Цинк и его сплавы: химический состав, физические свойства, применение

Свойства цинка

Химические свойства цинка

Цинк — активный металл. При комнатной температуре тускнеет и покрывается слоем оксида цинка.

• Вступает в реакцию со многими неметаллами: фосфором, серой, кислородом.
• При повышении температуры взаимодействует с водой и сероводородом, выделяя водород.
• При сплавлении с щелочами образует цинкаты — соли цинковой кислоты.
• Реагирует с серной кислотой, образуя различные вещества в зависимости от концентрации кислоты.
• При сильном нагревании вступает в реакции со многими газами: газообразным хлором, фтором, йодом.
• Не реагирует с азотом, углеродом и водородом.

Физические свойства цинка

Цинк — твердый металл, но становится пластичным при 100–150 °C. При температуре выше 210 °С может деформироваться. Температура плавления — очень низкая для металлов. Несмотря на это, цинк имеет хорошую электропроводность.

• Плотность — 7,133 г/см³.
• Теплопроводность — 116 Вт/(м·К).
• Температура плавления цинка — 419,6 °C.
• Температура кипения — 906,2 °C.
• Удельная теплота испарения — 114,8 кДж/моль.
• Удельная теплота плавления — 7,28 кДж/моль.
• Удельная магнитная восприимчивость — 0,175·10-6.
• Предел прочности при растяжении — 200–250 Мн/м2.

Подробный химический состав цинка различных марок указан в таблице ниже.

Содержание примесей в цинке зависит от способа производства и качества сырья.

В России основной процент цинка получают гидрометаллургическим способом — металл восстанавливают из солей в растворах. Такой способ позволяет получить наиболее чистый металл. Но часть цинка обрабатывают при высоких температурах. Такой метод называют пирометаллургическим.

Свинец — особая примесь в цинке, так как основная его часть оседает из-за нерастворимых анодов, содержащихся в металле. Катодный цинк, помимо всех указанных примесей, состоит из хлора и фтора.

Никелевая латунь

Никелевая латунь — это медно-цинковый сплав, основным легирующим элементом в котором является никель. Последний обладает свойствами, которые значительно улучшают характеристики латуни. Он делает сплав менее подверженным коррозии и измельчает зерно.

В промышленности часто используется латунь марки ЛН65-5. В ней содержится 64–67 % меди и 5-6 % никеля, остальное — цинк. Допускаются примеси, сумма которых не должна превышать 0,3 %. Она обладает повышенными механическими свойствами, износостойкостью, и подвергается обработке. Из нее делают конденсаторные трубки для морских судов, манометров и так далее. Существует еще и другой распространенный сплав, который содержит 12–14 % никеля, 26–30 % цинка и 56–62 % меди.

Как примеси изменяют свойства цинка

Производители ограничивают содержание кадмия, олова и свинца в литейных сплавах цинка, чтобы подавить межкристаллитную коррозию.

Олово — вредная примесь. Металл не растворяется и выделяется из расплава — способствует ломкости цинковых отливок. Кадмий напротив — растворяется в цинке и снижает его пластичность в горячем состоянии. Свинец увеличивает растворимость металла в кислотной среде.

Железо повышает твердость цинка, но снижает его прочность. Вместе с тем оно усложняет процесс заполнения форм при литье.

Медь увеличивает твердость цинка, но уменьшает его пластичность и стойкость при коррозии. Содержание меди также мешает рекристаллизации цинка.

Наиболее вредная примесь — мышьяк. Даже при небольшом ее количестве металл становится хрупким и менее пластичным.

Чтобы избежать растрескивания кромок при горячей прокатке цинка, содержание сурьмы не должна быть выше 0,01%. В горячем состоянии она увеличивает твердость цинка, лишая его хорошей пластичности.

Парамагнетики и ферромагнетики

Рассмотрим вариант, когда у каждого атома вещества есть свое магнитное поле. Эти поля разнонаправлены и компенсируют друг друга. Если же рядом с таким веществом положить магнит, то поля сориентируются в одном направлении. У вещества появится магнитное поле, положительный и отрицательный полюс. Тогда вещество притянется к магниту и само может намагнититься, то есть будет притягивать другие металлические предметы. Так, например, можно намагнитить дома стальные скрепки. У каждой появится отрицательный и положительный полюс и можно будет даже подвесить целую цепочку из скрепок на магнит. Такие вещества называют парамагнитными.

