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

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 Е_т 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.