчивому развитию и минимизации негативного воздействия на окружающую среду.

Экологические преимущества

Сплавы цинка играют значительную роль в снижении негативного воздействия на окружающую среду благодаря своим уникальным свойствам и возможностям переработки.

Снижение углеродного следа

  1. Энергоэффективность производства:
    • Производство и переработка сплавов цинка требуют значительно меньше энергии по сравнению с другими металлами. Например, переработка цинка требует на 60-75% меньше энергии, чем производство первичного цинка из руды.
    • Снижение потребности в энергии напрямую уменьшает выбросы парниковых газов, что помогает снизить углеродный след производства.
  2. Переработка и повторное использование:
    • Переработка сплавов цинка значительно сокращает потребность в добыче и переработке первичного сырья, что уменьшает общий объем выбросов парниковых газов, связанных с этими процессами.
    • Повторное использование цинковых сплавов в производстве снижает объемы отходов, которые могли бы оказаться на свалках, и уменьшает выбросы метана и других вредных газов из разлагающихся отходов.
  3. Продолжительный срок службы:
    • Сплавы цинка обладают высокой коррозионной стойкостью и прочностью, что увеличивает срок службы изделий. Долговечность изделий снижает необходимость в частой замене, что, в свою очередь, уменьшает частоту производственных циклов и связанные с ними выбросы.

Утилизация и экологические стандарты

  1. Безопасность утилизации:
    • Сплавы цинка не содержат токсичных элементов, таких как свинец или ртуть, что делает их утилизацию безопасной для окружающей среды. Это снижает риск загрязнения почвы и водоемов при неправильном обращении с отходами.
    • Процессы переработки цинковых сплавов безопасны и соответствуют экологическим стандартам, что обеспечивает минимальное воздействие на окружающую среду.
  2. Соответствие экологическим стандартам:
    • Производственные процессы и переработка сплавов цинка соответствуют международным и национальным экологическим стандартам, таким как ISO 14001, которые регулируют управление воздействием на окружающую среду.
    • Применение передовых технологий переработки и утилизации обеспечивает соответствие строгим экологическим нормам и стандартам, способствуя устойчивому развитию.
  3. Стимулирование замкнутого цикла:
    • Создание замкнутого цикла производства, где отходы одного процесса становятся сырьем для другого, минимизирует негативное воздействие на окружающую среду. Сплавы цинка идеально подходят для реализации таких циклов благодаря их легкой переработке и повторному использованию.
    • Это также способствует экономии природных ресурсов и снижению потребности в добыче новых материалов, что важно для сохранения экосистем и биологического разнообразия.

Новые разработки и инновации в области сплавов цинка 

Сплавы цинка продолжают оставаться важным материалом в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным свойствам и возможностям переработки. Современные исследования и разработки направлены на улучшение этих сплавов, расширение их применений и повышение экологической устойчивости.

Инновации в составе и свойствах сплавов цинка

  1. Улучшение механических свойств:
    • Высокопрочные сплавы: Разработаны новые сплавы цинка с добавлением алюминия, магния и меди, которые демонстрируют улучшенные механические свойства, такие как повышенная прочность на растяжение, твердость и износостойкость. Пример: Zamak 7, обладающий улучшенной текучестью и прочностью по сравнению с традиционными сплавами.
    • Нанокомпозиты: Введение наночастиц в состав сплавов цинка позволяет значительно улучшить их механические и физические свойства, такие как прочность, жесткость и устойчивость к коррозии.
  2. Повышенная коррозионная стойкость:
    • Легирование редкоземельными элементами: Добавление небольших количеств редкоземельных элементов, таких как церий или лантан, в сплавы цинка улучшает их коррозионную стойкость, что особенно важно для применения в агрессивных средах.
    • Антикоррозионные покрытия: Разработаны новые методы нанесения антикоррозионных покрытий на основе цинка, которые обеспечивают длительную защиту от коррозии и повышают срок службы изделий. Пример: нанесение цинк-алюминиевых покрытий методом горячего цинкования.

