Цинк и его сплавы

Исторические сведения.

Соединения цинка и его сплавы известны человечеству с глубокой
древности, металлический же цинк был получен значительно позднее, чем железо, свинец и олово. Это обстоятельство объясняется тем, что обычные способы плавки руды с углем здесь не достигали цели; чтобы восстановить цинк, его надо быстро нагреть до температуры около 1000 градусов, но при этом он кипит и в виде паров теряется вместе с дымовыми газами. Только
после того как научились конденсировать пары цинка в глиняных сосудах, стало возможных получение металла в свободном состоянии. Полагают, что такой дистилляционный способ получения свободного цинка впервые был изобретен в Китае.
В доисторических дакийских развалинах в Трансильвании был найден идол, отлитый из сплава, содержащего около 87% цинка. Получение металлического цинка из галмея  впервые описывает Страбон (60-20 гг. до н.э.). Цинк в этот период называли тутией или фальшивым серебром. Благодаря довольно сложной выработке цинка из руд в X-XI вв. н.э. искусство получения цинка в Европе было утрачено и он ввозился сюда под названием индийского олова из Китая и Индии.
В конце XIII в. н.э. итальянский путешественник Марко Поло описалспособ получения металлического цинка в Персии. В 1637 году метод выплавки цинка и его свойства описываются в китайской книге “Циен конг кан у”. Казалось бы, что раз метод получения описан в литературе, то его легко могли перенять другие народы и применить у себя на родине. Но этого не случилось. Экономическая и культурная разобщенность народов, слабые транспортные связи, а главное, стремление многих ученых описывать свои открытия на непонятном языке - все это препятствовало быстрому распространению технических достижений.
Вторично получение цинка в Европе стало известно в начале XVI века, когда о способе его выплавки упоминают в своих сочинениях Георг Агрикола (1494-1555) и Теофраст Парацельс. Однако и после этого цинк в Европе был большой редкостью, что продолжалось почти до конца XVIII в.
Название же “цинк” происходит от латинского слова, обозначающего бельмо или белый налет, и впервые встречается у Парацельса в 1530 году. Роберт Бойль назвал цинк “ спелтером”. У нас цинк И. Шлаттер (1736) называл “туцией”, Ломоносов (1742) ввел название “цинк”, но оно не пользовалось успехом и цинк чаще всего называли “шпиаутер”.
В 8-м издании “Основ химии” (1906) Д.И. Менделеев употребляет
современное название цинка, но наряду с этим ставит в скобках и другое его название - ”шпиаутер”. Из этого можно заключить, что во времена Менделеева старое название цинка было достаточно широко распространено.

Основные свойства.

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37.
Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419( С, а при 913( С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110( С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит
в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей. Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка.

Цинк - элемент II группы четвертого периода периодической системы элементов Д.И.Менделеева.
В соединениях проявляет степень окисления +2.
В природе встречается только в виде соединений, важнейшим из которых является цинковая обманка 2п5 и цинковый шпат 2пСО3.
Физические свойства:
Цинк — голубовато-белый металл, хрупкий при комнатной температуре, а при 100-150°С поддается прокатке и вытягивается.
На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой.
Химические свойства:
Цинк является довольно активным металлом.

1.Легко взаимодействует со многими неметаллами: кислородом, галогенами, серой, фосфором.
2. При нагревании взаимодействует с водой и сероводородом с выделением водорода.
3. Взаимодействует с щелочами:
— при сплавлении с ними образуются соли цинковой кислоты — цинкаты.
— при взаимодействии с водным раствором щелочи образуется комплексная соль цинковой кислоты (гидроксоцинкат натрия) .
4. Взаимодействует с кислотами:
— с серной кислотой с образованием различных веществ в зависимости от концентрации кислоты

— с азотной кислотой с образованием разных веществ в зависимости от концентрации кислоты.

Металлохимические свойства цинка:

Металлохимические свойства цинка определяют характер его взаимодействия с другими элементами. Отсюда следуют выводы:

1. Цинк в обычных условиях является типичным электроотрицательным металлом и образует химические соединения со многими электроположительными металлами, за исключением тех, которые имеют близкие с цинком величины электроотрицательности. К числу последних следует отнести, например, Cd, Tl, Pb, In, Са, Ge.

2. Цинк в обычных условиях не образует непрерывных твердых растворов ни с одним элементом периодической системы.

3. Для цинка характерно образование ограниченных твердых растворов, например с Li, Mg, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Cd, Al, In, Tl, Sn, Pb. При этом растворимость цинка в электроположительных металлах (Li, Mg, Tl, Mn, Cd) значительно выше при соответствующих температурах, чем этих металлов в цинке.

