Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
30 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Цинковые сплавы: описание, структура и свойства

Цинковые сплавы: ГОСТ, температура плавления, свойства, применение

Цинк – это металл синевато-белого цвета, в чистом виде который не могли получить долгое время. Только англичанин Дж. Чемпион в 1738 году приобрел патент на его производство. А через пять лет в Европе появился первый цинковый завод в Бристоле. Его производительность составляла ежегодно всего 200 тонн. По использованию этот популярный цветной металл уступает только меди и алюминию. Выплавляют его в мире миллионы тонн в год.

Свойства цинка

Металл имеет слабые механические свойства. Он ломкий и хрупкий при нормальной температуре, а при повышении ее до 100–150 градусов по Цельсию приобретает тягучесть и легко деформируется: его куют и раскатывают в листы. Для увеличения прочности и температуры плавления в цинк добавляют медь, свинец, олово, алюминий, магний.

Это химически активный металл. На открытом воздухе при температуре 100 градусов Цельсия на поверхности появляется пленка и цинк приобретает тусклый вид. Повышенная влажность и углекислый газ способствуют разрушению элемента. Он легко разъедается кислотами и щелочами, поэтому для промышленного использования применяются только сплавы.

Свойства цинковых сплавов

Отмечаются отличные литейные свойства сплавов. Благодаря высокой пластичности в горячем виде, металлы используют для отливок деталей, имеющих сложную форму, глубокие полости, резьбу и тонкой толщины стенки. Они не прилипают к пресс-форме, потому что не вступают в реакцию с железом. Литые детали имеют высокую точность и чистую поверхность. Сплавы обладают отменными механическими свойствами: достаточным пределом прочности, твердостью и хорошо обрабатываются. Их можно паять и сваривать.

Из недостатков следует отметить склонность к старению, большую плотность и коррозию. При использовании цинковых сплавов происходит их естественный процесс старения, в результате детали уменьшаются в размерах. Самая большая усадка происходит в первые 5 недель, а последующая – на протяжении очень длительного периода времени. Для компенсации размеров деталей их подвергают термической обработке – отжигу. Для уменьшения коррозии в сплавах ограничивают содержание магния до 0,1 %. Для увеличения долговечности деталей их подвергают защитным покрытиям: никелируют, хромируют, кадмируют.

Виды сплавов

По назначению цинковые сплавы делятся на:

  • Деформируемые. Основу этих сплавов составляет цинк. По свойствам они подобны латуням. Методом литья получают слитки, а из них изготовляют прутки, полосы, листы.
  • Литейные. Имеют высокую текучесть. Отлично заполняют форму, не прилипая к ней. Получаются качественные отливки сложной конфигурации литьем под давлением.
  • Антифрикционные. Сплавы обладают низким коэффициентом трения и хорошей прирабатываемостью подшипника к шейке вала.
  • Припои. Применяются для пайки изделий, обладают хорошей пластичностью и прочностью.
  • Типографские. Используют для отливки шрифтов ручного и машинного набора. Заменяют токсичные свинцовые сплавы. Стойкие к истиранию.
  • Протекторные. Защищают внутренние и внешние части морских судов от коррозии. Используют их со специальным лакокрасочным покрытием.

Характеристика и свойства латуни

Медно-цинковый сплав, в котором медь является основным компонентом, а цинк – легирующим, называется латунью. Цвет металла находится в зависимости от состава и изменяется от светло-желтых тонов до красноватых оттенков. Такие сплавы характеризуются устойчивостью к коррозии и обладают высокой прочностью. Они хорошо поддаются разным методам обработки. Текучесть латуни позволяет изготовлять детали, используя метод литья. Применяя пластическую деформацию сплава, из него производят проволоку, листы, ленты, разные профили методом прокатки. Содержание цинка в сплаве может быть различным и составлять от 5 до 45 %. Кроме этого, туда входят и дополнительные легирующие компоненты, которые используются для улучшения свойств латуней:

  • Никель. Способствует увеличению коррозийности и прочности.
  • Кремний. Улучшает антифрикционные свойства.
  • Олово. Влияет на прочность и устойчивость к соленой воде.
  • Свинец. Совершенствует обрабатываемость.
  • Марганец. Воздействует на прочность и коррозийную устойчивость.

При различном комбинировании легирующими компонентами получают латуни с необходимыми качествами и характеристиками. Изделия из таких сплавов не подвергаются влиянию окружающей среды, имеют высокую износостойкость.

Применение сплавов

Без цинка и его сплавов не способны существовать многие отрасли от машиностроения до медицины.

Применение цинковых сплавов в различных сферах и отраслях:

  • машиностроительная – для производства бензобаков, крышек багажников, корпусов карбюраторов, глушителей, бензонасосов, радиаторов, насосов, фурнитуры;
  • литейная – затворы оружия;
  • электротехническая – изготовление аккумуляторов, батареек;
  • полиграфическая – для набора текстов и печати иллюстраций;
  • обрабатывание металлоконструкций – металлизация и оцинковка различных поверхностей от разрушения и коррозии металла;
  • медицина – антисептические и противовоспалительные средства, получение радионуклидов для диагностики и лечения ряда заболеваний;
  • производство краски – изготовление цинковых белил;
  • строительная – для кровли, облицовки стен, водосточных труб, желобов;
  • искусство – чеканка монет, графика;
  • ювелирная – личные украшения, шкатулки, пуговицы, молнии, декоративные накладки;
  • бытовая – для кухонного оборудования, карнизов.

Цинковые литейные сплавы

К сплавам для литья под давлением предъявляются следующие требования. Они должны:

  • обладать отличной жидкотекучестью;
  • не вступать в реакцию и не привариваться к пресс-форме;
  • иметь небольшой интервал кристаллизации;
  • располагать прочностью при высоких температурах.

Такие сплавы используются в следующих случаях:

  1. Для отливки под давлением деталей, имеющих сложную конфигурацию и тонкие стенки. Так получают детали тормозной аппаратуры, насосы, используя свойства сплавов, как устойчивость к растрескиванию, жидкотекучесть, низкая температура плавления.
  2. Для изготовления литых декоративных изделий. После гальванизации на поверхности устанавливается красивое и прочное покрытие. Оно может оказаться не совсем качественным при пористой поверхности или излишнем содержании алюминия.
  3. Для получения антифрикционных цинковых сплавов, используемых в машиностроении.
  4. Для литья типографских шрифтов. С изменением технологий отпадает необходимость их изготовления.

Автомобилестроение

Автомобильная промышленность – это одна из передовых областей машиностроения. Здесь стабильно проводятся исследования по использованию новейших материалов и сплавов, которые обладают значительными эксплуатационными и технологическими свойствами. К ним можно отнести и цинковые сплавы по ГОСТ 21437-75.

К нему принадлежат четыре марки сплавов, две из которых относятся к литейным, а другие – к обрабатываемым давлением. Данные материалы используются для производства деталей автомобиля (втулок и подшипников), обладающих антифрикционными свойствами. Литые сплавы из цинка ГОСТ 19424-74 и 25140-82 применяют для изготовления карбюраторов, имеющих сложную форму, и бензонасосов методом литья под давлением, используя их свойство высокой жидкотекучести. Недостаток сплавов – детали практически не подлежат ремонту.

Вместо заключения

Латуни – цинковые сплавы — находят широкое применение в машиностроительной промышленности. Их используют для производства особо прочных деталей, где требуются точные отливки. Большая часть вырабатываемого в мире цинка идет на изготовление оцинкованной стали, потому что он образует защитную пленку, предотвращая их от коррозии. Незаменимы сплавы при изготовлении различных источников электрического тока. Являясь компонентом в припоях, этот цветной металл снижает температуру плавления. Медицинские препараты, содержащие окиси цинка, обладают противовоспалительными и антисептическими свойствами.

Недостаточное количество содержания цинкового микроэлемента в организме человека приводит к возникновению серьезных заболеваний: язвы желудка, цирроза печени, атеросклероза.

Цинк и его сплавы. Структура и свойства чистого цинка. Сплавы цинка. Припои

Страницы работы

Содержание работы

ЦИНК И ЕГО СПЛАВЫ

§ I. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЧИСТОГО ЦИНКА

Цинк является одним из важных промышленных металлов В чистом виде он применяется для антикоррозионных и декора­тивных покрытий, гальванических элементов, в типографском деле и других отраслях техники. Химический состав промышлен­ных марок цинка дан в табл. 50.

Цинк хорошо обрабатывается в горячем состоянии. Прокатка цинка обычно производится при температуре 130— 170°.

