Цинк имеет гексагональную плотно упакованную решетку (ГПУ). Этим объясняется резкая анизотропия его свойств. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопластичен, а при 100–150 °С становится пластичным и может подвергаться обработке давлением — прокатке, прессованию, штамповке и глубокой вытяжке. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Отрицательное влияние на горячую обработку давлением оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199 °С, и особенно одновременное присутствие олова, свинца и кадмия, образующих с цинком сложную эвтектику с температурой плавления менее 150 °С. Поэтому содержание этих примесей строго ограничено как в цинке, так и в сплавах на его основе.
Марки и химический состав (%). ГОСТ 3640–94
Обозначение марок
Zn не менее
Примесь, не более
Pb
Cd
Fe
Cu
Sn
As
Al
Всего
ЦВ00
99,997
0,00001
0,002
0,00001
0,00001
0,00001
0,0005
0,00001
0,003
ЦВО
99,995
0,003
0,002
0,002
0,001
0,001
0,0005
0,005
0,005
ЦВ
99,99
0,005*
0,002
0,003
0,001
0,001
0,0005
0,005
0,01
ЦОА
99,98
0,01
0,003
0,003
0,001
0,001
0,0005
0,005
0,02
ЦО
99,975
0,013
0,004
0,005
0,001
0,001
0,0005
0,005
0,025
Ц1
99,95
0,02
0,01
0,01
0,002
0,001
0,0005
0,005
0,05
Ц2
98,7
1,0
0,2
0,05
0,005
0,002
0,01
0,010**
1,3
Ц3
97,5
2,0
0,2
0,1
0,05
0,005
0,01
–
2,5
* 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 %.
В цинке марки ЦВ00 массовая доля алюминия, висмута, никеля и сурьмы не должна превышать 0,00001% каждого.
В цинке марки ЦВ00 и ЦВ0 по требованию потребителя массовая доля мышьяка не должна превышать 0,0005%.
Цинк марки ЦВ00 изготовляют в виде ЧУШЕК массой 4-5 кг и 8-10 кг.
Цинк марок ЦВ0, ЦВ, Ц0А, Ц0, Ц1, Ц2, Ц3 изготовляют в виде ЧУШЕК массой 19-25 кг и БЛОКОВ массой 500, 1000 кг.
Цинк применяют: для горячего, химического и термодиффузионного оцинковывания стальных деталей; в полиграфической промышленности; для изготовления химических источников тока; как легирующий элемент в сплавах, в первую очередь в латунях (сплав системы Cu—Zn), и как основу для цинковых сплавов.
Цветная маркировка (чушки и блоки цинка маркируют по торцу краской)
ЦВ ЦВ0 Ц0 Ц1 Ц2С Ц3 Ц0А Ц1С Ц2 Ц3С
одна полоса желтого цвета
одна полоса голубого цвета
одна полоса белого цвета
одна полоса зеленого цвета
двойная полоса красного цвета
одна полоса коричневого цвета
не маркируют
двойная полоса белого цвета
одна полоса красного цвета
одна полоса черного цвета
для чушек марки ЦВ00 цветную маркировку двойной полосой голубого цвета наносят на тару или ярлык, прикрепленный к таре.
Основные характеристики физико-химических и механических свойств цинка приведены ниже.
Характеристики физико-химических и механических свойств цинка
Плотность r , кг/м3
7130
Температура плавления Тпл, °С
419,4
Температура кипения Ткип, °С
907,0
Коэффициент линейного расширения a × 106, град–1
39,7
Удельная теплоемкость с, кал/(г × град), при 0°С
0,0915
Теплопроводность l , Вт/(м × град), при 25 °С
113,5
Удельное электросопротивление,
Ом × мм2/м, при 20 °С
0,0591
Модуль нормальной упругости Е, МПа
88 000
Модуль сдвига G, МПа
37 700
Предел текучести σт, МПа:
литого
75
деформированного
80–100
Временное сопротивление разрыву σв, МПа:
литого
120–140
деформированного
120–170
отожженного
70–100
Относительное удлинение δ, %:
литого
0,3–0,5
деформированного
40–50
отожженного
10–20
Ударная вязкость литого цинка KCU, Дж/см2
6,0–7,5
Твердость, НВ:
литого
30–40
деформированного
35–45
Области применения цинка.
ЦВ00
Для производства химически чистых реактивов для нужд электротехнической промышленности и для научных целей.
ЦВ0
Для нужд полиграфической и автомобильной отраслей промышленности.
ЦВ
Для отливаемых под давлением особо ответственных деталей, авиа- и автоприборов; для изготовления окиси цинка, применяемой в химико-фармацевтической промышленности; для химически чистых реактивов; для получения цинкового порошка, используемого в аккумуляторной промышленности.
Ц0А
Для цинковых листов, применяемых в производстве гальванических элементов, для отливаемых под давлением ответственных деталей авиа- и автоприборов; для изготовления цинковых сплавов, обрабатываемых давлением; для горячего и гальванического оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления цинкового порошка; для легирования алюминиевых сплавов; для изготовления цинковых белил.
