Цинковые сплавы

Чистый цинк при комнатной температуре хрупок, однако в интервале 100–150 °C приобретает пластичность, достаточную для прокатки, прессования и глубокой вытяжки. Выше 200 °C металл вновь становится хрупким, что существенно ограничивает диапазон горячей обработки. Из-за этих особенностей в промышленности значительно чаще используют не чистый цинк, а сплавы на его основе.

Цинковые сплавы отличаются сравнительно низкой температурой плавления (380–420 °C для большинства литейных марок), высокой жидкотекучестью и хорошей способностью заполнять тонкостенные литейные формы. Они легко обрабатываются давлением, поддаются резке, сварке и пайке. На поверхность цинковых сплавов можно наносить защитно-декоративные покрытия химическим или электрохимическим способом.

Классификация цинковых сплавов по назначению

В зависимости от области применения цинковые сплавы подразделяют на несколько основных групп: литейные, антифрикционные, деформируемые, протекторные и припои. Каждая группа имеет собственную нормативную базу, определяющую марки, химический состав, допустимые примеси и механические свойства.

Литейные цинковые сплавы

Литейные сплавы цинка — наиболее распространённая группа, получившая широкое применение в литье под давлением. Основная система легирования — Zn–Al–Cu–Mg. Алюминий обеспечивает жидкотекучесть и прочность, медь повышает твёрдость и сопротивление ползучести, а магний в малых количествах (сотые доли процента) предотвращает межкристаллитную коррозию.

Марки литейных цинковых сплавов

Марки и химический состав литейных цинковых сплавов регламентируются ГОСТ 25140-93 «Сплавы цинковые литейные. Марки». Стандарт устанавливает составы в отливках и распространяется на марки ЦА4, ЦА4М1, ЦА4М3, ЦА8М1, ЦА30М5 и их разновидности с различной степенью чистоты.

Данные приведены по ГОСТ 25140-93. Буква «о» в обозначении марки указывает на повышенную чистоту по примесям. Сплавы с индексом «в» (ЦА4М1в) допускают более широкий диапазон примесей и предназначены для неответственных деталей.

Механические свойства литейных сплавов

Механические характеристики цинковых литейных сплавов существенно зависят от способа литья. При литье под давлением (способ «Д») достигаются наиболее высокие значения прочности за счёт мелкозернистой структуры быстро охлаждённого металла.

Данные по ГОСТ 25140-93, Приложение 1. Способы литья: П — в песчаные формы, К — в кокиль, Д — под давлением.

Применение литейных сплавов цинка

Литейные цинковые сплавы применяют в автомобилестроении, электротехнике, приборостроении и производстве бытовой техники. Основное преимущество — возможность получения тонкостенных отливок сложной формы с высокой точностью размеров. Сплавы группы ЦА4 используют для деталей, требующих стабильности размеров. Сплавы с медью (ЦА4М1, ЦА4М3) выбирают для корпусных, арматурных и декоративных деталей, где важны повышенная прочность и твёрдость.

Высокоалюминиевый сплав ЦА30М5 предназначен для замены бронзовых антифрикционных сплавов. Он существенно превосходит стандартный ЦАМ10-5 по механическим свойствам и износостойкости, применяется для вкладышей подшипников, втулок, червячных шестерён и сепараторов подшипников качения.

Физические свойства литейных сплавов

Данные по ГОСТ 25140-93, Приложение 2.

Антифрикционные цинковые сплавы

Антифрикционные цинковые сплавы системы Zn–Al–Cu–Mg предназначены для работы в узлах трения. Они сочетают твёрдые и мягкие структурные составляющие, что обеспечивает низкий коэффициент трения и хорошую прирабатываемость к сопрягаемым деталям. Требования к антифрикционным сплавам в отливках устанавливает ГОСТ 21437-95, а к сплавам в чушках — ГОСТ 21438-95.

Состав и свойства антифрикционных сплавов

Данные по ГОСТ 21437-95. Суммарное содержание примесей — не более 0,35 %. Буква «Л» в обозначении указывает на литейный вариант сплава.

Данные по ГОСТ 21437-95.

Назначение антифрикционных цинковых сплавов

Антифрикционные сплавы на основе цинка применяют для узлов трения скольжения при умеренных нагрузках и скоростях. ЦАМ9-1,5Л используют для отливки монометаллических вкладышей, втулок и ползунов (удельная нагрузка до 9,8 МПа, скорость скольжения до 8 м/с, температура до 80 °C). Биметаллические изделия с металлическим каркасом допускают нагрузки до 19,6 МПа и скорости до 10 м/с. Деформируемый вариант ЦАМ9-1,5 применяют для биметаллической ленты с последующей штамповкой вкладышей (до 24,5 МПа, до 15 м/с). ЦАМ10-5 в деформированном состоянии используют для направляющих скольжения металлорежущих станков.

При выборе цинковых антифрикционных сплавов необходимо учитывать, что их коэффициент линейного расширения выше, чем у бронз и баббитов. Это важно при расчёте зазоров в подшипниковых узлах.

Деформируемые цинковые сплавы

Деформируемые сплавы на основе цинка предназначены для получения полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) методами прокатки, прессования и волочения. По механическим характеристикам высокоалюминиевые деформируемые цинковые сплавы приближаются к латуням, при этом имеют более низкую температуру обработки и меньшую плотность.