 

Механические и технологические свойства цинка:

Механические свойства цинка, особенно временное сопротивление , удлинение  и твердость , существенно зависят от состояния обработки цинка.

При комнатной температуре цинк в литом состоянии имеет ограниченную пластичность и плохо прокатывается, так как деформация происходит только по базисной плоскости, т.е. параллельно направлению роста кристаллов. В связи с этим наступает резкая анизотропность свойств деформированного цинка. При этом цинк значительно прочнее поперек направления прокатки, чем вдоль нее. Прочностные свойства цинка сильно зависят от температуры.

При температуре ниже 0°С наблюдается охрупчивание цинка, а при повышении температуры происходит возрастание пластичности. Так, при 100-150°С цинк становится настолько пластичным, что из него можно прокатывать листы толщиной в сотые доли миллиметра.

Хотя цинк и обладает высокой пластичностью при прокатке в широком интервале температур, горячую прокатку электролитного цинка (марки Ц0) следует проводить при 150-200 °С, а полиграфического цинка (марка ЦЗ) - при 180-220 °С. Чистейший цинк хорошо куется и прокатывается в интервале температур 150-200 °С. С повышением температуры происходит снижение твердости литого цинка.

Область применения в городском хозяйстве.

Области применения цинка в процентном отношении:

  • Цинкование — 45-60 %
  • В медицине (оксид цинка как антисептик) — 10 %
  • Производство сплавов — 10 %
  • Производство резиновых шин — 10 %
  • Масляные краски — 10 %

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применение цинка в металлургии.

Этот металл по-прежнему остается основой промышленности. По выплавке чугуна и стали и сейчас судят о мощи государства. А чугун и сталь подвержены коррозии, и, несмотря на значительные успехи, достигнутые человечеством в борьбе с «рыжим врагом», коррозия ежегодно губит десятки миллионов тонн металла.

Нанесение на поверхность стали и чугуна тонких пленок коррозионно-стойких металлов – важнейшее средство защиты от коррозии. А на первом месте среди всех металлопокрытий – и по важности, и по масштабам – стоят покрытия цинковые. На защиту стали идет 40% мирового производства цинка!

Оцинкованные ведра, оцинкованная жесть на крышах домов – вещи настолько привычные, настолько будничные, что мы, как правило, не задумываемся, а почему, собственно, они оцинкованные, а не хромированные или никелированные? Если же такой вопрос возникает, то «железная логика» мигом выдает однозначный ответ: потому что цинк дешевле хрома и никеля. Но дело не в одной дешевизне.

Цинковое покрытие часто оказывается более надежным, нежели остальные, потому что цинк не просто механически защищает железо от внешних воздействий, он его химически защищает.

Применение цинка в аккумуляторах.

Поскольку цинк в ряду напряжений является самым электроположительным металлом, устойчивым в водных растворах (магний все-таки медленно, но реагирует с водой), на основе цинка создано большое число разнообразных химических источников тока. Это серебряно-цинковые аккумуляторы, «сухие» элементы Лекланше, ртутно-цинковые и воздушно-цинковые элементы.

Например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи), ртутно-цинковый элемент (ЭДС 1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно - ртутный элемент, йодатно - цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (ЭДС 0,7—1,6 Вольт, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм³), хром- цинковый элемент, цинк -хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,82 Вольт, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк -хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др).

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры. Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники.

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов. Как ни парадоксально, но и при получении самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая пыль – для очистки раствора сульфата цинка от меди и кадмия. Но это еще не все. Вы никогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов и другие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет? Главная составная часть применяемой во всех этих случаях краски – все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, эластична, хорошо прилипает к поверхности металла.

В США в последние годы цинк находит широкое применение в качестве покрытия стартовых конструкций для запуска ракет. Огромное количество тепла, выделяющегося при сгорании топлива в ракете, частично поглощается при испарении цинкового покрытия, чем предохраняются от разрушения металлические части стартовых конструкций. Цинк употребляют в так называемых стабилизирующих устройствах, которые корректируют отклонения спутников при движении в космосе. Цинковые соединения широко используют в качестве источников энергии в космических кораблях (цинк -серебряные оксидные батареи). В последнее время цинк получил заслуженное признание как основа протекторного материала, используемого в системах электрохимической защиты корпусных конструкций судов, нефтяных резервуаров, судовых систем, аппаратов и других металлоконструкций.

Основные конкуренты.

Цинк - самый молодой из тяжелых цветных металлов, и если в начале XIX в. его производство не превышало 900 т в год, то в настоящее время производство цинка только в зарубежных странах составляет около 6 млн. т в год.