Механические свойства цинка характеризуются следующими средними показателями: σ=15 кг/мм²,δ=20%,ψ=70% и HB=30 кг/мм².

Микроструктура литого цинка дана на рис. 149 атласа. На рис. 150 атласа приведена структура цинка после деформации и

рекристаллизации. В рекристаллизованной структуре цинка, в отличие от меди, никеля и другихметаллов кубической системы, отсутствуют двойники.
Примеси, имеющиеся в цинке,оказывают заметное влияние на его твердость .

Из встречающихся примесей в цинке(Fe, Pb, Cd, Sn и др.) наибольшее влияние на рекристаллизацию оказывает железо.В присутствии тысячных долей процента железа цинк рекристаллизуется при комнатной температуре.

Цинк, содержащий 0,01% Fe, рекристаллизуется только при температуре 70—100°.

Железо повышает твердость цинка и сильно снижает его пластичность.

Цинк с железам образует твердый раствор (η), однако раст­воримостъ последнего в цинке ничтожна (около 0,01% Fe). Кро­ме этого, в сплавах, богатых цинком, образуется эвтектика, со­держащая всего лишь 0,018% Fe, в состав которой входит δ-фаза (твердый раствор на основе химического соединения FeZn). Так как кристаллы δ(FeZn)-фазы тверды и хрупки, то это соединение сообщает цинку повышенную твердость и хрупкость. При содержании 0,2% Fe цинк становится хрупким, и его обра­ботка затрудняется.

Свинец, кадмий и олово образуют с цинком легкоплавкие эв­тектики, которые, залегая по границам зерен, служат причиной образования трещин на цинке при горячей обработке. Подобное явление наблюдается на цинке, содержащем примеси олова и кадмия. Однако действие кадмия проявляется в меньшей степени вследствие его значительной растворимости (до 2%) в цинке.

Вредное влияние олова и свинца проявляется еще в большей степени, если эти примеси присутствуют одновременно, так как в этом случае появляется тройная эвтектика Zn+Sn + Pb, залегаю­щая по границам зерен и плавящаяся при температуре 150°.

В некоторые сорта цинка (полиграфический цинк) свинец вво­дится умышленно в количестве до 1%, чтобы повысить раство­римость последнего в кислотах при изготовлении клише.

Очень чистый цинк имеет достаточную устойчивость против коррозии. Образующаяся на его поверхности защитная окисная пленка обладает удовлетворительной стойкостью в атмосферных условиях и против действия морской воды.

§ 2. СПЛАВЫ ЦИНКА

Сплавы на основе цинка применяются в промышленности для производства отливок и для обработки давлением, а также для подшипников и припоев.

1. Литейные сплавы

Литейные сплавы цинка в основном используются для мелких фасонных деталей, получаемых литьем под давлением. Наиболее типичные составы сплавов и их механические свойства даны в табл.51

Эти сплавы можно условно разделить на три группы: сплавы цинка с алюминием, цинка с медью и тройные сплавы цинка с алюминием и медью. Двойной сплав цинка с алюминием указан­ного выше состава имеет струк­туру, данную на рис. 151 атласа.

Как видно из микрофотогра­фии, сплав состоит из первичных кристаллов и эвтектики. Соглас­но диаграмме состояния систе­мы Zn—А1, приведенной на рис. 122, первичными кристаллами яв­ляются твердый раствор алюми­ния в цинке (β-фаза), а эвтекти­кой — смесь кристаллов άиβ (ά-твердый раствор цинка в алю­минии). Однако при медленном охлаждении ά-фаза при температуpe 270° распадается на эвтектоид по реакции:

где ά1 является также твердым раствором цинка в алюминии, но содержит в своём составе 27% Zn. Фаза ά имеет состав: 79% Zn и 21%Al.

Необходимо указать, что если быстрым охлаждением удастся предотвратить распад ά-твердого раствора, то в силу неустойчи­вого его состояния при обычных температурах, происходит рас­пад уже в готовых изделиях. Этот процесс часто называется ес­тественным старением. При старении происходит изменение свой­ств и линейных размеров отливок. Изменение линейных размеров

сплава с 4,1% А1, 0,04% Mg, остальное Zn и некоторых его свойств при естественном старении показано на рис. 123.

Небольшие добавки магния (до 0,1%) уменьшают скорость распада ά-фазы и повышают прочность сплава.

Сплавы цинк-медь выгодно отличаются от сплавов цинк-алю­миний тем, что в них не наблюда­ется старения, однако они имеют более низкие механические свой­ства.

Характер взаимодействия цинка с медью определяется ди­аграммой состояния, данной на рис. 124, где применяемые в прак­тике сплавы отмечены заштрихо­ванной областью.

Промышленный сплав (4% Си, остальное Zn) находится в двухфазной области и имеет перитектическую структуру, обра­зующуюся в результате следую­щих процессов кристаллизации:

1 стадия: 2 стадия:

Структура сплава дана на рис. 152 атласа.

Тройные сплавы цинк-алюминий-медь находят наиболее ши­рокое применение вследствие их более высоких механических свойств. Процесс кристаллизации и структуру этих сплавов мож­но описать, руководствуясь проекцией поверхностей ликвидуса диаграммы состояния Zn—А1—Си, приведенной на рис. 125.

На рис. 125 точка Ет является тройной эвтектической точкой. Температура плавления тройной эвтектики 377°, состав эвтекти­ки: 89,1% Zn, 7,05% А1 и 3,85% Си.

Применяемые в промышленности сплавы в соответствии с их средним составом обозначены точками a и b.

Согласно поверхностям ликвидуса кристаллизации сплава a (4% Al, 1% Cu, остальное цинк) протекает в следующие три стадии:

Структура сплава, содержащего 4% А1, 1% Си, остальное Zn, приведена на риc. 153 атласа.

Цинковые сплавы: описание, структура и свойства

СПЛАВЫ ЦИНКОВЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ

Zinc alloys for casting. Grades

Дата введения 1995-01-01

1. РАЗРАБОТАН Межгосударственным техническим комитетом 106 «Цветметпрокат», Государственным научно-исследовательским и проектным институтом цветных металлов (Гипроцветметобработка)

ВНЕСЕН Госстандартом России

2. ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 4-93 от 19 октября 1993 г.)

За принятие проголосовали:

Наименование национального органа по стандартизации

Госстандарт Республики Казахстан

3. Постановлением Комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 02.06.94 N 160 межгосударственный стандарт ГОСТ 25140-93 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 1995 г.

ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка

Номер пункта, приложения

________________
* На территории Российской Федерации действуют ГОСТ 25284.0-95 и ГОСТ 25284.8-95, соответственно. Здесь и далее. — Примечание изготовителя базы данных.

1. Настоящий стандарт устанавливает марки цинковых литейных сплавов в отливках.

2. Марки и химический состав цинковых литейных сплавов должны соответствовать нормам, указанным в табл.1.

примесей, не более

1. По требованию потребителя в сплавах марок ZnA14A, ЦА4о, ЦА4 допускается массовая доля меди как легирующего элемента до 0,10%.

2. По согласованию изготовителя с потребителем в сплавах марок ЦА4М3о допускается массовая дога олова до 0,002%, кадмия — до 0,004% при сумме примесей свинца, кадмия и олова не более 0,009%.

3. По требованию потребителя в сплавах марок ЦА4, ЦА4М1 и ЦА4М3 массовая доля свинца должна быть не более 0,006%.

4. Определение химического состава сплавов проводят по ГОСТ 25284.0 — ГОСТ 25284.8. Допускается определять химический состав другими методами, обеспечивающими точность не ниже приведенной в указанных стандартах.

При возникновении разногласий в оценке химического состава определение проводят по ГОСТ 25284.0 — ГОСТ 25284.8.

5. Звездочкой отмечены сплавы, изготовляемые по согласованию потребителя с изготовителем.

3. Механические свойства сплавов приведены в приложении 1.

4. Физические характеристики сплавов и рекомендации по их применению приведены в приложениях 2 и 3.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (справочное). МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ

1. Механические свойства цинковых сплавов приведены в табл.2.

Цинк и его сплавы

Цинк – синевато-белый металл. Температура плавления цинка 419,5 ºС, удельный вес 7,13 г/см 3 .