Ферромагнетики — небольшая группа веществ, которые притягиваются к магнитам и легко намагничиваются даже в слабом поле.

Сплавы цинка

Сплавы на цинковой основе с добавлением меди, магния и алюминия имеют низкую температуру плавления и обладают хорошей текучестью. Они легко поддаются обработке, свариванию и паянию.

Латунь

Различают латуни двухкомпонентные и многокомпонентные.

Двухкомпонентная латунь — сплав цинка с высоким содержанием меди. Существует желтая латунь с медью в количестве 67%, золотистая медь или томпак — 75%, и зеленая — 60%. Такие сплавы могут деформироваться при температуре 300 °C.

Многокомпонентные латуни, помимо 2-х основных металлов, состоят из других добавок: никеля, железа, свинца или марганца. Каждый из элементов влияет на свойства сплава.

ЦАМ

ЦАМ — семейство цинковых сплавов. В их состав входят магний, алюминий и медь. Такие сплавы цинка используются в литейном производстве. В них содержится алюминий в количестве 4%.

Основная область применения сплавов ЦАМ — литье цинка под давлением. Сплавы этого семейства обладают низкой температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Их высокопрочность позволяет производить прочные и сложные детали.

Вирениум

Сплав состоит из цинка (24,5%), меди (70%), никеля (5,5%).

Научная точка зрения

Чтобы определить, какие металлы не магнитятся, нужно выяснить, как все металлы вообще могут относиться к магнитам и магнитному полю. По отношению к внесенному магнитному полю все вещества делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Они непрерывно движутся, что создает магнитное поле. Магнитные поля электронов одного атома могут усиливать друг друга или уничтожать, что зависит от направления их движения. Причем скомпенсированы могут быть:

• Магнитные моменты, вызванные движением электронов относительно ядра – орбитальные.
• Магнитные моменты, вызванные вращением электронов вокруг своей оси – спиновые.

Если все магнитные моменты равны нулю, вещество относят к диамагнетикам. Если скомпенсированы только спиновые моменты – к парамагнетикам. Если поля не скомпенсированы – к ферромагнетикам.

Производств цинка

Добыча металла

Цинк как самородный металл в природе не встречается. Добывается из полиметаллических руд, содержащих 1–4% металла в виде сульфида, а также меди, свинца, золота, серебра, висмута и кадмия. Руды обогащаются селективной флотацией и получаются цинковые концентраты (50–60% Zn).

Концентраты цинка обжигают в печах. Сульфид цинка переводится в оксид ZnO. При этом выделяется сернистый газ SO2, который используется в производстве серной кислоты.

Получение металла

Существуют два способа получения чистого цинка из оксида ZnO.

Самый древний метод — дистилляционный. Обожженный концентрированный состав подвергают термообработке, чтобы придать ему зернистость и газопроницаемость.

Затем концентрат восстанавливают коксом или углем при температуре 1200–1300 °C. В процессе образуются пары металла, которые конденсируют и разливают в изложницы. Жидкий металл отстаивают от железа и свинца при температуре 500 °C. Так достигается цинк чистотой 98,7%.

Иногда используется сложная и дорогая обработка цинка ректификацией — разделением смесей за счет обмена теплом между паром и жидкостью. Такая чистка позволяет получить металл чистотой 99,995% и извлечь кадмий.

Второй метод производства цинка — электролитический. Обожженный концентрат обрабатывается серной кислотой. Готовый сульфатный раствор очищается от примесей, после чего подвергается электролизу в свинцовых ваннах. Цинк дает осадок на алюминиевых катодах. Полученный металл удаляют с ванн и плавят в индукционных печах. После этого получается электролитный цинк чистотой 99,95%.

Литье металла

Горячий цинк — жидкий и текучий металл. Благодаря таким свойствам он легко заполняется в литейные формы.

Примеси влияют на величину натяжения поверхности цинка. Технологические свойства металла можно улучшить, добавив небольшое количество лития, магния, олова, кальция, свинца или висмута.

Чем выше температура перегрева цинка, тем лучше он заполняет формы. При литье металла в чугунные изложницы его объем уменьшается на 1,6%. Это затрудняет получение крупных и длинных цинковых отливок.

Какие металлы не магнитятся: список

Ферромагнетиков, то есть металлов, которые хорошо магнитятся, в природе существует всего 9. Это железо, кобальт, никель, их сплавы и соединения, а также шесть металлов- лантаноидов: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий.

