Цинковый сплав: характеристики, виды и области применения

Чем является? Цинковый сплав представляет собой соединения цинка с другими металлами – алюминием, медью, свинцом. Они обладают высокой прочностью, хорошей текучестью при литье, устойчивостью к коррозии, высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Где используется? Эти характеристики позволяют применять цинковые сплавы в разных областях: электроника, строительство и машиностроение, медицина, искусство и ювелирное дело.

Понятие сплавов

Соединение двух и более металлов называют сплавом. На практике соединяют, например, железо и алюминий для получения нового материала. Сплавом считается и металл с неметаллическими добавками. Характерным примером является упомянутое железо. В сочетании с другими элементами оно используется гораздо чаще, чем в чистом виде.

Фото: EyeEm / Freepik

Как понятно из названия, сплавы получают путем плавления. В итоге образуется макроскопическая однородная система. Таким методом производят, к примеру, чугун и материалы с добавлением меди. Вместо плавления существуют и широко применяются методы порошковой металлургии.

Первые цинковые алюминиевые сплавы начали получать достаточно давно. Соединения алюминия с другими металлами известны с древнейших времен, когда человек освоил кузнечное дело. Примерно тогда же начали обрабатывать медь, создавать на основе разных металлических элементов новые материалы вроде чугуна и бронзы. Для этого конструировались специальные машины, повышающие скорость обработки заготовок.

Одновременно с открытием полезных руд люди экспериментировали с двумя и более металлами. Так создавались принципиально новые соединения, широко известные в настоящее время. В качестве основы брались железо, никель, хром и цинк, присоединялся другой элемент (например, свинец). Комбинацию затем подвергали термической обработке.

В чем заключаются основные преимущества таких соединений, к числу которых относится и цинковый сплав?

Для данной операции требуются определенные металлы: цинк, никель и т. д. Формулы содержания элементов известны давно, поэтому сложностей в производстве таких материалов, как правило, не возникает. В легировании помимо цинка и никеля участвуют чугун, алюминий, железо и углерод.

Свойства цинка и его сплавов

В чистом виде и при нормальных условиях этот металл обладает повышенной хрупкостью. При нагреве до +100 градусов он приобретает пластичность, что позволяет обрабатывать его, например, методом проката. С помощью данной технологии изготавливаются тонкие цинковые листы. Для повышения прочности и точки плавления в цинк добавляют свинец, олово, медь, алюминий или магний.

Металл характеризуется химической активностью. Контакт с воздухом при +100 градусах Цельсия приводит к образованию на поверхности цинка оксидной пленки. Разрушающее действие на элемент оказывают влажность и углекислый газ. Чистый цинк активно реагирует с кислотами и щелочами, поэтому в промышленности применяются в основном его сплавы.

Цинковые соединения отличаются литейными качествами. Из этих сплавов создаются отливки сложных форм с глубокими полостями и тонкими стенками. Материал позволяет легко нарезать на нем резьбу.

Такие сплавы не реагируют с железом, благодаря чему заготовки из них не застревают в формах в процессе производства. Изделия изготавливаются с высокой точностью, поддаются пайке, сварке и другим видам обработки.

В числе недостатков сплавов из цинка следует указать прежде всего склонность материала к старению. Помимо этого, цинковые соединения подвержены воздействию коррозии.

Старение изделий приводит к их деформации. А именно, вследствие усадки происходит изменение размеров детали. Наиболее заметен этот процесс в первые 5 недель, затем он может продолжаться довольно длительное время.

Для повышения коррозионной стойкости в сплав могут добавлять до 0,1 % магния. А чтобы повысить срок службы изделия, заготовку дополнительно металлизируют никелем, хромом и кадмием.

Как примеси изменяют свойства цинка

Вредное влияние на цинк оказывают кадмий, олово и свинец. Содержание этих элементов при производстве сплавов ограничивается. Тем самым подавляется межкристаллическая коррозия.

Особыми свойствами олова в составе сплава являются плохая растворимость в нем. Это приводит к ломкости цинковых заготовок. Кадмий же в отличие от олова прекрасно растворяется в цинке, способствуя снижению пластичности материала в нагретом состоянии. Растворимость сплава в кислотной среде повышается, если в него добавить свинец.