Цинк имеет гексагональную решетку от комнатной температуры до температуры плавления. Аллотропических превращений цинк не испытывает. Чистый цинк при комнатной температуре очень хрупок, при температуре 100-150 ºС пластичен, хорошо поддается прокатке и прессованию. Чистый цинк при обычных условиях на сухом воздухе устойчив против коррозии. Во влажной атмосфере или в воде покрывается плотной пленкой углекислой соли, предохраняющей от дальнейшего окисления. При высоких температурах оказывается весьма активным.

Основное количество цинка (до 50% производимого в промышленности) используется для защиты железа и стали от атмосферной коррозии. Цинк и его сплавы широко применяется в полиграфической промышленности для изготовления шрифтов и клише, используются в качестве сплавов для литья под давлением, а также, в некоторых случаях, как проводниковые материалы вместо меди. Его электропроводность составляет 30% от электропроводности меди.

В качестве примесей в цинке могут быть свинец, олово и железо. Примеси свинца очень сильно влияют на коррозионную стойкость цинка, поскольку электрохимический потенциал свинца значительно отличается от потенциала цинка. Благодаря контактным явлениям на границе между Pb и Zn возникает гальваническая пара, которая активно работает во влажной атмосфере и, особенно, в разбавленных кислотных растворах по механизму электрохимического растворения цинка.

Читать еще:  Почему нельзя соединять медь и алюминий в электропроводке?

Олово даже при содержании сотых долей процента образует с цинком легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 198 ºС. Еще более легкоплавкая эвтектика образуется при одновременном наличии олова и свинца. Температура плавления тройной эвтектики 150 ºС. Поэтому наличие в цинке и его сплавах примесей олова и свинца резко затрудняет обработку давлением, поскольку уже при 150 ºС под действием даже небольших напряжений происходит межзеренное нарушение.

Примеси железа приводят к образованию хрупких интерметаллидов FeZn7 и Fe3Zn10, охрупчивающих сплавы, в связи с чем содержание железа в цинковых сплавах ограничивается 0,1 %.

Одними из основных сплавов цинка являются уже рассмотренные нами латуни, в которых содержится до 40 % Zn.

Сплавами на основе Zn в основном являются сплавы, содержащие в качестве легирующих элементов алюминий и медь. В связи с высокой жидкотекучестью и легкоплавкостью, цинковые сплавы широко применяют для литья под давлением. Литейные цинковые сплавы содержат до 4,5 % Al и до 5 % Cu. Структура литейных сплавов представляет собой смесь избыточных дендритных кристаллов b фазы и сильно травящегося эвтектоида (a1 + b)э. При ускоренном охлаждении эвтектоидный распад можно подавить, зафиксировав при комнатной температуре переохлажденную a2 фазу. В процессе хранения может протекать распад a2 фазы, т.е. процесс старения, сопровождающийся упрочнением. Однако это приводит к короблению деталей. В связи с этим для увеличения устойчивости a2-фазы в сплав вводят до 0,1% Mg. Литейные цинковые сплавы в литом состоянии имеют сравнительно высокие механические свойства sв = 36 кг/мм 2 , d = 2,5 %. Для защиты от коррозии их никелируют или создают иное антикоррозионное или декоративное покрытие.

Деформируемые цинковые сплавы также легируется алюминием (до 15%), медью (до 5 %) и магнием (0,03-0,05 %). Эти сплавы хорошо прокатываются в листы, обрабатываются глубокой вытяжкой. Сплавы обладают высокой прочностью при удовлетворительной пластичности sв = 360 МПа, d = 6 %, КСU>20 Дж/см 2 .

Наиболее прочным цинковым сплавом является сплав с 32 % Al и 3 % Cu. Этот сплав в горячепрессованном виде имеет sв = 500 МПа, d около 10 %.

Подшипниковые сплавы на основе Zn применяются сравнительно мало. Это связано с тем, что хотя цинковые сплавы имеют большую прочность по сравнению с подшипниковыми сплавами на основе олова, но они очень быстро разрушаются в связи с низкой коррозионной стойкостью.

Цинковые сплавы применяются в качестве припоев для пойки алюминия и магния. Эти сплавы построены на основе системы Zn-Cd. Наиболее широко применяемым припоем является сплав цинка с кадмием с содержанием 40% Cd. Этот сплав соответствует эвтектическому составу с температурой плавления 266 ºС.

Цинк и его сплавы

Содержание

  • 1 Цинк
  • 2 Цинковые антифрикционные сплавы
  • 3 Свойства и характеристики ЦАМ4-1
  • 4 Особенности получения цинка ЦАМ4-1
  • 5 Рафинирование сплава ЦАМ4-1 при получении
  • 6 Особенности литья изделий из цинка ЦАМ4-1
  • 7 Вклад участников

У цинка гексагональная структура. Этим объясняется резкая анизотропия его свойств. Прочностные свойства в поперечном (к прокатке) направлении значительно выше, чем в продольном. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопластичен, а при 100—150 °С становится пластичным и может быть подвергнут обработке давлением — прокатке, прессованию, штамповке и глубокой вытяжке.

Чистый цинк кристаллизуется в процессе обработки давлением и не нуждается в смягчающем отжиге. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Отрицательное влияние на горячую обработку оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199 °С, и особенно одновременное присутствие олова и свинца, образующих с цинком тройную эвтектику с температурой плавления 150 °С. Железо задерживает рекристаллизацию цинка.

В процессе естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров отлитых изделий (на 0,07—0,09 %), Две третьих усадки происходит в течение 4—5 недель, остальная — в течение многих лет. Для стабилизации размеров применяют термообработку — отжиг (3—6 ч при 100 °С, или 6—10 ч при 85 °С, или 10—20 ч при 70 °С).

Сплавы могут подвергаться пайке и сварке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как паяные швы имеют низкую прочность. Оловянно-свинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные сплавы. Флюс — подкисленный хлористый цинк. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5 % Cd, 17,5 % Zn. В этом случае флюс не требуется.

Сварку ведут в восстановительном пламени. Электроды и изделие изготовляют из одного сплава.

Наиболее широко литейные цинковые сплавы используют в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлического тормоза, различных декоративных деталей. Помимо этого сплавы применяют для отливки деталей стиральных машин, пылесосов, пишущих машинок, кассовых аппаратов, миксеров, корпусов электрических часов, различного кухонного оборудования и т. д. Эти сплавы нельзя использовать в условиях повышенных и низких температур, так как уже при температуре 100 °С прочность снижается на 30 %, твердость — на 40 %, а при температуре ниже 0 °С они становятся хрупкими.

Для повышения коррозионной стойкости и для декоративных целей на цинковые изделия наносят различные защитные покрытия. В зависимости от условий службы цинковых изделий применяют двух- или трехслойные защитные покрытия различных толщин. Как правило, в качестве покрытий используют медь, никель и хром.

Цинковые антифрикционные сплавы

Наибольшее распространение получили антифрикционные цинково-алюминиево-медные сплавы. Их применяют как в литом, так и в деформированном (прокатанном или прессованном) состоянии.

Отличаясь высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью при комнатной температуре, эти сплавы служат хорошими заменителями бронз при работе в узлах трения, температура которых не превышает 80—100 °С. При более высоких температурах сплавы сильно размягчаются и намазываются на вал. предусматривает две марки сплава — ЦАМ 9—1,5 в ЦАМ 10-5.

У цинковых сплавов высокий коэффициент линейного расширения, что следует учитывать при установлении величины зазора в подшипнике.

Из цинковых антифрикционных сплавов в основном изготавливают литые монометаллические и биметаллические детали. Из сплава ЦАМ 10-5 изготавливают прокат. При изготовлении литых деталей используют чушковые сплавы либо приготавливают сплав из первичных материалов с использованием оборотов литейного производства и переплава. Плавку рекомендуется проводить под слоем древесного угля. В качестве флюса принимают хлористый аммоний в количестве 0,1—0,2 % от массы плавки. Большее количество флюса добавляют при загрязненной шихте.

Металл нельзя перегревать выше 480 °С, так как при более высокой температуре происходит сильное насыщение расплава газами. Температура литья цинковых антифрикционных сплавов — 440—470 градусов С.

Монометаллические литые детали можно получать отливкой в землю, в кокиль, центробежным способом и литьем под давлением. При разработке технологии отливки изделий следует учитывать, что сплавы ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5 склонны к образованию горячих трещин, поэтому следует избегать форм, создающих затрудненную усадку.

Изделия, отлитые в землю, отличаются от изделий, полученных кокильным литьем, большим количеством пор и более крупными размерами зерен. Наблюдается значительный разброс характеристики механических свойств. Поэтому литье в землю целесообразно применять только для деталей сложной конфигурации, которые трудно отливать в кокиль.