Металлы, притягивающиеся только к очень сильным магнитам (парамагнетики): алюминий, медь, платина, уран.

Поскольку в быту не встречаются настолько большие магниты, которые бы притянули парамагнетик, а также не встречаются металлы-лантаноиды, можно смело утверждать, что все металлы, кроме железа, кобальта, никеля и их сплавов не будут притягиваться к магнитам.

Итак, какие металлы не магнитятся к магниту:

• парамагнетики: алюминий, платина, хром, магний, вольфрам;
• диамагнетики: медь, золото, серебро, цинк, ртуть, кадмий, цирконий.

В целом можно сказать, что черные металлы притягиваются к магниту, цветные – не притягиваются.

Если говорить о сплавах, то сплавы железа магнитятся. К ним относят в первую очередь сталь и чугун. К магниту могут притянуться и драгоценные монеты, поскольку они изготовлены не из чистого цветного металла, а из сплава, который может содержать небольшое количество ферромагнетика. А вот украшения из чистого цветного металла к магниту не притянутся.

Какие металлы не ржавеют и не магнитятся? Это обычная пищевая нержавейка, золотые и серебряные изделия.

Применение цинка

Для защиты металлов от коррозии

Чистый цинк используется для защиты металлов от коррозии. Основу покрывают тонкой пленкой. Этот процесс называется металлизацией.

В автомобильной отрасли

Сплавы на цинковой основе используют для оформления декора автомобильного салона, в производстве ручек дверей, замков, зеркал и корпусов стеклоочистителей.

В автомобильные покрышки добавляют окись цинка, которая повышает качество резины.

В батарейках, аккумуляторах и других химических источниках тока цинк используется как материал для отрицательного электрода. В производстве электромобилей применяются цинк-воздушные аккумуляторы, которые обладают высокой удельной энергоемкостью.

В производстве ювелирных украшений

Ювелиры добавляют цинк в сплавы на основе золота. В итоге они легко поддаются ковке и становятся пластичными — прочно соединяют мелкие детали изделия между собой.

Металл также осветляет ювелирные изделия, поэтому его часто используют в изготовлении белого золота.

Отличаем алюминий от оцинковки

С целью снижения нагрузки на несущие конструкции их часто выполняют из алюминия. Отличить алюминий от оцинковки просто, особенно, если перед покупателем – не готовая сборка, а заготовки из листового или профильного проката. Основные способы:

• По плотности/весу. Плотность алюминия (2700 кг/м3) чуть ли втрое меньше плотности стали (7600…7900 кг/м3).
• По твёрдости поверхности – алюминий мягче, и при царапании оставит на гладкой поверхности более глубокую борозду.
• По воздействию на тканевые органы пальцев. Тончайшая плёнка из диоксида алюминия при фрикционном контакте с влажной кожей рук оставит частички алюминия на поверхности пальцев. При касании их с листом чистой бумаги или картона на нём останутся тёмно-серые полосы.

Внешне алюминий выглядит более серебристым, чем сталь, особенно – горячекатаная.

Различаем оцинкованную и нержавеющую стали

Визуально отличить нержавейку от оцинковки непросто, поскольку разница в плотности малозаметна (как, впрочем, и внешний вид металла). Приходится применять следующие виды испытаний:

• На механическую прочность в исходном состоянии. Большинство сортов нержавейки имеют предел прочности на разрыв не менее 450 МПа. Для оцинковки этот показатель намного ниже – до 300…350 МПа.
• На твёрдость по Бринеллю НВ. Для нержавейки нормальными показателями считаются НВ 230…300, для оцинкованной стали – НВ 200…250.
• На пластичность. Удельное усилие, при котором на заготовке появляются трещины, составляет – для оцинкованной стали 170…230 МПа, а для нержавеющей – 350…400 МПа.

Если механических испытаний недостаточно, проводят химические исследования, в которых используется соляная кислота. Метод основан на свойствах цинка, который, взаимодействуя с покрытием из оцинкованного листа, активно выделяет водород. Небольшой капли соляной кислоты достаточно для того, чтобы оцинкованная поверхность начала покрываться пузырями, при этом слой цинка постепенно исчезает. Поверхность нержавейки химически неактивна.

Для оценки можно использовать и электромагнитные различия между цинкованной и нержавеющей сталью. Если магнит притягивается к заготовке, то с высокой степенью достоверности можно сказать, что это оцинкованная сталь, в то время как большинство нержавеющих сталей немагнитно.