цинковый сплав это что за металл

Цинковый сплав — это группа металлических материалов с основой из цинка (Zn), легированных алюминием, медью, магнием и другими элементами для получения заданного баланса литейных, механических и эксплуатационных свойств. Такие сплавы особенно востребованы в литье под давлением благодаря низкой температуре плавления и стабильной геометрии отливок, что позволяет экономично производить точные детали массового спроса. 🧪

Классификация и химический состав

На практике различают две основные группы цинковых сплавов: традиционные Zn–Al–Cu (в среднемировой терминологии — Zamak и ряд ZA) и модифицированные системы с микролегированием (например, добавки Mg, Ni, Bi для повышения коррозионной стойкости, ползучести и долговременной стабильности). В российской и постсоветской номенклатуре распространены обозначения типа ЦАМ (цинк–алюминий–медь), частично сопоставимые с международными марками Zamak 2/3/5/7 и ZA-8/12/27.

Легирующие элементы выполняют специфические роли: алюминий формирует упрочняющие фазы и повышает текучесть, медь добавляет прочность и твердость, но может снижать ударную вязкость; магний в малых дозах стабилизирует структуру и уменьшает склонность к коррозионному растрескиванию; никель и кобальт контролируют рост зерна и ползучесть при длительной эксплуатации.

Типичные составы и свойства

Ниже приведены ориентировочные значения для распространенных литейных сплавов. Фактические параметры зависят от стандарта (ASTM, EN/ISO, ГОСТ), партии сырья и режима плавки/литья.

Примеры цинковых сплавов для литья под давлением и гравитационного литья

Марка/обозначение	Химический состав (мас. %)	Темп. ликвидус/солидус, °C	Плотность, г/см³	Временное сопротивление, МПа	Характерные особенности и применение
Zamak 3 (≈ ЦАМ4-1)	Al ~4; Mg ~0.03–0.05; Cu ≤0.05; Zn — ост.	ок. 385–390	6.6–6.7	240–290	Базовый стандарт литья под давлением; отличная стабильность размеров, хорошая коррозионная стойкость.
Zamak 5 (≈ ЦАМ4-1М)	Al ~4; Cu ~1.0; Mg ~0.03; Zn — ост.	ок. 380–390	6.6–6.8	280–330	Повышенная прочность и твердость за счет меди; хорош для тонкостенных изделий, резьбовых вставок.
Zamak 2	Al ~4; Cu ~3; Mg ~0.03; Zn — ост.	ок. 380–395	6.7–6.8	300–360	Максимальная прочность среди Zamak, но ниже ударная вязкость; применяют для нагруженных узлов и пресс-форм.
ZA-8	Al ~8; Cu ~1; Mg ~0.02; Zn — ост.	ок. 380–400	6.4–6.6	320–380	Компромисс прочности и литейности; подходит для литья под давлением и гравитации.
ZA-12	Al ~12; Cu ~1; Mg следы; Zn — ост.	ок. 410–450	4.8–5.3	360–420	Повышенная удельная прочность; реже применяется в горячей камере из-за температуры.
ZA-27	Al ~27; Cu ~2; Mg следы; Zn — ост.	ок. 430–500	4.7–5.1	400–460	Очень высокая прочность и жесткость; требует тщательного контроля литейного процесса.
Zn–Al–Mg (микролегированные)	Al 3–5; Mg 0.02–0.1; Ni/Bi — опции; Zn — ост.	ок. 380–400	6.5–6.7	260–320	Улучшенная коррозионная стойкость и стабильность размеров; перспективны для автокомпонентов.

Ключевые свойства и поведение материала

Цинковые сплавы характеризуются сочетанием умеренной прочности и высокой литейной текучести, что позволяет заполнять сложные полости пресс-форм с тонкими стенками и микроребрами. Высокая текучесть облегчает получение тонкостенных отливок с минимальными облоями и хорошей повторяемостью. ⚙️

Температура плавления ниже, чем у алюминиевых и медных сплавов, что снижает энергозатраты и износ пресс-форм. Коэффициент линейного расширения относительно высок, однако стабильность размеров после искусственного старения достаточно хорошая. Проводимость тепла и электричества выше, чем у стали, но ниже алюминия.

Коррозионная стойкость хорошая в атмосфере и пресной воде; в присутствии хлоридов и кислот требуются покрытия или пассивация. Износостойкость средняя; медь увеличивает твердость, но может ухудшать пластичность. Ползучесть при длительной нагрузке возможна при повышенных температурах (например, свыше 80–100 °C), поэтому для теплонагруженных узлов выбирают модифицированные марки или конструктивно перераспределяют напряжения.