При центробежном литье (линейная скорость на периферии 6—8 м/с, скорость литья 2—2,5 кг/с) следует учитывать возможность получения в отливке зоны столбчатых кристаллов с пониженными механическими свойствами. С увеличением скорости структура становится мелкозернистой, но наблюдается заметная ликвация структурной составляющей сплава, богатой алюминием. Поэтому для получения ответственных деталей центробежное литье нужно применять с осторожностью.

Биметаллические литые детали, состоящие из цинкового антифрикционного сплава и стали, изготовляют путем заливки сплава на сталь через подслой чистого цинка, наносимого способом горячего цинкования. Для получения прочного соединения необходимо обезжирить и протравить стальную поверхность. После флюсования (температура флюса не должна превышать 150 °С) стальное основание подогревают, оцинковывают (в цинковую ванну добавляют 0,5% алюминия; содержание железа в ванне не должно превышать 0,5 %), устанавливают в форму и заливают сплавом.

Существенно повышается коэффициент использования металла при изготовлении деталей из проката. Сплав ЦАМ 9-1,5 хорошо обрабатывается вхолодную, тогда как вырубку и штамповку сплава ЦАМ 10-5 лучше проводить при температуре 100—150 °С, при которой этот сплав весьма пластичен. Биметаллический прокат с обоими сплавами обрабатывается без осложнений вхолодную. Усталостная прочность деформированных сплавов, особенно в биметалле, намного выше, чем литых сплавов. Поэтому изделия из них также могут работать в более тяжелых условиях.

При работе цинкового сплава в паре со стальным валом твердость последнего должна быть не ниже НВ 300. По возможности в конструкции монометаллических трущихся деталей следует избегать бортов, резких переходов и т. д., так как цинковые сплавы плохо сопротивляются усталостным разрушениям в условиях воздействия больших изгибающих усилий.

Свойства и характеристики ЦАМ4-1

Особенности получения цинка ЦАМ4-1

Особенности получения цинка ЦАМ4-1: марка относится к сплавам системы Zn-Al-Cu. К промышленным сплавам этой системы также относятся сплавы ЦАМ4-3, ЦАМ10-5, ЦАМ9-4,5. Сплавы типа ЦАМ при плавке в тигельных печах готовят следующим образом.

В тигель, предварительно очищенный и разогретый до 400—500 °С, или в печь, подогретую до 500—600 °С, загружают примерно 2/3 необходимого по расчету количества цинка, алюминиево-медную лигатуру (50 % А1 и 50 % Си), а также чистые алюминий и медь в количествах, определяемых расчетом шихты в зависимости от марки сплава. Шихту засыпают хорошо прокаленным древесным углем. По мере расплавления загруженной части шихты сплав перемешивают, и при температуре 480—500 °С догружают остальной частью цинка (1/3 от общего количества). Непосредственно перед разливкой в расплав вводят магний с помощью дырчатого колокольчика.

Готовый сплав при 470—490 °С рафинируют хлористым цинком или хлористым аммонием (0,1-0,2 % от массы шихты). После отстаивания и удаления с поверхности расплава шлака сплав направляют на разливку.

Плавку ведут при 470-500 °С. Сплавы цинка, в которых основным легирующим компонентом является медь (ЦАМ4-3, ЦАМ10-5), допустимо выплавлять при более высоких температурах (500-550 °С).

Рафинирование сплава ЦАМ4-1 при получении

Рафинирование сплава ЦАМ4-1 при получении: неметаллические включения в цинковом сплаве ЦАМ4-1 присутствуют в виде ферритов типа (Zn, Сu)Ох(Fe, Al)2О3. Позднее было установлено, что в отливках из сплава ЦАМ4-1 наряду с интерметаллидами FeAl3 присутствуют включения SiО2, шпинели 3А12О3•2SiО2 и ZnAl2О4. При этом на долю неметаллических, включений приходится от 30 до 80 % общего содержания включений. В свою очередь оксидные включения представляют собой в основном шпинели, причем доля шпинелей ZnAl2О4 составляет около 90 % от всего их количества.

Источником обогащения отливок включениями ZnAl2О4 является окисленная и влажная шихта. Соединение SiО2 и 3А12О3 • 2SiО2 вносятся в расплав с шихтой, загрязненной кварцевым песком и глиной.

Эффективность рафинирования цинковых расплавов оценивают по изменению плотности и пористости образцов, по изменению количества взвешенных неметаллических включений, скорости коррозии образцов и по другим характеристикам. Так, в работе при выборе оптимального состава флюса в системе ZnCl2 — Na3AlF6 — NaCl, обеспечивающего наилучшую рафинирующую способность сплава ЦАМ4-1, оценивали изменение величины площади, занятой на образце неметаллическими включениями, а также изменение процентного содержания металла в шлаке, снимаемого с обрабатываемой поверхности ванны. Полученные результаты позволили построить диаграмму типа состав-свойство и выбрать оптимальный состав флюса: 64 % ZnCl2, 10 % Na3 A1F6 и 26 % NaCl.

Флюсы вводят в цинковый расплав в два этапа. На первом этапе при проведении предварительной операции рафинирования применяется флюс следующего состава: канифоль 62—89 %, кокосовое масло 3—12 %, хлористый аммоний 8—26 %; на втором (окончательном) этапе рафинирования (при многоступенчатых режимах), флюс содержит: канифоль 57—92 %, битум 5—2 8%, хлористый аммоний 3—15 %. В другом варианте на первом этапе применения флюс с содержанием 35—55 % канифоли, 30—40 % смолы хвойных деревьев, 4—12% озокерита, 5—15% парафина; на втором этапе испольуют флюс следующего состава: 42—74 % канифоли, 13—50 % смолы хвойных деревьев, 3—8 % стеарина. На каждом этапе после введения флюса расплав выдерживают в течение 30-50 мин с последующим удалением дроссов. В случае рафинирования цинковых сплавов оксиды других металлов, не прореагировавшие с составляющими флюса, могут всплывать на поверхность расплава вместе с оксидами цинка.

Особенности литья изделий из цинка ЦАМ4-1

Особенности литья изделий из цинка ЦАМ4-1: цинковые сплавы для литья под давлением должны обладать высокой жидкотекучестью при небольшом перегреве, не взаимодействовать с металлом пресс-форм и камер прессования, не привариваться к пресс-формам. Сплавы должны обладать малым интервалом кристаллизации, прочностью при высоких температурах, так как отливки подвергаются значительным нагрузкам при усадке и плотном обжатии металлических стержней, при снятии со стержней и выталкивании из пресс-формы. В России для литья под давлением применяются в основном цинковые сплавы ЦАМ4-3, ЦАМ4-1, а также некоторые другие.

Отливки из цинковых сплавов получают на компрессорных и поршневых машинах для литья под давлением. Наибольшее распространение в нашей стране для получения цинковых отливок получило литье под поршневым давлением на машинах с холодной камерой прессования.

При литье под давлением к конструкции отливок предъявляют следующие требования:

  1. отливка не должна иметь выступов и поднутрений, препятствующих извлечению стержней и вставок из отливки и удалению ее из формы;
  2. отливка не должна иметь большого различия в толщинах стенок: утолщение отдельных мест отливок следует уменьшать с помощью ребер, отверстий, уголков жесткости; ребра жесткости обеспечивают необходимую прочность отливки при меньшем расходе металла;
  3. отливки должны иметь литейные уклоны в направлении извлечения стержней и вставок и разъема формы: для наружных поверхностей уклоны должны быть не меньше 0о 15; а для внутренних поверхностей, оформляемых подвижными стержнями, — не менее 0°30, неподвижными — не менее 1 °;
  4. отливки не должны иметь острых углов (кроме углов в плоскости разъема) и больших радиусов перехода от одного сечения стенки к другому.

Отливки, получаемые литьем под давлением, по степени сложности делят на три категории:

I — отливки простой конфигурации с глухими поверхностями или незначительными, простыми по форме ребрами и выступами, имеющие литейные уклоны на внутренней поверхности 1°, на внешней 0°30. II — отливки с прямолинейными и криволинейными поверхностями, с углублениями и выступами, с резкими переходами от тонких сечений к толстым; литейные уклоны на внутренней поверхности 0°30 — 1°, на внешней поверхности 0°15-0°30. III — отливки сложной конфигурации с прямолинейными и криволинейными поверхностями сложных очертаний, со значительным количеством углублений, выступов, ребер, окон, с глубокими отверстиями малых размеров; минимальные литейные уклоны на внутренней поверхности 0°30, на внешней 0°15.