Ц0
Для цинковых листов, применяемых в производстве гальванических элементов; для отливаемых под давлением ответственных деталей авиа- и автоприборов; для изготовления цинковых сплавов, обрабатываемых давлением, для горячего и гальванического оцинкования изделий и полуфабрикатов, в том числе на непрерывных агрегатах оцинкования; для изготовления муфельных и печных сухих цинковых белил; для изготовления цинкового порошка; для легирования алюминиевых сплавов.
Ц1
Для производства сплавов, обрабатываемых давлением (в том числе для цинковых листов); для изготовления гальванических элементов (отливки); для гальванического оцинкования в виде анодов; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов, в том числе на непрерывных агрегатах оцинкования; для изготовления муфельных и печных сухих цинковых белил; для специальных латуней; медно-цинковых сплавов; для приготовления флюса при лужении жести для консервных банок; для изготовления цинкового порошка, применяемого в химической и металлургической промышленности.
Ц2
Для производства цинковых листов, для медно-цинковых сплавов и бронз; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления проволоки для шоопирования; для изготовления цинкового порошка, применяемого, в химической и металлургической промышленности.
Ц3
Для производства цинковых листов, в том числе предназначенных для полиграфической промышленности, для обычных литейных и свинЦ0вых медно-цинковых сплавов; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления цинкового порошка, применяемого в металлургической промышленности.
СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЦИНКА
Промышленные цинковые сплавы разработаны на базе систем Zn—Al и Zn—Al—Cu. Практически во все цинковые сплавы введена добавка магния (до 0,1 %), что повышает размерную стабильность литых деталей и увеличивает коррозионную стойкость сплавов.
Цинковые сплавы подразделяются на литейные и антифрикционные.
Цинковые литейные сплавы. Эти сплавы выпускаются промышленностью в соответствии с ГОСТ 25140–93. Марки и химический состав литейных цинковых сплавов представлены в таблице.
Марки и химический состав (%) литейных цинковых сплавов (ГОСТ 25140–93)
Марки сплавов
Основных компонентов
Примесей, не более
Al
Cu
Mg
Fe
Zn
Cu
Pb
Cd
Sn
Fe
Si
Pb + Cd + Sn
ZnA14A*
3,5–4,5
–
0,02–0,06
–
Основа
0,06
0,004
0,003
0,001
0,06
0,015
0,007
ЦА4 о
3,5–4,5
–
0,02–0,06
–
0,06
0,005
0,003
0,001
0,06
0,015
0,009
ЦА4
3,5–4,5
–
0,02–0,06
–
0,06
0,01
0,005
0,002
0,07
0,015
–
ZnA14Cu1A*
3,5–4,5
0,7–1,3
0,02–0,06
–
–
0,004
0,003
0,001
0,06
0,015
0,007
ЦА4М1о
3,5–4,5
0,7–1,3
0,02–0,06
–
–
0,005
0,003
0,001
0,06
0,015
0,009
ЦА4М1
3,5–4,5
0,7–1,3
0,02–0,06
–
–
0,01
0,005
0,002
0,07
0,015
–
ЦА4М1в
3,5–4,5
0,6–1,3
0,02–0,10
–
–
0,02
0,015
0,005
0,12
0,03
–
ZnA14Cu3A*
3,5–4,5
2,5–3,7
0,02–0,06
–
–
0,004
0,003
0,001
0,06
0,015
0,007
ЦА4М3 о
3,5–4,5
2,5–3,7
0,02–0,06
–
–
0,006
0,003
0,001
0,06
0,015
0,009
ЦА4М3
3,5–4,5
2,5–3,7
0,02–0,06
–
–
0,01
0,005
0,002
0,07
0,015
–
ЦА8М1
7,1–8,9
0,70–1,40
0,01–0,06
–
–
0,01
0,006
0,002
0,10
0,015
–
ЦА30М5
28,5–32,1
3,8–5,6
0,01–0,08
0,01–0,5
–
0,02
0,016
0,01
0,075
–
Примечания:
По требованию потребителя в сплавах марок ZnA14A, ЦА4 о, ЦА4 допускается массовая доля меди как легирующего элемента до 0,10 %.
По согласованию изготовителя с потребителем в сплавах марок ЦА4М3о допускается массовая доля олова до 0,002 %, кадмия — до 0,004 % при сумме примесей свинца, кадмия и олова не более 0,009 %.
По требованию потребителя в сплавах марок ЦА4, ЦА4М1 и ЦА4М3 массовая доля свинца должна быть не более 0,006 %.
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.
* Сплавы, изготовляемые по согласованию потребителя с изготовителем.
