Алюминиево-цинковый сплав

Алюминиево-цинковый сплав — это металлический композиционный материал, в котором основными легирующими компонентами являются алюминий (Al) и цинк (Zn), часто с добавлением меди, магния и других элементов. Сплав относится к группе деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, но в ряде составов цинк может преобладать по массе, что делает его цинковым сплавом с алюминием. Основное применение — в машиностроении, строительстве, электротехнике и производстве коррозионностойких покрытий.

История

Первые упоминания о сплавах алюминия с цинком относятся к началу XX века, когда исследователи искали способы повышения прочности и твёрдости алюминия. В 1920-х годах немецкий металлург Альфред Вильм (Alfred Wilm) открыл эффект упрочнения алюминиевых сплавов при старении, что привело к созданию серии сплавов системы Al–Zn–Mg. Однако практическое применение алюминиево-цинковых сплавов началось в 1930-х годах, когда в США и Германии были разработаны составы для авиационной промышленности. В 1950-х годах в СССР были созданы сплавы типа В95 (аналог зарубежного 7075), содержащие до 5–6 % цинка, которые использовались в конструкциях самолётов и ракет.

В 1960-х годах появились цинк-алюминиевые сплавы (ZA), где цинк составлял основу (до 80–90 %), а алюминий добавлялся для улучшения литейных свойств и износостойкости. Эти сплавы нашли применение в подшипниках, втулках и деталях автомобилей. В 1970-х годах в Японии и США были разработаны алюминиево-цинковые покрытия (Galvalume, Aluzinc), которые наносятся на сталь для защиты от коррозии.

Состав и классификация

Алюминиево-цинковые сплавы классифицируются по содержанию цинка и алюминия, а также по назначению. Выделяют три основные группы:

1. Алюминиевые сплавы с цинком (Al–Zn)

В этих сплавах алюминий является основой (обычно 85–95 %), а цинк добавляется в количестве 3–10 % для упрочнения. Часто легируются магнием (Mg) и медью (Cu). Примеры:

• 7075 (Al–5,6 % Zn–2,5 % Mg–1,6 % Cu) — высокопрочный сплав для авиации.
• В95 (российский аналог 7075) — используется в самолётостроении.
• 7020 (Al–4,5 % Zn–1,2 % Mg) — свариваемый сплав для транспортных средств.

2. Цинк-алюминиевые сплавы (ZA)

В этих сплавах цинк является основой (60–90 %), а алюминий добавляется в количестве 8–30 % для повышения прочности и литейных свойств. Примеры:

• ZA-8 (8 % Al, 1 % Cu, остальное Zn) — для литья под давлением.
• ZA-12 (11 % Al, 1 % Cu) — для деталей машин.
• ZA-27 (27 % Al, 2 % Cu) — высокопрочный сплав для подшипников.

3. Покрытия на основе Al–Zn

Тонкий слой сплава наносится на стальной лист для защиты от коррозии. Типичный состав: 55 % Al, 43,4 % Zn, 1,6 % Si (кремний). Примеры: Galvalume (торговая марка компании Bethlehem Steel, США), Aluzinc (Европа), АЦ (Россия).

Физико-механические свойства

Свойства алюминиево-цинковых сплавов сильно зависят от состава и термической обработки. Основные характеристики:

Ключевые особенности:

• Высокая прочность Al–Zn сплавов (особенно после закалки и старения) — на уровне конструкционных сталей, но при меньшей плотности.
• Хорошая износостойкость ZA сплавов — превосходят бронзу по сопротивлению истиранию.
• Отличная коррозионная стойкость покрытий — в 2–4 раза выше, чем у чистого цинка, благодаря образованию пассивной плёнки оксида алюминия.

Производство и обработка

Плавка и литьё

Алюминиево-цинковые сплавы плавятся в электрических или газовых печах при температурах 700–800 °C (для Al–Zn) или 450–550 °C (для ZA). Для предотвращения окисления и насыщения водородом применяют флюсы и рафинирование. Литейные сплавы (ZA) заливают в кокиль или под давлением; деформируемые (Al–Zn) — в слитки для последующей прокатки или прессования.

Термическая обработка

Для Al–Zn сплавов обязательна закалка (нагрев до 460–490 °C, быстрое охлаждение в воде) и искусственное старение (120–140 °C, 12–24 часа). Это повышает прочность на 30–50 %. ZA сплавы обычно не подвергают термообработке, но могут отжигать для снятия напряжений.

Покрытие стальных листов

Сплав Al–Zn наносится на сталь методом горячего цинкования (окунание в расплав) или напылением. Кремний (Si) добавляется для предотвращения чрезмерного роста интерметаллидного слоя. Толщина покрытия — 20–50 мкм.

Применение

Авиация и космонавтика

Высокопрочные Al–Zn сплавы (7075, В95) используются для изготовления силовых элементов планера самолётов (лонжероны, шпангоуты, обшивка), деталей шасси и ракетных корпусов. Например, в самолётах Boeing 747 и МиГ-29 применяются сплавы серии 7xxx.

Автомобилестроение

ZA сплавы применяются для литья под давлением деталей двигателей (картеры, корпуса насосов), подшипников скольжения, втулок, шестерён. В автомобилях Ford и General Motors используются сплавы ZA-12 и ZA-27 для замены бронзы и латуни.

Строительство

Стальные листы с покрытием Al–Zn (Galvalume, Aluzinc) широко используются для кровли, фасадов, водосточных систем, профилированных листов (профнастил) и сэндвич-панелей. Срок службы таких покрытий достигает 30–50 лет в умеренном климате.

Электротехника

Al–Zn сплавы применяются для изготовления контактов, клемм, корпусов трансформаторов и радиаторов. ZA сплавы используются в электронных разъёмах благодаря хорошей электропроводности (около 30 % от меди).

Производство бытовой техники

Из ZA сплавов отливают корпуса стиральных машин, миксеров, кухонных комбайнов. Покрытие Al–Zn применяется для защиты внутренних деталей духовок и холодильников.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная прочность (Al–Zn) — отношение прочности к плотности выше, чем у стали и титана.
• Отличная коррозионная стойкость (покрытия и ZA сплавы) — не требуют дополнительной защиты.
• Хорошая обрабатываемость резанием и литьём.
• Возможность вторичной переработки — сплавы легко переплавляются без потери свойств.

Недостатки

• Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением (Al–Zn сплавы с высоким содержанием цинка) — требует тщательного контроля термической обработки.
• Высокая стоимость (цинк дороже алюминия, а легирование медью и магнием увеличивает цену).
• Ограниченная свариваемость — некоторые составы требуют специальных методов сварки (аргонодуговая, лазерная).
• Низкая пластичность при низких температурах (ZA сплавы становятся хрупкими ниже -20 °C).

Интересные факты

• Сплав 7075 использовался в конструкции лунного модуля «Аполлон» (США) благодаря высокому отношению прочности к весу.
• Покрытие Galvalume было изобретено в 1972 году компанией Bethlehem Steel и с тех пор остаётся одним из самых популярных в мире для стальных кровель.
• В России сплавы В95 и В96 применяются в ракетной технике, в том числе в межконтинентальных баллистических ракетах «Тополь» и «Ярс».
• ZA-27 по износостойкости превосходит бронзу БрО10Ф1 в 2–3 раза, что позволяет использовать его в подшипниках без смазки.

Источники

• ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки».
• ГОСТ 2511-93 «Сплавы цинковые литейные. Марки».
• ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM International, 1990.
• Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. — М.: Металлургия, 1981.
• Справочник по алюминиевым сплавам / Под ред. И. Н. Фридляндера. — М.: Металлургия, 1979.