Точность отливок зависит от правильного исполнения размеров полости пресс-формы с учетом усадки сплава и степени износа формы при эксплуатации. Усадка цинковых сплавов для отливок со стенками толщиной 1-3 мм составляет 0,4-0,5 %; при большей толщине стенок отливки усадка составляет 0,5-0,6 %. Состав сплава, температура сплава и формы, продолжительность выдержки металла в форме также оказывают влияние на точность отливок. Класс точности цинковых отливок, получаемых литьем под давлением, зависит от их номинальных размеров. С увеличением размеров отливок точность уменьшается. Размерам отливок до 30 мм соответствует 4-й класс точности, размерам 30-120 и 120-360 мм — 5-й и 7-й классы соответственно.

Чистота поверхности отливок зависит от чистоты поверхности пресс-формы. При литье под давлением цинковых сплавов чистота поверхности отливок достигает 7-8-го класса. Однако по мере износа пресс-формы чистота поверхности ухудшается. Средние значения чистоты поверхности отливок соответствуют 6-му классу.

Цинк и его сплавы: химический состав, физические свойства, применение

Цинк — хрупкий голубовато-белый металл. В природе без примесей не встречается. В 1738 году Уильям Чемпион добыл чистые пары цинка с помощью конденсации. В периодической системе Менделеева находится под номером 30 и обозначается символом Zn.

Читать еще:  Цементация стали ее сущность и назначение

Свойства цинка

Химические свойства цинка

Цинк — активный металл. При комнатной температуре тускнеет и покрывается слоем оксида цинка.

  • Вступает в реакцию со многими неметаллами: фосфором, серой, кислородом.
  • При повышении температуры взаимодействует с водой и сероводородом, выделяя водород.
  • При сплавлении с щелочами образует цинкаты — соли цинковой кислоты.
  • Реагирует с серной кислотой, образуя различные вещества в зависимости от концентрации кислоты.
  • При сильном нагревании вступает в реакции со многими газами: газообразным хлором, фтором, йодом.
  • Не реагирует с азотом, углеродом и водородом.

Физические свойства цинка

Цинк — твердый металл, но становится пластичным при 100–150 °C. При температуре выше 210 °С может деформироваться. Температура плавления — очень низкая для металлов. Несмотря на это, цинк имеет хорошую электропроводность.

  • Плотность — 7,133 г/см³.
  • Теплопроводность — 116 Вт/(м·К).
  • Температура плавления цинка — 419,6 °C.
  • Температура кипения — 906,2 °C.
  • Удельная теплота испарения — 114,8 кДж/моль.
  • Удельная теплота плавления — 7,28 кДж/моль.
  • Удельная магнитная восприимчивость — 0,175·10-6.
  • Предел прочности при растяжении — 200–250 Мн/м 2 .

Подробный химический состав цинка различных марок указан в таблице ниже.

Обозначение марок Цинк, не менее Примесь, не более
свинец кадмий железо медь олово мышьяк алюминий всего
ЦВ0099,9970,000010,0020,000010,000010,000010,00050,000010,003
ЦВ099,9950,0030,0020,0020,0010,0010,00050,0050,005
ЦВ99,990,005*0,0020,0030,0010,0010,00050,0050,01
Ц0А99,980,010,0030,0030,0010,0010,00050,0050,02
Ц099,9750,0130,0040,0050,0010,0010,00050,0050,025
Ц199,950,020,010,010,0020,0010,00050,0050,05
Ц298,71,00,20,050,0050,0020,010,010**1,3
Ц397,52,00,20,10,050,0050,012,5
* В цинке, применяемом для производства сплава марки ЦАМ4-1о, массовая доля свинца должна быть не более 0,004%. ** В цинке, применяемом для проката, массовая доля алюминия должна быть не более 0,005%.

Содержание примесей в цинке зависит от способа производства и качества сырья.

В России основной процент цинка получают гидрометаллургическим способом — металл восстанавливают из солей в растворах. Такой способ позволяет получить наиболее чистый металл. Но часть цинка обрабатывают при высоких температурах. Такой метод называют пирометаллургическим.

Свинец — особая примесь в цинке, так как основная его часть оседает из-за нерастворимых анодов, содержащихся в металле. Катодный цинк, помимо всех указанных примесей, состоит из хлора и фтора.

Как примеси изменяют свойства цинка

Производители ограничивают содержание кадмия, олова и свинца в литейных сплавах цинка, чтобы подавить межкристаллитную коррозию.

Олово — вредная примесь. Металл не растворяется и выделяется из расплава — способствует ломкости цинковых отливок. Кадмий напротив — растворяется в цинке и снижает его пластичность в горячем состоянии. Свинец увеличивает растворимость металла в кислотной среде.

Железо повышает твердость цинка, но снижает его прочность. Вместе с тем оно усложняет процесс заполнения форм при литье.

Медь увеличивает твердость цинка, но уменьшает его пластичность и стойкость при коррозии. Содержание меди также мешает рекристаллизации цинка.

Наиболее вредная примесь — мышьяк. Даже при небольшом ее количестве металл становится хрупким и менее пластичным.

Чтобы избежать растрескивания кромок при горячей прокатке цинка, содержание сурьмы не должна быть выше 0,01%. В горячем состоянии она увеличивает твердость цинка, лишая его хорошей пластичности.

Сплавы цинка

Сплавы на цинковой основе с добавлением меди, магния и алюминия имеют низкую температуру плавления и обладают хорошей текучестью. Они легко поддаются обработке, свариванию и паянию.

Латунь

Различают латуни двухкомпонентные и многокомпонентные.

Двухкомпонентная латунь — сплав цинка с высоким содержанием меди. Существует желтая латунь с медью в количестве 67%, золотистая медь или томпак — 75%, и зеленая — 60%. Такие сплавы могут деформироваться при температуре 300 °C.

Многокомпонентные латуни, помимо 2-х основных металлов, состоят из других добавок: никеля, железа, свинца или марганца. Каждый из элементов влияет на свойства сплава.

ЦАМ — семейство цинковых сплавов. В их состав входят магний, алюминий и медь. Такие сплавы цинка используются в литейном производстве. В них содержится алюминий в количестве 4%.

Основная область применения сплавов ЦАМ — литье цинка под давлением. Сплавы этого семейства обладают низкой температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Их высокопрочность позволяет производить прочные и сложные детали.

Вирениум

Сплав состоит из цинка (24,5%), меди (70%), никеля (5,5%).

Производств цинка

Добыча металла

Цинк как самородный металл в природе не встречается. Добывается из полиметаллических руд, содержащих 1–4% металла в виде сульфида, а также меди, свинца, золота, серебра, висмута и кадмия. Руды обогащаются селективной флотацией и получаются цинковые концентраты (50–60% Zn).

Концентраты цинка обжигают в печах. Сульфид цинка переводится в оксид ZnO. При этом выделяется сернистый газ SO2, который используется в производстве серной кислоты.

Получение металла

Существуют два способа получения чистого цинка из оксида ZnO.

Самый древний метод — дистилляционный. Обожженный концентрированный состав подвергают термообработке, чтобы придать ему зернистость и газопроницаемость.

Затем концентрат восстанавливают коксом или углем при температуре 1200–1300 °C. В процессе образуются пары металла, которые конденсируют и разливают в изложницы. Жидкий металл отстаивают от железа и свинца при температуре 500 °C. Так достигается цинк чистотой 98,7%.

Иногда используется сложная и дорогая обработка цинка ректификацией — разделением смесей за счет обмена теплом между паром и жидкостью. Такая чистка позволяет получить металл чистотой 99,995% и извлечь кадмий.

Второй метод производства цинка — электролитический. Обожженный концентрат обрабатывается серной кислотой. Готовый сульфатный раствор очищается от примесей, после чего подвергается электролизу в свинцовых ваннах. Цинк дает осадок на алюминиевых катодах. Полученный металл удаляют с ванн и плавят в индукционных печах. После этого получается электролитный цинк чистотой 99,95%.

Литье металла

Горячий цинк — жидкий и текучий металл. Благодаря таким свойствам он легко заполняется в литейные формы.

Примеси влияют на величину натяжения поверхности цинка. Технологические свойства металла можно улучшить, добавив небольшое количество лития, магния, олова, кальция, свинца или висмута.

Чем выше температура перегрева цинка, тем лучше он заполняет формы. При литье металла в чугунные изложницы его объем уменьшается на 1,6%. Это затрудняет получение крупных и длинных цинковых отливок.