Все литейные цинковые сплавы имеют очень узкий температурный интервал кристаллизации, содержат много эвтектики, поэтому обладают хорошей жидкотекучестью и дают плотные отливки. Лучшими способами получения отливок являются литье под давлением и литье в кокиль. Относительно низкая температура литья (440–470 °С) определяет легкие условия работы пресс-форм и кокилей, а высокая жидкотекучесть позволяет отливать тонкостенные детали сложной формы. В некоторых случаях (детали особо сложной конфигурации) применяется литье в песчаные формы. Отливки, полученные таким способом, содержат большое количество пор, имеют более крупнозернистую структуру, что приводит к снижению и значительному разбросу характеристик механических свойств.
В процессе естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров (усадка) отлитых деталей (на 0,07–0,09 %). Две трети усадки происходит в течение 4–5 недель, остальное — в течение многих лет. Для стабилизации размеров применяют термообработку — отжиг (3–6 ч при 100 °С, или 5–10 ч при 85 °С, или 10–20 ч при 70 °С).
Механические свойства цинковых сплавов
Марка сплавов
Способ литья
Механические свойства, не менее
Временное сопротивление,МПа (кгс/мм2)
Относительное удлинение, %
Твердость, НВ
ZnA14A
K
196 (20)
1,2
70
ЦА4 о, ЦА4
Д
256 (26)
1,8
70
ZnA14Cu1A,ЦА4М1 о, ЦА4М1
КД
215 (22)270 (28)
1,01,7
8080
ЦА4М1в
КД
196 (20)
0,5
65
ZnA14Cu3A,
П
215 (22)
1,0
85
ЦА4М3 о
К
235 (24)
1,0
90
ЦА4М3
Д
290 (30)
1,5
90
ЦА8М
КД
235 (24)270 (28)
1,51,5
7090
ЦА30М5
КД
435 (44)370 (38)
8,01,0
115115
Примечание. В таблице приняты следующие обозначения способов литья: П — литье в песчаные формы; К — литье в кокиль; Д — литье под давлением.
Характеристики физических свойств литейных цинковых сплавов (ГОСТ 25140–93)
Маркасплава
Плотность, (кг/м3) ×10–3
Температурный интервалзатвердевания,°С
Удельная теплоемкость при 20 °С,Дж/кг × град–1
Теплопроводность, Вт/м × град–1
Температурный коэффициент линейного расширения в интервале температур 20–100 °С, a ×10–6, град–1
ЦА4
6,7
380–386
410
113
26,0
ЦА4М1
6,7
380–386
440
109
26,5
ЦА4М3
6,8
379–389
427
105
29,5
ЦА8М1
6,3
375–404
–
–
–
ЦА30М5
4,8
480–563
–
–
–
Цинковые сплавы могут подвергаться сварке и пайке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как сварные и паяные швы имеют низкую прочность. Оловянно-свинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные детали с использованием флюса — подкисленного хлористого цинка. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5 % Cd + 17,5 % Zn. В этом случае флюс не требуется.
Сварку ведут в восстановительном пламени с использованием присадки из того же сплава, что и свариваемые детали.
Наиболее широко литейные цинковые сплавы используются в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлических тормозов, а также в других отраслях промышленности, бытовой технике для отливки деталей приборов, корпусов, арматуры и т. д. Рекомендации по применению представлены в таблице.
Рекомендации по применению цинковых сплавов (ГОСТ 25140–93)
Марка сплава
Характерные свойства
Область применения
ZnA14A
Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, стабильность размеров
В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки деталей приборов, требующих стабильности размеров
ЦА4 о
Хорошая жидкотекучесть, хорошая коррозионная стойкость, стабильность размеров
ЦА4
Как для марки ЦА4 о, но с меньшей коррозионной стойкостью
ZnA14Cu1A
Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, практически неизменяемость размеров при естественном старении
В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки корпусных, арматурных, декоративных деталей, не требующих повышенной точности
ЦА4М1 о
Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, практически неизменяемость размеров при естественном старении
ЦА4М1
Как для марки ЦА4М1 о, но с меньшей устойчивостью размеров
В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки корпусных, арматурных, декоративных деталей, не требующих повышенной точности
ЦА4М1в
По технологическим и эксплуатационным свойствам уступает предыдущим маркам сплавов этой группы
В различных отраслях промышленности для литья неответственных деталей
ZnAl4Cu3A
Хорошая жидкотекучесть, высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, изменяемость размеров до 0,5 %
В автомобильной и других отраслях промышленности для изготовления деталей, требующих повышенной точности
ЦА4М3 о
Хорошая жидкотекучесть, высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, изменяемость размеров до 0,5 %
ЦА4М3
Как для марки ЦА4М3 о, но с пониженной коррозионной стойкостью
ЦА30М5
Предназначены для замены стандартного антифрикционного сплава ЦАМ10-5, значительно превосходят его по механическим свойствам и износостойкости
Как для марки ЦА4М1, но с более высокими прочностными свойствами
В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности
Эти сплавы нельзя использовать в условиях повышенных и низких температур, так как уже при температуре 100 °С их 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.