Цинк занимает особое место среди металлов, применяемых в промышленности. Как конструкционный материал нелегированный цинк не нашел широкого применения, так как обладает недостаточно благоприятным комплексом механических, физических и технологических свойств. Однако дополнительное легирование цинка различными элементами существенно повышает вышеуказанные свойства и характеристики. Поэтому значительная часть цинка (до 20%) идет на приготовление цинковых сплавов, в которых основными легирующими компонентами являются алюминий и медь; широко используется цинк и для производства медных сплавов (латуни).

В зависимости от марки цинк используют для цинкования стали, получения цинковых сплавов, изготовления цинковых полуфабрикатов, а также для получения цинковых соединений.

Основными конкурентами цинка являются: Алюминий, Медь, Хром, Титан.

         Сравнительный анализ Цинка с другими металлами.

 

Название металла

Краткое описание

Свойство металла

Применение

 
 

Алюминий

металл серебристо-белого цвета

Температура плавления 650°С. Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной окисной пленки. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность – 2,7г/см3 против 7,8г/см3 для железа и8,94г/см3 для меди. Имеет хорошую тепло- и электропроводность. Хорошо обрабатывается давлением.

Применяется в электропромышленности для изготовления проводников тока, в пищевой и химической промышленности. Применяется в качестве раскислителя при производстве стали, для алитирования деталей с целью повышения их жаростойкости. В чистом виде применяется редко из-за низкой прочности – 50МПа.

 
 
 
 
 

               Хром

блестящий цветной металл с синеватым оттенком, за удельным весом близкий к железу. Он довольно твердый (на единицу меньше от алмаза), тем не менее, хрупкий.

Он довольно твердый, тем не менее, хрупкий. Температура плавления 1910 °С. Стойкий против окисления в атмосфере и в воде. Азотная кислота его не растворяют. В растворах соляной и серной кислот растворяется постепенно, но более активно в крепкой соляной кислоте. Хром довольно крепкий против стирания.

В чистом виде хром широко используют для декоративного и антикоррозийного покрытия других металлов. В промышленности хром широко используют для изготовления легированных хромистых сталей высокой прочности.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Медь

металл красного, в изломе розового цвета

обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью (100% чистая медь-эталон, то 65%-алюминий, 17%железо), а также стойкостью против атмосферной коррозии

Позволяет использовать ее в качестве кровельного материала ответственных зданий

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Титан (Те)

лёгкий металл серебристо-белого цвета.

имеет высшую температуру плавления, низкую теплопроводность и плохие антифрикционные свойства, но легко куется и штампуется. При нагревании до 500 °С на воздухе он не окисляется, а при высшей температуре на его поверхности образовывается крепкая защитная пленка.

Поэтому из титана и его сплавов изготовляют обшивку сверхзвуковых самолетов, компрессоры реактивных двигателей, в турбо-строении - лопате и диски турбин и т.п.Из листового титана можно изготовить (с применением аргонового сваривания) легкие глушители для автомобилей, которые не ржавеют и не прогорают.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Таблица сравнения Цинка с цветными металлами.

Условия

Металлы

 

Латунь

Медь

Цинк-титан

Сталь в полимерах

Устойчивость

к ультрафиолету

*****

*****

*****

***

Устойчивость к высоким температурам

*****

*****

****

***

Устойчивость к коррозии

*****

*****

*****

****

Устойчивость к механическим

воздействиям

****

****

****

**

Пайка

*****

*****

***

-

Фальцевание

****

*****

*****

****

Вес

*****

*****

*****

***

Стоимость

****

****

*****

**

Срок службы

****

*****

****

***

В результате, изделия из цветных металлов, несмотря на большие первоначальные затраты, считаются одними из самых экономичными, так как служат не одно десятилетие.

Цветные металлы и их сплавы (в том числе цинк) нашли широкое применение в строительстве благодаря своей прочности, легкости ,высокой антикоррозийной стойкости. Цветная металлургия является одной из наиболее конкурентоспособных отраслей промышленности России, причем российские компании в ряде подотраслей (алюминиевой, никелевой, титановой) входят в группу мировых лидеров.

Список используемой литературы.

1. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.:Металлургия, 2005. – 416 с.

2. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. // 2-е изд. – М.:Машиностроение, 2007. – 384 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение. – М.:Металлургия, 2006. – 544 с.

4. Материалы будущего: Пер. с нем./Под ред. А. Неймана. – Л.: Химия, 2003. – 240 с.

 5.Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986
6.http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/zin/primenenie_cinka