Применение цинка

Для защиты металлов от коррозии

Чистый цинк используется для защиты металлов от коррозии. Основу покрывают тонкой пленкой. Этот процесс называется металлизацией.

В автомобильной отрасли

Сплавы на цинковой основе используют для оформления декора автомобильного салона, в производстве ручек дверей, замков, зеркал и корпусов стеклоочистителей.

В автомобильные покрышки добавляют окись цинка, которая повышает качество резины.

В батарейках, аккумуляторах и других химических источниках тока цинк используется как материал для отрицательного электрода. В производстве электромобилей применяются цинк-воздушные аккумуляторы, которые обладают высокой удельной энергоемкостью.

В производстве ювелирных украшений

Ювелиры добавляют цинк в сплавы на основе золота. В итоге они легко поддаются ковке и становятся пластичными — прочно соединяют мелкие детали изделия между собой.

Металл также осветляет ювелирные изделия, поэтому его часто используют в изготовлении белого золота.

В медицине

Окись цинка применяется в медицине как антисептическое средство. Окись добавляют в мази и другие составы для заживления ран.

Благодаря своим свойствам, цинк широко применяется в различных областях промышленности. Металл пользуется спросом из-за относительно низкой цены и хороших физических свойств.

ЦИНК И ЕГО СПЛАВЫ

Чистый цинк рекристаллизуется в процессе обработки давлением и не нуждается в смягчающем отжиге. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Отрицательное влияние на горячую обработку оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199° С, и особенно одновременное присутствие олова и свинца, образующих с цинком тройную эвтектику с температурой плавления 150° С. Железо задерживает рекристаллизацию цинка.

В процессе естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров отлитых изделий (на 0,07—0,09%), Две третьих усадки происходит в течение 4—5 недель, остальная — в течение многих лет. Для стабилизации размеров применяют термообработку — отжиг (3—6 ч при 100° С, или 6—10 ч при 85° С, или 10—20 ч при 70° С).

Сплавы могут подвергаться пайке и сварке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как паяные швы имеют низкую прочность. Оловянно-свинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные сплавы. Флюс — подкисленный хлористый цинк. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5% Cd, 17,5% Zn. В этом случае флюс не требуется.

Сварку ведут в восстановительном пламени. Электроды и изделие изготовляют из одного сплава.

Наиболее широко литейные цинковые сплавы используют в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлического тормоза, различных декоративных деталей. Помимо этого сплавы применяют для отливки деталей стиральных машин, пылесосов, пишущих машинок, кассовых аппаратов, миксеров, корпусов электрических часов, различного кухонного оборудования и т. д. Эти сплавы нельзя использовать в условиях повышенных и низких температур, так как уже при температуре 100° С прочность снижается на 30%, твердость — на 40%, а при температуре ниже 0° С они становятся хрупкими.

Для повышения коррозионной стойкости и для декоративных целей на цинковые изделия наносят различные защитные покрытия. В зависимости от условий службы цинковых изделий применяют двух- или трехслойные защитные покрытия различных толщин. Как правило, в качестве покрытий используют медь, никель и хром.

Цинковые антифрикционные сплавы

У цинковых сплавов высокий коэффициент линейного расширения, что следует учитывать при установлении величины зазора в подшипнике.

Из цинковых антифрикционных сплавов в основном изготавливают литые монометаллические и биметаллические детали. Из сплава ЦАМ 10-5 изготавливают прокат.

При изготовлении литых деталей используют чушковые сплавы либо приготавливают сплав из первичных материалов с использованием оборотов литейного производства и переплава. Плавку рекомендуется проводить под слоем древесного угля. В качестве флюса принимают хлористый аммоний в количестве 0,1—0,2% от массы плавки. Большее количество флюса добавляют при загрязненной шихте.

Металл нельзя перегревать выше 480° С, так как при более высокой температуре происходит сильное насыщение расплава газами. Температура литья цинковых антифрикционных сплавов — 440—470 градусов С.

Монометаллические литые детали можно получать отливкой в землю, в кокиль, центробежным способом и литьем под давлением. При разработке технологии отливки изделий следует учитывать, что сплавы ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5 склонны к образованию горячих трещин, поэтому следует избегать форм, создающих затрудненную усадку.

Изделия, отлитые в землю, отличаются от изделий, полученных кокильным литьем, большим количеством пор и более крупными размерами зерен. Наблюдается значительный разброс характеристики механических свойств. Поэтому литье в землю целесообразно применять только для деталей сложной конфигурации, которые трудно отливать в кокиль.

При центробежном литье (линейная скорость на периферии 6—8 м/с, скорость литья 2—2,5 кг/с) следует учитывать возможность получения в отливке зоны столбчатых кристаллов с пониженными механическими свойствами. С увеличением скорости структура становится мелкозернистой, но наблюдается заметная ликвация структурной составляющей сплава, богатой алюминием. Поэтому для получения ответственных деталей центробежное литье нужно применять с осторожностью.

Биметаллические литые детали, состоящие из цинкового антифрикционного сплава и стали, изготовляют путем заливки сплава на сталь через подслой чистого цинка, наносимого способом горячего цинкования. Для получения прочного соединения необходимо обезжирить и протравить стальную поверхность. После флюсования (температура флюса не должна превышать 150° С) стальное основание подогревают, оцинковывают (в цинковую ванну добавляют 0,5% алюминия; содержание железа в ванне не должно превышать 0,5%), устанавливают в форму и заливают сплавом.

Существенно повышается коэффициент использования металла при изготовлении деталей из проката. Сплав ЦАМ 9-1,5 хорошо обрабатывается вхолодную, тогда как вырубку и штамповку сплава ЦАМ 10-5 лучше проводить при температуре 100—150° С, при которой этот сплав весьма пластичен. Биметаллический прокат с обоими сплавами обрабатывается без осложнений вхолодную. Усталостная прочность деформированных сплавов, особенно в биметалле, намного выше, чем литых сплавов. Поэтому изделия из них также могут работать в более тяжелых условиях.

При работе цинкового сплава в паре со стальным валом твердость последнего должна быть не ниже НВ 300. По возможности в конструкции монометаллических трущихся деталей следует избегать бортов, резких переходов и т. д., так как цинковые сплавы плохо сопротивляются усталостным разрушениям в условиях воздействия больших изгибающих усилий.

Справочник

Химический состав алюминиевых сплавов

Свойства латуни, бронзы, цинковых сплавов

Цинковые сплавы: описание, структура и свойства

Металлы и сплавы так тесно вошли в нашу жизнь, что порой мы даже не задумываемся о них. Еще в 4-3 тысячелетиях до нашей эры произошло первое знакомство человека с самородками. С тех пор прошло много времени, и с каждым годом обработка металла только совершенствовалась.

Большую роль в этом сыграл такой металл, как цинк. Сплавы на его основе используются во многих отраслях. В данной статье мы рассмотрим цинковые сплавы и их роль в нашей жизни.

Переходный металл

Известно, что цинк – это голубовато-белый хрупкий переходный металл. Его добывают из полуметаллических руд. Процесс получения чистого цинка достаточно сложный и трудоемкий. В первую очередь руду, содержащую от 1-4% цинка, обогащают селективной флотацией. Благодаря этому процессу получают концентраты (55% Zn). Далее необходимо получить оксид цинка. Для этого в печах в кипящем слое обжигают полученные концентраты. Только из оксида цинка можно получить этот металл в чистом виде, и для этого существует два способа.

Получение цинка

Первый – электролитический, основывается на обработке оксида цинка серной кислотой. В результате этой реакции образовывается сульфатный раствор, который очищают от примесей и подвергают электролизу. На алюминиевых катодах осаживается цинк, который затем плавят в индукционных печах. Чистота цинка, полученного таким образом, составляет около 99,95%.

Второй способ, наиболее давний – дистилляционный. Концентраты нагревают до очень высокой температуры (около 1000°С), выделяются пары цинка, которые путем конденсации оседают на глиняных сосудах. Но этот способ не дает такой чистоты, как первый. В полученных парах содержится около 3% различных примесей, включая такой ценный элемент, как кадмий. Поэтому дальше Zn очищают ликвацией. При температуре 500°С его отстаивают некоторое время и получают чистоту 98%. Для дальнейшего изготовления сплавов этого достаточно, ведь потом цинк все равно легируют этими же элементами. Если этого недостаточно, применяют ректификацию и получают цинк с чистотой 99,995%. Таким образом, оба способа позволяют получить высокочистый цинк.