Технологии переработки

Основной метод — литье под давлением (горячая камера для Zamak, холодная — для высокоалюминиевых ZA и крупных деталей). Также применяют гравитационное литье в кокиль для ZA-12/27, центробежное литье малых втулок, порошковую металлургию для фильтрованных пористых изделий. Механическая обработка (фрезерование, сверление, резьбонарезание) выполняется легко из-за благоприятного керф-скола и невысокой твердости.

1. Подготовка расплава: раскисление, легирование, удаление шлака и газа; контроль температуры.
2. Смазка и подогрев пресс-формы; настройка впрыска.
3. Заполнение формы и выдержка под давлением для уменьшения усадки.
4. Охлаждение и выталкивание отливки; отсечка литников.
5. Дебуринг, дробеструй, калибровка, термообработка при необходимости.
6. Нанесение покрытий (пассивирование, окраска, гальваника) и контроль качества.

Проектирование деталей и допуски

Для предотвращения горячих трещин и усадочных раковин важно обеспечивать равномерную толщину стенок и рациональную систему литников/выпоров. Радиусы скруглений, уклоны на разъеме, ребра жесткости подбирают с учетом скоростей заполнения и усадки. Для тонких элементов предпочтительны Zamak 3/5, для повышенной жесткости — ZA-12/27. 📏

Типичные литейные допуски для мелких отливок — порядка IT13–IT15 по ISO, местами лучше при оптимальном процессе; шероховатость литья Ra 1.6–3.2 мкм без финишной обработки. Резьбы часто формируют вкладышами (втулками) для повышения износостойкости; в Zamak 5 благодаря меди сам материал держит резьбу удовлетворительно.

Поверхности и соединения

Цинк активно пассивируется; применяют химическое хроматирование (в Европейском союзе — без Cr(VI) по экологическим требованиям), фосфатирование, анодно-катодные грунты, порошковую окраску, никелирование и хромирование. Адгезия покрытий улучшается после щелочного обезжиривания и микрошерохования (дробеструй, корундирование). Пайка твердыми припоями возможна, сварка затруднена из-за низкой температуры плавления и испарения цинка.

Области применения

Цинковые сплавы широко применяются в автомобильной промышленности (корпуса актуаторов, защелки, декоративная фурнитура), электронике (корпуса разъемов, экраны), строительной фурнитуре (ручки, петли, защелки), машиностроении (кронштейны, корпуса редукторов малой мощности), потребительских товарах (молнии, пряжки, аксессуары). Для тонкостенных декоративных изделий Zamak 3 дает отличную основу под гальванику, для силовых деталей предпочтительнее Zamak 5 или ZA-12. 🚗

Преимущества и ограничения

• Низкая энергия плавки и долгий ресурс пресс-форм благодаря относительно «мягкому» расплаву.
• Высокая размерная точность и повторяемость, пригодность для микродеталей и тонких стенок.
• Хорошая обрабатываемость резанием и пригодность к декоративным покрытиям.
• Ограничение по рабочей температуре; необходимо учитывать ползучесть при длительных нагрузках.
• Склонность к коррозии в солевых средах без защитных покрытий.
• Чувствительность к примесям (Pb, Cd, Sn) — важен контроль сырья.

Качество, дефекты и контроль

Ключевые дефекты — газовая и усадочная пористость, холодные спаи, неполное заполнение, облой. Методы контроля включают рентгенографию, герметичность (helium/воздух), металлографию, твердомерию, измерение размеров КИМ. Управление параметрами впрыска, температурой формы и дегазацией расплава существенно снижает брак.

• Пористость: настраивают давление доливки, вакуум в форме, дегазацию; оптимизируют литниковую систему.
• Холодные спаи: повышают температуру расплава/формы, балансируют фронты течения, корректируют смазку.
• Непролив: увеличивают скорость впрыска, сечения литников, компенсируют вентиляцию.

Экономика и устойчивость

Экономическая привлекательность цинковых сплавов обусловлена высокой скоростью цикла, малым количеством операций после литья и возможностью интеграции функций в одной отливке (замена сборных узлов). Вторичная переработка развита: лома и литниковые системы легко возвращаются в плавку, что снижает стоимость.

Доля рецикла в производстве может достигать 95–98 % при правильной сортировке и фильтрации расплава. Это уменьшает углеродный след изделия и снижает зависимость от первичного цинка. 🌍

Нормативы и маркировка

В международной практике для литейных цинковых сплавов применяют стандарты ASTM (например, B86 для отливок из сплавов цинка), ISO/EN (семейство стандартов на слитки и отливки из Zn-сплавов), а также национальные ГОСТ/ТУ. Для электроники и потребительских товаров действуют ограничения по содержанию вредных примесей (RoHS, REACH), что требует контроля свинца, кадмия и шестивалентного хрома в покрытиях.

