Литейные сплавы цинка

Цинк в чистом виде обладает недостаточными прочностью и жидкотекучестью для большинства литейных задач. Промышленные литейные сплавы на его основе строятся на системах Zn–Al и Zn–Al–Cu с обязательной добавкой магния. Именно эти три-четыре компонента определяют литейные и механические характеристики готовых отливок.

Требования к маркам и химическому составу литейных цинковых сплавов установлены ГОСТ 25140-93. Сплавы в чушках для вторичного литья поставляются по ГОСТ 19424-97.

Легирующие элементы литейных сплавов цинка

Алюминий

Основной легирующий элемент. Содержание в стандартных литейных марках — 3,5–4,5 %. Алюминий резко снижает растворимость железа в расплаве, предотвращая образование крупных интерметаллидных включений. Измельчает зерно, улучшает жидкотекучесть и механические свойства. Эвтектика цинк–алюминий с температурой 380 °С обеспечивает узкий интервал кристаллизации, благодаря чему сплавы дают плотные отливки с хорошей воспроизводимостью геометрии. При содержании алюминия до 10 % его влияние на изменение размеров отливки в процессе эксплуатации незначительно.

Медь

Добавляется в количестве 0,7–3,5 % в зависимости от марки. Повышает твёрдость и предел прочности при растяжении. Улучшает коррозионную стойкость. Одновременно снижает пластичность (относительное удлинение) и немного ускоряет процесс естественного старения — со временем в отливках с повышенным содержанием меди возможны незначительные изменения линейных размеров. Для прецизионных деталей это нужно учитывать при выборе марки.

Магний

Вводится в малых количествах — 0,02–0,06 %. Подавляет межкристаллитную коррозию, повышает размерную стабильность отливок. Нейтрализует вредное влияние примесей свинца, олова и кадмия. При превышении верхней границы содержания (более 0,06–0,08 %) магний сам начинает ухудшать механические свойства, поэтому его количество строго нормировано.

Вредные примеси: нормы и влияние

Особенность литейных цинковых сплавов — высокая чувствительность к примесям. Свинец, кадмий и олово даже в тысячных долях процента вызывают межкристаллитную коррозию, приводящую к необратимому изменению размеров и охрупчиванию отливок. Именно поэтому ГОСТ 25140-93 жёстко ограничивает их суммарное содержание.

Примесь	Предельное содержание, %	Характер воздействия
Свинец (Pb)	≤ 0,007	Межкристаллитная коррозия, размерная нестабильность
Кадмий (Cd)	≤ 0,004	Снижает пластичность в горячем состоянии
Олово (Sn)	≤ 0,002	Выделяется из расплава, вызывает ломкость отливок
Железо (Fe)	≤ 0,10	Образует интерметаллиды FeAl₃ и шпинели ZnAl₂O₄, ухудшает заполнение форм и механические свойства

Для ответственных отливок по требованию потребителя суммарное содержание Pb + Cd + Sn нормируется ещё жёстче — не более 0,009 %. Высококачественное первичное сырьё (цинк марок ЦВ00 и ЦВ0) является обязательным условием получения сплавов с гарантированными свойствами.

Марки литейных цинковых сплавов по ГОСТ 25140-93

Все стандартные литейные марки строятся на системе Zn–Al–Cu с ~4 % алюминия. Высокоалюминиевые сплавы (ЦА15) применяются значительно реже — преимущественно для специальных литейных задач.

Марка	Al, %	Cu, %	Mg, %	Способы литья
ЦА4	3,5–4,5	≤ 0,10	0,02–0,06	Д, К, П
ЦА4М1 (ЦАМ4-1)	3,5–4,5	0,7–1,3	0,02–0,06	Д, К
ЦА4М3 (ЦАМ4-3)	3,5–4,5	2,5–3,5	0,02–0,06	Д, К

Д — литьё под давлением; К — литьё в кокиль; П — литьё в песчаные формы.

Механические и физические свойства

Свойство	ЦА4 (кокиль)	ЦА4М1 (кокиль)	ЦА4М3 (кокиль)
Предел прочности σв, МПа	≥ 250	≥ 280	≥ 300
Относительное удлинение δ, %	≥ 4	≥ 2	≥ 1
Плотность, кг/м³	~6 600	~6 650	~6 700

Физические характеристики: температура начала плавления — около 380–387 °С (зависит от точного состава); коэффициент теплопроводности — около 110 Вт/(м·К); линейная усадка при литье под давлением — 0,4–0,6 %.

Технологические особенности литья цинковых сплавов

Литьё под давлением

Основной промышленный способ для марок ЦА4М1 и ЦА4М3. Преимущества: низкая температура литья (420–470 °С), высокая жидкотекучесть, узкий интервал кристаллизации. Это позволяет получать тонкостенные отливки (минимальная толщина стенки — до 0,5 мм) сложной конфигурации с высоким качеством поверхности без дополнительной механической обработки. При правильно подобранном режиме ресурс пресс-формы составляет 500 000 циклов и более. Подготовку расплава и рафинирование проводят в тигельных печах; важно исключить попадание влаги в шихту.

Важное ограничение: повторная переплавка цинкового сплава снижает жидкотекучесть, поэтому контроль шихтового состава критичен.

Литьё в кокиль

Применяется для всех трёх основных марок. Даёт несколько более низкие механические свойства по сравнению с литьём под давлением, но позволяет получать отливки бо́льшего сечения и с меньшим давлением на форму. Минимальная толщина стенки — от 1,5–2 мм.

Размерная стабильность и старение

При длительной эксплуатации в отливках из цинковых сплавов возможно постепенное изменение линейных размеров вследствие естественного старения. Скорость и масштаб этого процесса определяются прежде всего уровнем примесей (Pb, Sn, Cd): при соблюдении норм ГОСТ 25140-93 изменения размеров в течение нескольких лет незначительны. Марка ЦА4 (без меди) обладает наименьшей склонностью к старению из стандартных литейных марок.

Температурные ограничения эксплуатации

Литейные цинковые сплавы не предназначены для работы при повышенных или отрицательных температурах. При нагреве до +100 °С прочность снижается примерно на 30 %, твёрдость — на 40 %. При температурах ниже 0 °С заметно возрастает хрупкость. Таким образом, рабочий диапазон для деталей из ЦАМ в условиях нагрузки — от 0 до +70 °С.

Применение литейных цинковых сплавов

Типичные области применения — корпусные детали приборов, арматура, детали насосов и топливных систем, фурнитура, декоративные отливки. Высокая точность размеров отливки, возможность нанесения гальванических и лакокрасочных покрытий непосредственно на литую поверхность, хорошая обрабатываемость резанием — основные технологические достоинства, определяющие применение этих сплавов в автомобилестроении, приборостроении и бытовой технике.

Подробные характеристики наиболее распространённой марки — цинковый сплав ЦАМ4-1.

Формы поставки

Литейные сплавы цинка поставляются в чушках по ГОСТ 19424-97. Масса чушки, размеры и маркировка регламентированы стандартом. Поставка осуществляется партиями с сопроводительными документами, подтверждающими химический состав по результатам входного анализа. Возможна поставка в объёмах от небольших технологических партий до крупнотоннажных отгрузок по договорённости.