Неразлучная пара металлов

Как правило, свинец присутствует в составе цинковых сплавов в качестве примеси. В природе эта неразлучная пара металлов встречается достаточно часто. Но на самом деле, большое содержание свинца в цинковом сплаве ухудшает его физические свойства, создавая склонность к межкристаллитной коррозии, если его содержание превышает 0,007%. Чаще всего свинец и цинк встречаются вместе в оловянных бронзах и латуни.

Если говорить об эвтектике этих двух элементов, то важно заметить, что до температуры 800°С они не смешиваются между собой и представляют две разные жидкости. При быстром охлаждении происходит равномерное распределение Pb в виде округлых включений по границам зерен. Сплав цинк-свинец используется для изготовления типографского клише благодаря тому, что он очень быстро растворяется в кислоте. Чаще всего примеси свинца удаляют из цинка при помощи дистилляционного способа.

Читать еще:  Какие методы измерения твердости металлов используются сегодня?

Сплав меди с цинком

Латунь – это сплав, известный еще до нашей эры. В те времена цинк еще не был открыт, но руда использовалась достаточно широко. Раньше получали латунь, сплавляя смитсонит (цинковую руду) и медь. Только в XVIII веке впервые изготовили этот сплав с использованием металлического цинка.

В наше время существует несколько разновидностей латуни: однофазные и двухфазные. Первые содержат в себе около 35% цинка, а вторые – 50% и 4% свинца. Однофазные латуни очень пластичны, в то время как вторая разновидность характеризуется хрупкостью и твердостью. Рассмотрев диаграмму состояния этих двух элементов, можно сделать вывод, что они образуют ряд фаз электронного вида: β, γ, ε. Интересная разновидность латуни – это томпак. Он содержит всего до 10% цинка и за счет этого отличается очень высокой пластичностью. Томпак с успехом применяется для плакирования стали и получения биметаллов. Раньше его использовали для изготовления монет и имитации золота.

Цинк и сталь

Практически в каждом доме можно встретить оцинкованные вещи: ведра, кастрюли, выварки и пр. Все они надежно защищены от ржавчины именно благодаря цинку. Образно выражаясь, конечно, на сталь наносится напыление этого металла, и по логике вещей речь не идет о сплаве. С другой стороны, зная, как происходит оцинкование, можно утверждать обратное. Дело в том, что цинк плавится при очень низкой температуре (около 400°С), а когда он в жидком состоянии попадает на поверхность стали, то диффундирует в неё.

Атомы обоих веществ очень крепко связываются между собой, образуя железоцинковый сплав. По этой причине можно смело сказать, что Zn не «уложен» на изделие, а «внедрен» в него. Это можно наблюдать в обычной бытовой ситуации. К примеру, на оцинкованном ведре появляется царапина. Начинает ли оно в этом месте ржаветь? Ответ однозначный – нет. Это происходит потому, что при попадании влаги начинают разрушаться соединения цинка, но при этом они образуют некую защиту для стали. Так, в большинстве случаев такие цинковые сплавы предназначены для защиты изделий от коррозии. Конечно, для этих целей можно использовать и другие вещества, такие как хром или никель, но стоимость этих изделий будет в разы больше.

Олово и цинк

Данный сплав не менее популярен, чем другие, уже рассмотренные нами ранее. В 1917-1918-х годах в Болгарии он широко использовался для изготовления специальных сосудов, которые держали теплую жидкость долгое время (аналоги современных термосов). В наше время сплав цинк-олово очень широко используется в радио- и электропромышленности. Это связано с тем, что состав с содержанием Zn 20% очень хорошо паяется, и полировка осадка сохраняется продолжительное время.

Конечно же, как антикоррозионное покрытие данный сплав также может быть использован. По своим характеристикам он очень похож на кадмиевое покрытие, но при этом менее дорогостоящий.

Свойства цинковых сплавов

Конечно же, все составы с этим металлом отличаются между собой его процентным содержанием. В целом цинковые сплавы имеют хорошие литейные и механические свойства. Первое и самое главное – коррозионная стойкость. Больше всего она проявляется в атмосфере сухого чистого воздуха. Возможные проявления коррозии можно заметить в промышленных городах. Это обуславливается наличием в воздухе паров соляной кислоты, хлора и оксидов серы, которые, конденсируясь влагой, затрудняют образование защитной пленки. Медь-олово-цинк – сплав, который характеризуется высокими защитными свойствами. Именно такой состав наименее подвержен коррозии, особенно в условиях промышленной атмосферы. Если говорить о литейных свойствах цинка, то, конечно же, они зависят от легирующих элементов в его сплавах.

Так, например, алюминий делает их структуру однородной, мелкозернистой, облагораживает её, уменьшает отрицательное влияние железа. Еще один важный легирующий элемент – медь. Он увеличивает прочностные характеристики и уменьшает межкристаллическую коррозию. Медно-цинковый сплав обладает высокой ударной вязкостью, но при этом частично теряет свои литейные свойства.

Области применения цинка и его сплавов

На самом деле, детали из цинковых сплавов достаточно распространены и в наше время. Несмотря на то что пластик вытесняет металлические изделия, в некоторых случаях без них не обойтись. Например, автомобилестроение – отрасль, в которой не обойтись без цинковых сплавов. Фильтры, отстойники, корпуса карбюраторов и бензонасосов, надколесные кожухи, глушители – всё это и многое другое изготавливается при помощи соединений этого химического элемента.

Благодаря тому что цинковые сплавы имеют хорошие литейные свойства, из них отливают сложные детали различных форм с минимальной толщиной стенок. Строительство – еще одна область, в которой не обойтись без этих сплавов. Цинковый прокат используют для кровельных покрытий, изготовления труб и сточных желобов. Несмотря на то что существует тенденция снижения производства цинковых сплавов, отказаться от их изготовления не представляется возможным из-за относительной дешевизны и механических свойств материала.

5. Цинковые сплавы

5. Цинковые сплавы

Сплав цинка с медью – латунь – был известен еще древним грекам и египтянам. Но выплавка цинка в промышленных масштабах началась лишь в XVII в.

Цинк – металл светло—серо—голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре и при 200 °C, при нагревании до 100–150 °C становится пластичным.

В соответствии со стандартом цинк изготовляется и поставляется в виде чушек и блоков массой до 25 кг. Стандарт устанавливает также марки цинка и области их применения: ЦВ00 (содержание цинка – 99,997 %) – для научных целей, получения химических реактивов, изготовления изделий для электротехнической промышленности; ЦВО (цинка – 99,995 %) – для полиграфической и автомобильной промышленности; ЦВ1, ЦВ (цинка – 99,99 %) – для производства отливок под давлением, предназначенных для изготовления деталей особо ответственного назначения, для получения окиси цинка, цинкового порошка и чистых реактивов; ЦОА (цинка 99,98 %), ЦО (цинка 99,975 %) – для изготовления цинковых листов, цинковых сплавов, обрабатываемых давлением, белил, лигатуры, для горячего и гальванического цинкования; Ц1С, Ц1, Ц2С, Ц2, Ц3С, Ц3 – для различных целей.

В промышленности широко применяются цинковые сплавы: латуни, цинковые бронзы, сплавы для покрытия различных стальных изделий, изготовления гальванических элементов, типографские и др. Цинковые сплавы в чушках для литья нормируются стандартом. Эти сплавы используются в автомобиле—и приборостроении, а также в других отраслях промышленности. Стандартом установлены марки сплавов, их химический состав, определены изготовляемые из них изделия:

1) ЦАМ4–10 – особо ответственные детали;

2) ЦАМ4–1 – ответственные детали;

3) ЦАМ4–1В – неответственные детали;

4) ЦА4О – ответственные детали с устойчивыми размерами;

5) ЦА4 – неответственные детали с устойчивым размерами.