Охрана труда и безопасность

Работа с расплавом требует СОП по защите от ожогов, брызг и дымов оксида цинка. При перегреве и плохой вентиляции возможно «цинковое ознобление» (флюсная лихорадка), предупреждаемое корректной температурой и вытяжкой. Хранение слитков ведут в сухих помещениях, исключая контакт с кислотами и щелочами. Меры по предотвращению водяных взрывов в ковшах и формах — обязательны.

Когда выбирать цинковый сплав

Если требуется массовое производство точных, тонкостенных, декоративных или функционально интегрированных деталей при умеренных нагрузках и температурах эксплуатации, выбор Zn-сплава экономически оправдан. Комбинация литейной текучести, геометрической стабильности и обрабатываемости обеспечивает короткий путь от проектирования к серийному выпуску.

FAQ по смежным темам

Чем цинковые сплавы отличаются от латуней и когда целесообразно заменить латунь на Zamak?

Латунь — это медный сплав с цинком, а цинковые сплавы — наоборот, материалы на основе цинка с добавками алюминия, меди и магния. Латуни обычно обладают более высокой температурой плавления, лучшей коррозионной стойкостью в ряде сред и большей прочностью на горячем состоянии, но дороже в литье под давлением и сложнее по энергозатратам. Zamak обеспечивает превосходную литейную текучесть и позволяет без доработки получать геометрически сложные формы с тонкими стенками. Если ключевым фактором является цена изделия, скорость цикла и возможность декоративных покрытий, Zamak часто предпочтительнее. При этом для длительной работы при температуре свыше 100 °C латунь может быть более надежным выбором. Рассматривают также комбинированные решения: латунные втулки в цинковом корпусе или гальваническое упрочнение функциональных поверхностей.

Какие защитные покрытия лучше применять для деталей из цинковых сплавов в морской среде?

В морской атмосфере и брызгах соли цинковые сплавы нуждаются в системной защите. Наиболее распространены многоступенчатые схемы: фосфатирование или пассивирование без Cr(VI) как подготовка, затем двухкомпонентный эпоксидный грунт и полиуретановая или порошковая финишная эмаль. Для крепежа и мелкой фурнитуры применяют электроцинкование с современными пассивациями и уплотнителями, а также никель-хром для декоративных изделий. Толщина и пористость покрытия критичны; герметичность контролируют соляным туманом по ISO 9227. На кромках и острых ребрах желательно планировать повышенную толщину или радиусы, чтобы снизить риски подтравливания. Важно учитывать гальванические пары: соединение с нержавеющей сталью без изоляции может усилить коррозию цинкового элемента.

Как рассчитать допуски и усадки при переходе с пластика на цинковый сплав в пресс-формах?

При замене пластика на металл изменяются как усадка, так и поведение при охлаждении. Для Zamak типичные линейные усадки меньше, чем у большинства пластмасс, поэтому размерные корректировки формы часто менее радикальны. Однако теплопроводность и тепловая инерция выше, что влияет на баланс охлаждения и появление внутренних напряжений. Рекомендуется пересчитать систему литников и выпусков газа, так как вязкость расплава и скорости фронта сильно отличаются. Подбор уклонов и радиусов следует проводить заново: металл требует больших радиусов во избежание концентраторов, но может обходиться меньшими уклонами, если поверхность не декоративная. В ряде случаев выгодно разделить деталь на вставки или применить съемные сердечники, чтобы облегчить извлечение и снизить риск задиров. Проверка опытной формы и цикл измерений по PPAP/FAI помогут уточнить допуски до выхода в серию.

Можно ли печатать прототипы из цинковых сплавов и как состыковать 3D-печать с литьем?

Прямой 3D-печати цинковыми сплавами на массовом рынке пока немного, но связка «аддитив + литье» работает эффективно. Чаще всего прототипы получают печатью мастер-моделей из полимеров с последующим силиконовым формованием или изготовлением быстрого алюминиевого пресс-инструмента. Для испытаний по механике стоит отливать прототипы в условиях, близких к серийному процессу, поскольку структура и пористость сильно зависят от скоростей заливки и давления. SLA/DLP модели помогают быстро проверить сборку и эргономику, а затем уточнить швы разъема и ребра под реальный металл. В ряде задач применяют литье по выжигаемым моделям (инвестиционное), но для Zamak из-за низкой температуры плавления выгоднее оперативно фрезеровать мягкие формы. Такая гибридная стратегия сокращает сроки NPI и уменьшает риск изменения геометрии на поздних стадиях.