Повышение твердости цинка происходит в результате добавления к нему железа. С другой стороны, эта операция затрудняет процесс заполнения сплавом формы. Прочность соединения также снижается.

Фото: eleonimages / Freepik

Аналогичное воздействие оказывает медь. Однако в результате сплав становится более восприимчивым к коррозии. Снижается пластичность соединения, затрудняется рекристаллизация цинка.

Наиболее негативное влияние на сплав оказывает мышьяк. Добавление даже незначительного количества этого элемента приводит к повышению хрупкости и к снижению пластичности материала.

Определенные ограничения накладываются на содержание сурьмы в металле — ее должно быть не более 0,01 %. Тем самым сплав защищается от растрескивания кромок во время горячей прокатки. Элемент, как и мышьяк, делает цинк более твердым и менее пластичным.

Виды цинковых сплавов

Наибольшее распространение нашли сплавы цинка с медью, магнием, алюминием и никелем. Данные соединения поддаются пайке, сварке и литью. Они имеют сравнительно низкий порог плавления.

Соединения на основе цинка классифицируют по назначению.

• Деформируемые сплавы. Создаются методами наполнительного и полунепрерывного литья. Имеют в составе 5 % меди, 1 % магния и 15 % прочих компонентов. Из деформируемых заготовок впоследствии изготавливают листовой и прутковый материал.
• Литейные сплавы. Отличаются способностью не взаимодействовать с материалами форм для литья и превосходной текучестью. Имеют в составе не более 4 % меди и около 0,05 % магния.
• Антифрикционные сплавы. Широко применяются в производстве подшипников методом литья под давлением, так как обладают низким коэффициентом трения. Имеют в составе 5 % меди и менее 0,1 % магния.
• Припои. В зависимости от марки цинковые сплавы могут содержать алюминий, медь, кадмий, серебро, свинец и некоторые другие металлы. Припои изначально предназначены для пайки, так как обладают одновременно пластичностью и повышенной прочностью. Состав производители могут менять исходя из действующих международных стандартов.

• Типографские сплавы. Обладают прочностью и отлично подходят для отливки в формах. Имеют в своем составе не более 2 % магния и 4,5 % меди. Благодаря своим качествам используются для отливки типографских шрифтов.
• Протекторные сплавы. Обладают способностью эффективно противостоять воздействию влаги, поэтому применяются для защиты других материалов от вредного влияния окружающей среды. Имеют в составе менее 1 % магния или кремния.

Современные технологии позволили разработать множество сплавов, в основе которых находится цинк. Грамотным подбором пропорций компонентов добиваются существенного улучшения качеств по сравнению с чистым металлом. Наибольшее применение нашли такие сплавы, как латунь, ЦАМ (цинк-алюминий-медь) и вирениум. Ниже более подробно рассмотрим каждый из них.

Стандартная латунь

Медно-цинковый сплав (или латунь) известен человечеству с древних времен. Изначально для получения такого соединения сплавляли вместе медную и цинковую руду. С 8 века начали использовать чистый цинк.

Фото: EyeEm / Freepik

Сплав характеризуется особым оттенком, который зависит от процентного содержания меди в составе:

• 60 % — зеленый;
• 67 % — желтый;
• 75 % — золотистый.

Разные марки латуни могут отличаться плотностью. Как правило, производителями задаются значения 8921 кг/куб. м и 7140 кг/куб. м.

ЦАМ

С добавлением алюминия и меди цинковый сплав (ЦАМ) приобретает низкий порог плавления и способность легко заполнять полости. Такой состав также характеризуется повышенной прочностью. Он содержит минимальный процент магния.

Вирениум

Основными компонентами данного сплава помимо цинка являются медь и никель. Вирениум впервые стал применяться на острове Мэн, где из него чеканились монеты. Свое название сплав получил в честь супруги владельца монетного двора Вирены.

Многокомпонентная латунь

Помимо стандартной формулы при производстве латуни могут использовать несколько дополнительных компонентов. Классический сплав цинка и меди содержит минимальное количество прочих включений. Повышая содержание добавок, производители добиваются изменения основных качеств металла.

Характеристики двухкомпонентной латуни определяются фазовыми пропорциями включений. На практике используют однофазный либо двухфазный цинковый сплав. Состав первой разновидности подразумевает минимальное содержание твердого цинка в меди. Двухфазный вариант включает в себя более 39 % цинковой составляющей. Получаемый материал обладает наивысшей прочностью, но при этом минимальной пластичностью.