Цинковые антифрикционные сплавы, предназначенные для производства монометаллических и биметаллических изделий, а также полуфабрикатов, методами литья и обработки давлением нормируются стандартом. Механические свойства сплавов зависят от их химического состава: предел прочности ? В = 250–350 МПа (25–35 КГС/мм 2 ), относительное удлинение ? = 0,4—10 %, твердость – 85—100 НВ. Стандарт устанавливает марки этих сплавов, области их применения и условия работы: ЦАМ9–1,5Л – отливка монометаллических вкладышей, втулок и ползунов; допустимые: нагрузка – 10 МПа (100 кгс/см 2 ), скорость скольжения – 8 м/с, температура 80 °C; если биметаллические детали получают методом литья при наличии металлического каркаса, то нагрузка, скорость скольжения и температура могут быть увеличены до 20 МПа (200 КГС/см 2 ), 10 м/с и 100 °C соответственно: ЦАМ9–1,5 – получение биметаллической ленты (сплав цинка со сталью и дюралюминием) методом прокатки, лента предназначена для изготовления вкладышей путем штамповки; допустимые: нагрузка – до 25 МПА (250 кгс/см 2 ), скорость скольжения – до 15 м/с, температура 100 °C; АМ10–5Л – отливка подшипников и втулок, допустимые: нагрузка – 10 МПа (100 КГС/см 2 ), скорость скольжения – 8 м/с, температура 80 °C.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Цинковые сплавы: описание, структура и свойства

Металлы и сплавы так тесно вошли в нашу жизнь, что порой мы даже не задумываемся о них. Еще в 4-3 тысячелетиях до нашей эры произошло первое знакомство человека с самородками. С тех пор прошло много времени, и с каждым годом обработка металла только совершенствовалась.

Большую роль в этом сыграл такой металл, как цинк. Сплавы на его основе используются во многих отраслях. В данной статье мы рассмотрим цинковые сплавы и их роль в нашей жизни.

Переходный металл

Известно, что цинк – это голубовато-белый хрупкий переходный металл. Его добывают из полуметаллических руд. Процесс получения чистого цинка достаточно сложный и трудоемкий. В первую очередь руду, содержащую от 1-4% цинка, обогащают селективной флотацией. Благодаря этому процессу получают концентраты (55% Zn). Далее необходимо получить оксид цинка. Для этого в печах в кипящем слое обжигают полученные концентраты. Только из оксида цинка можно получить этот металл в чистом виде, и для этого существует два способа.

Получение цинка

Первый – электролитический, основывается на обработке оксида цинка серной кислотой. В результате этой реакции образовывается сульфатный раствор, который очищают от примесей и подвергают электролизу. На алюминиевых катодах осаживается цинк, который затем плавят в индукционных печах. Чистота цинка, полученного таким образом, составляет около 99,95%.

Второй способ, наиболее давний – дистилляционный. Концентраты нагревают до очень высокой температуры (около 1000°С), выделяются пары цинка, которые путем конденсации оседают на глиняных сосудах. Но этот способ не дает такой чистоты, как первый. В полученных парах содержится около 3% различных примесей, включая такой ценный элемент, как кадмий. Поэтому дальше Zn очищают ликвацией. При температуре 500°С его отстаивают некоторое время и получают чистоту 98%. Для дальнейшего изготовления сплавов этого достаточно, ведь потом цинк все равно легируют этими же элементами. Если этого недостаточно, применяют ректификацию и получают цинк с чистотой 99,995%. Таким образом, оба способа позволяют получить высокочистый цинк.

Неразлучная пара металлов

Как правило, свинец присутствует в составе цинковых сплавов в качестве примеси. В природе эта неразлучная пара металлов встречается достаточно часто. Но на самом деле, большое содержание свинца в цинковом сплаве ухудшает его физические свойства, создавая склонность к межкристаллитной коррозии, если его содержание превышает 0,007%. Чаще всего свинец и цинк встречаются вместе в оловянных бронзах и латуни.

Если говорить об эвтектике этих двух элементов, то важно заметить, что до температуры 800°С они не смешиваются между собой и представляют две разные жидкости. При быстром охлаждении происходит равномерное распределение Pb в виде округлых включений по границам зерен. Сплав цинк-свинец используется для изготовления типографского клише благодаря тому, что он очень быстро растворяется в кислоте. Чаще всего примеси свинца удаляют из цинка при помощи дистилляционного способа.

Сплав меди с цинком

Латунь – это сплав, известный еще до нашей эры. В те времена цинк еще не был открыт, но руда использовалась достаточно широко. Раньше получали латунь, сплавляя смитсонит (цинковую руду) и медь. Только в XVIII веке впервые изготовили этот сплав с использованием металлического цинка.

В наше время существует несколько разновидностей латуни: однофазные и двухфазные. Первые содержат в себе около 35% цинка, а вторые – 50% и 4% свинца. Однофазные латуни очень пластичны, в то время как вторая разновидность характеризуется хрупкостью и твердостью. Рассмотрев диаграмму состояния этих двух элементов, можно сделать вывод, что они образуют ряд фаз электронного вида: β, γ, ε. Интересная разновидность латуни – это томпак. Он содержит всего до 10% цинка и за счет этого отличается очень высокой пластичностью. Томпак с успехом применяется для плакирования стали и получения биметаллов. Раньше его использовали для изготовления монет и имитации золота.

Цинк и сталь

Практически в каждом доме можно встретить оцинкованные вещи: ведра, кастрюли, выварки и пр. Все они надежно защищены от ржавчины именно благодаря цинку. Образно выражаясь, конечно, на сталь наносится напыление этого металла, и по логике вещей речь не идет о сплаве. С другой стороны, зная, как происходит оцинкование, можно утверждать обратное. Дело в том, что цинк плавится при очень низкой температуре (около 400°С), а когда он в жидком состоянии попадает на поверхность стали, то диффундирует в неё.

Атомы обоих веществ очень крепко связываются между собой, образуя железоцинковый сплав. По этой причине можно смело сказать, что Zn не «уложен» на изделие, а «внедрен» в него. Это можно наблюдать в обычной бытовой ситуации. К примеру, на оцинкованном ведре появляется царапина. Начинает ли оно в этом месте ржаветь? Ответ однозначный – нет. Это происходит потому, что при попадании влаги начинают разрушаться соединения цинка, но при этом они образуют некую защиту для стали. Так, в большинстве случаев такие цинковые сплавы предназначены для защиты изделий от коррозии. Конечно, для этих целей можно использовать и другие вещества, такие как хром или никель, но стоимость этих изделий будет в разы больше.

Олово и цинк

Данный сплав не менее популярен, чем другие, уже рассмотренные нами ранее. В 1917-1918-х годах в Болгарии он широко использовался для изготовления специальных сосудов, которые держали теплую жидкость долгое время (аналоги современных термосов). В наше время сплав цинк-олово очень широко используется в радио- и электропромышленности. Это связано с тем, что состав с содержанием Zn 20% очень хорошо паяется, и полировка осадка сохраняется продолжительное время.

Конечно же, как антикоррозионное покрытие данный сплав также может быть использован. По своим характеристикам он очень похож на кадмиевое покрытие, но при этом менее дорогостоящий.

Свойства цинковых сплавов

Конечно же, все составы с этим металлом отличаются между собой его процентным содержанием. В целом цинковые сплавы имеют хорошие литейные и механические свойства. Первое и самое главное – коррозионная стойкость. Больше всего она проявляется в атмосфере сухого чистого воздуха. Возможные проявления коррозии можно заметить в промышленных городах. Это обуславливается наличием в воздухе паров соляной кислоты, хлора и оксидов серы, которые, конденсируясь влагой, затрудняют образование защитной пленки. Медь-олово-цинк – сплав, который характеризуется высокими защитными свойствами. Именно такой состав наименее подвержен коррозии, особенно в условиях промышленной атмосферы. Если говорить о литейных свойствах цинка, то, конечно же, они зависят от легирующих элементов в его сплавах.

Так, например, алюминий делает их структуру однородной, мелкозернистой, облагораживает её, уменьшает отрицательное влияние железа. Еще один важный легирующий элемент – медь. Он увеличивает прочностные характеристики и уменьшает межкристаллическую коррозию. Медно-цинковый сплав обладает высокой ударной вязкостью, но при этом частично теряет свои литейные свойства.

Области применения цинка и его сплавов

На самом деле, детали из цинковых сплавов достаточно распространены и в наше время. Несмотря на то что пластик вытесняет металлические изделия, в некоторых случаях без них не обойтись. Например, автомобилестроение – отрасль, в которой не обойтись без цинковых сплавов. Фильтры, отстойники, корпуса карбюраторов и бензонасосов, надколесные кожухи, глушители – всё это и многое другое изготавливается при помощи соединений этого химического элемента.

Благодаря тому что цинковые сплавы имеют хорошие литейные свойства, из них отливают сложные детали различных форм с минимальной толщиной стенок. Строительство – еще одна область, в которой не обойтись без этих сплавов. Цинковый прокат используют для кровельных покрытий, изготовления труб и сточных желобов. Несмотря на то что существует тенденция снижения производства цинковых сплавов, отказаться от их изготовления не представляется возможным из-за относительной дешевизны и механических свойств материала.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector