Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Цинковые сплавы обладают наилучшими литейными свойствами при литье под давлением.
По сравнению с алюминиевыми сплавами они имеют следующие преимущества:
1) не реагируют с железом формы и котла, не налипают на поверхность формы, что позволяет применять высокопроизводительные автоматические машины, при которых нет необходимости вести контроль за каждой отливкой;
2) благодаря сравнительно низкой температуре плавления и возможности их отливки при более низких удельных давлениях металлические формы изнашиваются незначительна, что весьма повышает рентабельность производства;
3) обладают большой подвижностью и высокими литейными свойствами, что дает возможность отливать всевозможные сложные и тонкостенные детали;
4) допускают применение защитных, декоративных и упрочняющих покрытий без предварительной отделки (обычно лишь после пескоструйной очистки); хорошо полируются и воспринимают все виды металлических покрытий (никелирование, хромирование, кадмирозание, серебрение и т. п.);
5) многие сплавы обладают более высокими механическими свойствами, особенно при работе на сжатие;
6) некоторые сплавы обладают более высокими антифрикционными свойствами;
7) допускают пайку, вследствие чего является возможным исправлять пороки в отливках.
Благодаря всем этим преимуществам цинковые сплавы широко применяются в литье под давлением и являются основными сплавами для отдельных отраслей машиностроения, например, в общем приборостроении и в автомобильной промышленности.
Недостатками цинковых сплавов являются:
1) большой удельный вес сплавов (по сравнению с алюминиевыми), что ограничивает их применение в специальном приборостроении;
2) недостаточная сопротивляемость коррозии;
3) резкое изменение свойств в зависимости от скорости возрастания нагрузки и температуры (низкая ударная вязкость при температурах ниже 0°);
4) способность изменять размеры в результате естественного старения, что часто ведет к короблению отливок или образованию трещин.
В последнее, время разработаны высокопрочные цинковые сплавы, которые по сравнению с обычными цинковыми сплавами обладают более высокими механическими свойствами, повышенной стойкостью против коррозии и мало подвергаются старению, что достигается применением в шихте цинка высокой чистоты, присадкой магния и никеля (в значительной степени предотвращающих распадение составляющих сплава) и применением защитных покрытий. В результате этого цинковые сплавы нашли очень широкое применение за границей. Например, в США выпуск литья под давлением из цинковых сплавов составляет в настоящее время около 250 тысяч тонн в год (в то время как выпуск литья алюминиевых сплавов не превышает 100 тысяч тонн).
Цинк, применяемый для высокопрочных сплавов, должен соответствовать маркам ЦВ и ЦО по ГОСТ 3640—47.
Свинец и кадмий в сплаве являются причиной образования трещин и коробления; железо уменьшает подвижность и вызывает набухание, коробление и образование трещин.
Антикоррозионные свойства. Антикоррозионные свойства сплавов на цинковой основе по самой природе этих сплавов (цинк имеет отрицательный электрохимический потенциал) не могут быть высокими. Исследования показали, что по потерям веса образцов в «тумане» морской воды, отнесенным к удельным весам Сплавов, цинковый сплав приближается к сплаву алюминия с медью.
Изменение свойств цинковых сплавов в зависимости от скорости возрастания нагрузки и от температуры. Изучение свойств цинковых сплавов в зависимости от указанных выше факторов показало следующее:
1) у всех изученных промышленных тройных сплавов системы цинк—медь—алюминий при температуре -10° резко понижается ударная вязкость; механические свойства при испытании на разрыв при температурах ниже 0° практически не изменяются;
2) при повышении температуры наблюдается снижение прочности и повышение удлинения (фиг. 159); более интенсивно идет процесс естественного старения со всеми вытекающими отсюда последствиями;
3) результаты испытания на разрыв в значительной степени зависят от скорости растяжения образца при испытании; оптимальной скоростью растяжения является 30 мм/мин.
Изменение размеров. У одних сплавов изменения размеров при естественном старении, зависящие от состава сплава, происходят очень быстро, у других они протекают в течение многих лет.
Старение цинковых сплавов связано со структурными изменениями, которые проходят в твердом состоянии.
Диаграмма состояния сплавов системы цинк—алюминий приведена на фиг. 160.
У сплавов цинк—алюминий при 380° образуется эвтектика, содержащая около 95% Zn.
Фаза β, входящая в эвтектику, содержит около 83% Zn.
Таким образом, растворимость алюминия в цинке при эвтектической температуре находится в пределах 1%.
С понижением температуры растворимость алюминия в цинке уменьшается и при комнатной температуре составляет около 0,1% (фиг. 161).
Фаза β с понижением температуры тоже изменяет свой состав и устойчива только до 270°. При 270° происходит эвтектоидный распад β-фазы. Состав фаз, находящихся в равновесии при 270°, следующий β2-фаза (содержит 79% Zn); β1-фаза (содержит 27% Zn) и α-фаза (содержит 99,45% Zn).
На фиг. 162 изображена часть диаграммы состояния системы цинк—медь.
Богатая цинком η-фаза образуется при 423°; растворимость меди в цинке при этой температуре 2,7%. С понижением температуры до комнатной растворимость меди падает до 0,2%.
Структурные изменения цинковых сплавов, содержащих алюминий и медь, видны из диаграммы.
Они связаны со следующими процессами:
1) распадом β-фазы;
2) распадом твердого раствора η с выделением кристаллов Σ.
Искусственное старение ускоряет распад; при помощи термообработки можно добиться, чтобы уменьшение размеров отливки, происходящее при фазовых превращениях в твердом состоянии, имело место во время этой термической обработки с тем, чтобы эти заготовки были менее склонны к изменению размеров со временем. Размер зерен при искусственном старении больше, чем при естественном.
Способность цинковых сплавов со временем изменять размеры при применении для их изготовления чистого цинка и небольшой добавки магния значительно уменьшается; для некоторых сплавов изменение размеров составляет всего около 0,01% за три года, т. е. 0,01 мм на каждые 100 мм, т. е. становится совершенно несущественным.
Цинковые сплавы непригодны для работы в атмосфере пара или насыщенном кислотой воздухе, так как при этом их разрушение идет весьма быстро.
Ниже приводятся режимы искусственного старения, применяемые на практике:
1) выдержка при 90° в продолжение 100 час.;
2) ускоренное искусственное старение с выдержкой: а) при 60° в течение 10 час.; б) при 85° в течение 5 час. или в) при 100° в течение 3 час.
По окончании выдержки отливки должны остывать до комнатной температуры вместе с печью в течение примерно 5 час.
Искусственное старение оказывает влияние на механические свойства цинковых сплавов в сторону их понижения.
За исключением удлинения, окончательные свойства сплавов, богатых алюминием, остаются все же в среднем более устойчивыми, чем у сплавов, богатых медью.
Номенклатура и классификация сплавов
Цинковые сплавы обычно содержат алюминий и медь. Алюминий улучшает жидкотекучесть сплава и уменьшает способность цинка растворять железо. Медь улучшает механические свойства сплава. В зависимости от состава цинковые сплавы следует разделить на две группы.
Первая группа сплавов содержит до 3,5 % Cu и от 4 до 5% Al. Иногда сплавы содержат еще до 0,1% Mg. Количество магния определяется в зависимости от чистоты применяемого цинка и содержания в сплаве меди. Чем меньше в цинке свинца и кадмия и чем больше меди, тем должно быть меньше магния. Эта группа сплавов, у которых медь является главным упрочнителем, применяется для отливок высокой прочности.
Вторая группа сплавов содержит алюминий и не имеет вовсе или содержит в незначительном количестве медь.
Сплавы этой группы менее прочны и тверды, но значительно меньше стареют, так как в них не происходят процессы, связанные с выделением меди. Поэтому они характеризуются как практически нестареющие сплавы, наиболее устойчивые по размерам. Так как двойные алюминиевоцинковые сплавы обладают меньшей коррозионной стойкостью и склонны даже при применении чистого цинка к межкристаллитной коррозии, то они должны быть изготовлены из цинка высокой чистоты (99,9% Zn) или должны содержать несколько больше магния, чем сплавы первой группы.
Общее содержание вредных примесей (свинец, кадмий, олово) в сплавах, богатых алюминием, не должно превышать 0,008%, в то время как в богатых медью и бедных алюминием сплавах даже при 0,03% примесей не наблюдается межкристаллитной коррозии.
Сплавы второй группы плохо обрабатываются режущим инструментом.
Магний в количестве нескольких сотых процента играет большую роль в сплавах, богатых алюминием, нейтрализуя действие загрязнений и замедляя процесс старения. Недостатком магния является его способность повышать хрупкость сплава в горячем состоянии. Поэтому его содержание в сплавах приходится крайне ограничивать, особенно при литье под давлением, при котором даже при незначительном повышении хрупкости в горячем состоянии отливки при выемке их из формы ломаются.
В табл. 34. приводятся данные о прочных цинковых сплавах, применяемых для литья под давлением ответственных деталей. Отливки из этих сплавов практически можно считать не меняющими своих размеров при их эксплуатации в условиях, соответствующих физическим свойствам этих сплавов.
Наряду с цинковыми сплавами, изготовленными на электролитическом цинке высокой чистоты, для предметов широкого потребления, для которых неизменность размеров с течением времени не имеет существенного значения, применяются сплавы, изготовленные на огневом цинке среднего качества.
Поверхностная защита цинковых сплавов. Практика выработала много различных способов поверхностной защиты цинковых сплавов для борьбы с коррозией, сохранения окраски и блеска или придания определенной расцветки поверхности (декоративные покрытия).
Наилучшие защитные покрытия получаются в результате хромирования.
Сущность хромирования заключается в том, что цинковую деталь на 5—15 сек. погружают в сернокислый раствор хромовокислых солей, в результате чего на детали образуется значительный слой основного хромовокислого цинка, увеличивающего коррозионную стойкость сплава.
Хромирование увеличивает коррозионную стойкость цинкового сплава (в среднем): в атмосфере (влажной камеры) — в 12 раз, в морской воде — в 2 раза, в горячей воде (80°) — в 10 раз.
Помимо хромирования, в качестве защиты деталей от коррозии наряду с прозрачными и цветными лаками может применяться фосфатирование. Обработка цинковых сплавов возможна в существующих установках для фосфатирования железных и стальных предметов.