Многокомпонентная латунь имеет в своем составе легирующие добавки (никель, олово, кремний, свинец, марганец). Этим она, в частности, отличается от двухкомпонентной. Примечательно, что ни в одной модификации не присутствует железо.

Маркировка сплавов цинка

Латунь маркируется буквой Л и двумя цифрами, обозначающими процентное содержание меди. Например, маркировка Л80 говорит о том, что медь и цинк находятся в пропорции 80 % и 20 % соответственно.

Далее после такого обозначения следуют дефис и две цифры. Расшифруем их значение.

• Первой цифрой обозначается содержание меди в сплаве.
• Второй цифрой указывается содержание легирующих добавок.

Сферы применения цинковых сплавов

Сплавы на основе цинка находят свое применение в самых разных отраслях промышленности.

• В автомобильной индустрии из этих материалов производят кузовные элементы, топливные баки, карбюраторы, радиаторы, топливные насосы, глушители, защиту багажника и детали фурнитуры.
• В литейном производстве сплавы требуются для изготовления всевозможных деталей сложных форм (например, затворы для оружия). Это возможно благодаря превосходной текучести металла.

• В электротехнике с применением сплавов цинка производят аккумуляторные батареи и химические источники тока. Примером последних является отрицательный электрод. Благодаря коррозионной стойкости и надежности производимые элементы широко используются в различных электрических устройствах.
• В типографии и полиграфии сплавы на основе цинка необходимы для изготовления шрифтов методом литья. Также этот металл служит компонентом при печати изображений и наборе текстов.
• В металлообработке сплавы участвуют в металлизации и оцинковке различных поверхностей.
• Медицина также нуждается в составах на основе цинка. А именно, с применением сплавов изготавливают антисептики и противовоспалительные препараты, вырабатывают радионуклиды.
• В производстве лакокрасочных материалов соединения на основе цинка используются при изготовлении пигментов.
• В строительстве сплавы необходимы при возведении кровли, обустройстве откосов, желобов и водостоков, а также для облицовки стен.

Фото: scaliger99 / Freepik

• Цинк и его соединения участвуют в изготовлении монет. С применением этого металла создаются графические произведения искусства.
• Ювелирные изделия и украшения также изготавливаются с использованием цинковых соединений.
• Сплавы на основе цинка являются неотъемлемым компонентом при производстве кухонной посуды.

Часто задаваемые вопросы о цинковом сплаве

Как маркируются сплавы цинка?

Обозначение начинается с буквы Ц, после чего следуют другие цифры и буквы, показывающие наличие легирующих добавок и их процентное содержание.

Можно ли паять и варить сплавы на основе цинка?

Такие операции на практике применяются, но в основном для исправления дефектов. Швы от пайки значительно снижают прочность конструкции.

Какое влияние на сплав оказывает температура?

В экстремальных температурных условиях такие соединения использовать нельзя. Нагрев до 100 градусов Цельсия приводит к снижению прочности сплава на 30 % и твердости на 40 %. Охлаждение же до отрицательных температур повышает хрупкость металла.

Оказывают ли сплавы вред?

Когда-то считалось, что цинковый сплав в бижутерии вреден для здоровья. Современные технологии позволили минимизировать содержание в составе свинца и никеля. Благодаря этому сплав на основе цинка, из которого изготовлена бижутерия, можно считать безопасным.

Появляется ли ржавчина?

Один из частых вопросов по поводу эксплуатации цинкового сплава: ржавеет или нет? Данный металл изначально покрывается защитным слоем, предохраняющим от коррозии. Поэтому в нормальных условиях сплав не ржавеет.

Подведем итог. Цинк в чистом виде обладает обычными металлическими свойствами. Соединяя его с другими компонентами, получают цинковый сплав.

Однако после использования этот металл необходимо правильно утилизировать, избегая загрязнения окружающей среды. В настоящее время идут работы по дальнейшему повышению экологичности сплава, чтобы он наносил минимальный вред природе. Это в свою очередь повлияет и на качество жизни человека, и на эффективность производственных отраслей.

Изображение в шапке статьи: fabrikasimf / Freepik