К деформируемым относятся сплавы с повышенным содержанием алюминия, в том числе ЦА30М5 (28,5–32,1 % Al, 3,8–5,6 % Cu), который при кокильном литье демонстрирует временное сопротивление до 435 МПа и относительное удлинение 8 %. Из слитков таких сплавов прокаткой и прессованием получают листы, прутки, полосы и другие полуфабрикаты для дальнейшей механической обработки.

Протекторные цинковые сплавы

Протекторные (жертвенные) сплавы на основе цинка применяют для электрохимической защиты стальных конструкций от коррозии в морской воде. Принцип действия основан на том, что цинк имеет более электроотрицательный потенциал, чем сталь, и при контакте с защищаемой конструкцией разрушается сам, предотвращая коррозию основного металла.

Состав протекторных цинковых сплавов отличается высокой чистотой основы и минимальным содержанием легирующих элементов: алюминий — 0,1–0,5 %, кадмий — 0,025–0,15 %. Содержание вредных примесей (свинец, медь, железо) ограничено тысячными долями процента. Высокая чистота необходима для равномерного и предсказуемого растворения протектора.

Цинковые протекторы эффективны в солёной морской воде. В пресной и слабосолёной воде, а также в грунтах цинковый протектор быстро покрывается слоем оксидов и гидроксидов, блокирующих работу защиты, поэтому для таких условий предпочтительны магниевые или алюминиевые протекторы. Важное преимущество цинковых сплавов — их взрыво- и пожаробезопасность, что делает их пригодными для применения на объектах с повышенными требованиями к безопасности.

Цинковые припои

Припои на основе цинка применяют преимущественно для пайки алюминия, магния и сплавов на их основе. Основные системы легирования — Zn–Cd и Zn–Al. Цинково-кадмиевые припои имеют температуру ликвидуса около 320 °C и обеспечивают прочность паяного соединения порядка 100 МПа.

Медно-цинковые припои (системы Cu–Zn) относятся к группе тугоплавких припоев и применяются для пайки сталей, чугунов и медных сплавов. Они обеспечивают высокую прочность шва, но паяные соединения могут иметь пониженную коррозионную стойкость в агрессивных средах. При выборе припоя необходимо учитывать условия эксплуатации и требования к коррозионной стойкости.

Применение цинковых сплавов в полиграфии

Цинковые сплавы, легированные алюминием, медью и магнием, исторически используются в полиграфической промышленности для отливки шрифтов ручного и машинного набора (линотипного и монотипного). Выбор именно цинковых сплавов обусловлен их высокой жидкотекучестью, которая позволяет точно воспроизводить мелкие элементы шрифта, и хорошей сопротивляемостью истиранию при многократном использовании набора. По составу типографские цинковые сплавы близки к литейным маркам с различными вариациями содержания алюминия и меди.

Влияние примесей на свойства цинковых сплавов

Качество цинковых сплавов критически зависит от содержания вредных примесей — свинца, кадмия и олова. Даже незначительное превышение допустимых концентраций этих элементов ухудшает механические свойства, повышает склонность к горячеломкости и резко увеличивает опасность межкристаллитной коррозии. Межкристаллитная коррозия цинковых сплавов проявляется не сразу, но при появлении приводит к необратимому разрушению детали.

Железо в количестве выше 0,1–0,2 % делает сплав хрупким, ухудшает пластичность и качество литых поверхностей. Кремний снижает прочность и жидкотекучесть. Никель, попадающий в сплав вместе с шихтой, ухудшает заполняемость форм. Поэтому ГОСТ 25140-93 и ГОСТ 21437-95 устанавливают жёсткие ограничения по каждой из этих примесей.

Нанесение цинковых покрытий

Цинковые сплавы можно наносить на металлические и неметаллические поверхности химическим или электрохимическим способом. Цинковые покрытия (цинкование) служат одним из наиболее распространённых методов защиты стали от коррозии. Различают горячее цинкование (погружение в расплав цинка), гальваническое (электроосаждение из растворов), термодиффузионное и холодное (нанесение цинкнаполненных составов). Каждый метод имеет собственную область применения, определяемую размерами изделия, требованиями к толщине покрытия и условиями эксплуатации.

Формы поставки цинковых сплавов

Цинковые сплавы поставляются в следующих формах: чушки (слитки) для переплава и литья; прутки и полосы для обработки давлением и механической обработки; проволока; листы и ленты. Антифрикционные сплавы поставляются преимущественно в чушках по ГОСТ 21438-95. Для протекторной защиты поставляются готовые протекторные аноды различной конфигурации. Медно-цинковые припои выпускаются в виде прутков, проволоки и гранул.

Выбор марки цинкового сплава для конкретных задач

При выборе марки цинкового сплава необходимо учитывать несколько ключевых факторов: способ литья (под давлением, в кокиль, в песчаную форму), требования к точности размеров, механическим свойствам и коррозионной стойкости, а также условия эксплуатации — температурный диапазон, нагрузки, контакт с агрессивными средами.

Для ответственных деталей с высокой стабильностью размеров предпочтительны марки с минимальным содержанием примесей — ЦА4о, ЦА4М1о, ЦА4М3о. Для неответственных деталей допускается использование ЦА4М1в с упрощёнными требованиями к чистоте. В узлах трения выбор между ЦАМ9-1,5 и ЦАМ10-5 определяется допустимыми нагрузками и скоростями скольжения. Для работы в морской воде и на объектах с требованиями пожаробезопасности применяют протекторные цинковые сплавы.