Технологические инновации

  1. Аддитивные технологии (3D-печать):
    • 3D-печать сплавов цинка: Использование аддитивных технологий для производства сложных и точных деталей из сплавов цинка. Эта технология позволяет создавать изделия с высокой степенью свободы в дизайне и минимальными отходами. Применение 3D-печати также ускоряет прототипирование и производство мелкосерийных изделий.
  2. Улучшенные методы литья:
    • Литье под давлением с вакуумной обработкой: Введение вакуумной обработки в процесс литья под давлением позволяет уменьшить количество пор и дефектов в отливках, что улучшает их механические свойства и внешний вид.
    • Литье в керамические формы: Использование керамических форм для литья сплавов цинка позволяет получать изделия с более высокой точностью и гладкостью поверхности по сравнению с традиционными металлическими формами.

Экологические инновации

  1. Энергоэффективные процессы переработки:
    • Низкотемпературное рафинирование: Разработка процессов переработки сплавов цинка, которые требуют меньших затрат энергии, снижает углеродный след и повышает экономическую эффективность производства. Пример: использование плазменных технологий для плавки и очистки цинковых отходов.
    • Закрытые циклы производства: Введение замкнутых циклов производства, где отходы одного процесса становятся сырьем для другого, минимизирует количество отходов и потребление первичного сырья.
  2. Разработка биоразлагаемых сплавов:
    • Экологически безопасные сплавы: Исследования направлены на создание биоразлагаемых цинковых сплавов для использования в медицине и других областях. Эти сплавы могут разлагаться в организме или окружающей среде без вредных последствий.

Сплавы цинка. Применение в различных отраслях

Сплавы цинка обладают уникальными свойствами, которые делают их востребованными в различных отраслях промышленности.

Автомобильная промышленность

Сплавы цинка играют важную роль в производстве деталей и узлов для автомобилей благодаря их прочности, устойчивости к коррозии и легкости обработки.

Детали и узлы из сплавов цинка

  1. Кузовные детали:
    • Кузовные панели: Использование цинковых сплавов для изготовления кузовных панелей обеспечивает долговечность и устойчивость к коррозии, что продлевает срок службы автомобиля.
    • Декоративные элементы: Зеркала, решетки радиаторов и эмблемы из цинковых сплавов имеют высокую эстетическую ценность и устойчивы к внешним воздействиям.
  2. Детали двигателя и трансмиссии:
    • Корпуса насосов и компрессоров: Сплавы цинка используются для изготовления корпусов различных насосов и компрессоров благодаря их высокой прочности и устойчивости к износу.
    • Картеры и крышки: Легкость и прочность сплавов цинка делают их идеальными для изготовления картеров и крышек двигателей и трансмиссий.
  3. Подвеска и шасси:
    • Рычаги и кронштейны: Высокая прочность и износостойкость сплавов цинка позволяют использовать их для изготовления рычагов и кронштейнов подвески, что улучшает долговечность и надежность автомобилей.

Строительная отрасль

Сплавы цинка широко применяются в строительстве и архитектуре благодаря своей долговечности, устойчивости к коррозии и эстетическим свойствам.

Использование в архитектуре и строительных материалах

  1. Кровельные материалы:
    • Кровельные покрытия: Листы и панели из цинковых сплавов используются для кровельных покрытий, обеспечивая долговечность и защиту от коррозии. Они также придают зданиям современный и эстетически привлекательный вид.
  2. Фасадные системы:
    • Фасадные панели: Цинковые сплавы применяются для изготовления фасадных панелей, которые не только защищают здания от внешних воздействий, но и придают им современный внешний вид.
  3. Декоративные элементы:
    • Отливки и профили: Цинковые сплавы используются для изготовления различных декоративных элементов, таких как карнизы, балюстрады и колонны, благодаря их легкости обработки и устойчивости к атмосферным воздействиям.
  4. Сантехника:
    • Трубы и фитинги: Цинковые сплавы применяются для изготовления сантехнических труб и фитингов, которые обладают высокой коррозионной стойкостью и долговечностью.

Электроника и бытовая техника

Сплавы цинка находят широкое применение в производстве корпусов и компонентов для электронной и бытовой техники благодаря своей прочности, легкости обработки и эстетическому виду.

Корпуса и компоненты

  1. Корпуса электронных устройств:
    • Мобильные телефоны и планшеты: Корпуса из цинковых сплавов обеспечивают высокую прочность и защиту от повреждений, а также придают устройствам премиальный вид.
    • Ноутбуки и компьютеры: Корпуса и компоненты из цинковых сплавов используются для изготовления ноутбуков и компьютерных систем благодаря их легкости и долговечности.
  2. Компоненты бытовой техники:
    • Кухонные приборы: Духовки, микроволновые печи и другие кухонные приборы из цинковых сплавов обладают высокой устойчивостью к теплу и коррозии, что увеличивает их срок службы.
    • Элементы крепежа: Шарниры, ручки и другие элементы крепежа в бытовой технике изготавливаются из цинковых сплавов благодаря их прочности и долговечности.

Медицинское оборудование

Сплавы цинка широко используются в производстве медицинского оборудования и инструментов благодаря своей биосовместимости, коррозионной стойкости и легкости обработки.

Инструменты и устройства

  1. Хирургические инструменты:
    • Скальпели и ножницы: Хирургические инструменты из цинковых сплавов обладают высокой остротой, прочностью и устойчивостью к стерилизации.
    • Щипцы и зажимы: Использование цинковых сплавов для производства щипцов и зажимов обеспечивает надежность и долговечность этих инструментов.
  2. Диагностическое оборудование:
    • Корпуса и компоненты: Корпуса ультразвуковых аппаратов, мониторов и других диагностических устройств из цинковых сплавов обеспечивают защиту внутренних компонентов и придают устройствам привлекательный внешний вид.
  3. Имплантаты и ортопедические устройства:
    • Ортопедические имплантаты: Цинковые сплавы используются для изготовления временных ортопедических имплантатов благодаря своей биосовместимости и способности разлагаться в организме без вредных последствий.
    • Протезы и ортезы: Легкость и прочность цинковых сплавов делают их идеальными для изготовления протезов и ортезов, которые обеспечивают пациентам комфорт и надежность.

Сплавы цинка играют важную роль в современной промышленности благодаря своим уникальным свойствам и широким возможностям применения. От автомобильной промышленности до строительства, электроники, бытовой техники и медицинского оборудования — сплавы цинка демонстрируют свою универсальность и незаменимость. Высокая прочность, отличная коррозионная стойкость, легкость обработки и экономичность производства делают эти сплавы востребованными в самых различных отраслях.

Современные разработки и инновации –  высокопрочные сплавы, нанокомпозиты и биоразлагаемые материалы, позволяют улучшать свойства цинковых сплавов и расширять их применение. Технологии производства, включая литье под давлением, гравитационное литье и порошковую металлургию, обеспечивают высокую точность и качество изделий, а также способствуют снижению производственных затрат и минимизации отходов.

Экологические преимущества сплавов цинка, включая снижение углеродного следа, безопасную утилизацию и соответствие экологическим стандартам, делают их идеальным выбором для устойчивого развития. Переработка и вторичное использование цинковых сплавов способствуют охране окружающей среды, экономии природных ресурсов и созданию замкнутого цикла производства.

Сплавы цинка являются неотъемлемой частью многих промышленных процессов, обеспечивая надежность, долговечность и экологическую устойчивость. Их продолжительное использование и развитие подтверждают важность этих материалов в современном мире, делая их ключевым элементом в стремлении к более эффективному и экологически чистому производству.

Материаловедение - цинк