Цинковые сплавы: описание, структура и свойства

Металлы и сплавы так тесно вошли в нашу жизнь, что порой мы даже не задумываемся о них. Еще в 4-3 тысячелетиях до нашей эры произошло первое знакомство человека с самородками. С тех пор прошло много времени, и с каждым годом обработка металла только совершенствовалась.

Большую роль в этом сыграл такой металл, как цинк. Сплавы на его основе используются во многих отраслях. В данной статье мы рассмотрим цинковые сплавы и их роль в нашей жизни.

Переходный металл

Известно, что цинк – это голубовато-белый хрупкий переходный металл. Его добывают из полуметаллических руд. Процесс получения чистого цинка достаточно сложный и трудоемкий. В первую очередь руду, содержащую от 1-4% цинка, обогащают селективной флотацией. Благодаря этому процессу получают концентраты (55% Zn). Далее необходимо получить оксид цинка. Для этого в печах в кипящем слое обжигают полученные концентраты. Только из оксида цинка можно получить этот металл в чистом виде, и для этого существует два способа.

Получение цинка

Первый – электролитический, основывается на обработке оксида цинка серной кислотой. В результате этой реакции образовывается сульфатный раствор, который очищают от примесей и подвергают электролизу. На алюминиевых катодах осаживается цинк, который затем плавят в индукционных печах. Чистота цинка, полученного таким образом, составляет около 99,95%.

Второй способ, наиболее давний – дистилляционный. Концентраты нагревают до очень высокой температуры (около 1000°С), выделяются пары цинка, которые путем конденсации оседают на глиняных сосудах. Но этот способ не дает такой чистоты, как первый. В полученных парах содержится около 3% различных примесей, включая такой ценный элемент, как кадмий. Поэтому дальше Zn очищают ликвацией. При температуре 500°С его отстаивают некоторое время и получают чистоту 98%. Для дальнейшего изготовления сплавов этого достаточно, ведь потом цинк все равно легируют этими же элементами. Если этого недостаточно, применяют ректификацию и получают цинк с чистотой 99,995%. Таким образом, оба способа позволяют получить высокочистый цинк.

Неразлучная пара металлов

Как правило, свинец присутствует в составе цинковых сплавов в качестве примеси. В природе эта неразлучная пара металлов встречается достаточно часто. Но на самом деле, большое содержание свинца в цинковом сплаве ухудшает его физические свойства, создавая склонность к межкристаллитной коррозии, если его содержание превышает 0,007%. Чаще всего свинец и цинк встречаются вместе в оловянных бронзах и латуни.

Если говорить об эвтектике этих двух элементов, то важно заметить, что до температуры 800°С они не смешиваются между собой и представляют две разные жидкости. При быстром охлаждении происходит равномерное распределение Pb в виде округлых включений по границам зерен. Сплав цинк-свинец используется для изготовления типографского клише благодаря тому, что он очень быстро растворяется в кислоте. Чаще всего примеси свинца удаляют из цинка при помощи дистилляционного способа.

Сплав меди с цинком

Латунь – это сплав, известный еще до нашей эры. В те времена цинк еще не был открыт, но руда использовалась достаточно широко. Раньше получали латунь, сплавляя смитсонит (цинковую руду) и медь. Только в XVIII веке впервые изготовили этот сплав с использованием металлического цинка.

В наше время существует несколько разновидностей латуни: однофазные и двухфазные. Первые содержат в себе около 35% цинка, а вторые – 50% и 4% свинца. Однофазные латуни очень пластичны, в то время как вторая разновидность характеризуется хрупкостью и твердостью. Рассмотрев диаграмму состояния этих двух элементов, можно сделать вывод, что они образуют ряд фаз электронного вида: β, γ, ε. Интересная разновидность латуни – это томпак. Он содержит всего до 10% цинка и за счет этого отличается очень высокой пластичностью. Томпак с успехом применяется для плакирования стали и получения биметаллов. Раньше его использовали для изготовления монет и имитации золота.

Цинк и сталь

Практически в каждом доме можно встретить оцинкованные вещи: ведра, кастрюли, выварки и пр. Все они надежно защищены от ржавчины именно благодаря цинку. Образно выражаясь, конечно, на сталь наносится напыление этого металла, и по логике вещей речь не идет о сплаве. С другой стороны, зная, как происходит оцинкование, можно утверждать обратное. Дело в том, что цинк плавится при очень низкой температуре (около 400°С), а когда он в жидком состоянии попадает на поверхность стали, то диффундирует в неё.

Атомы обоих веществ очень крепко связываются между собой, образуя железоцинковый сплав. По этой причине можно смело сказать, что Zn не «уложен» на изделие, а «внедрен» в него. Это можно наблюдать в обычной бытовой ситуации. К примеру, на оцинкованном ведре появляется царапина. Начинает ли оно в этом месте ржаветь? Ответ однозначный – нет. Это происходит потому, что при попадании влаги начинают разрушаться соединения цинка, но при этом они образуют некую защиту для стали. Так, в большинстве случаев такие цинковые сплавы предназначены для защиты изделий от коррозии. Конечно, для этих целей можно использовать и другие вещества, такие как хром или никель, но стоимость этих изделий будет в разы больше.

Олово и цинк

Данный сплав не менее популярен, чем другие, уже рассмотренные нами ранее. В 1917-1918-х годах в Болгарии он широко использовался для изготовления специальных сосудов, которые держали теплую жидкость долгое время (аналоги современных термосов). В наше время сплав цинк-олово очень широко используется в радио- и электропромышленности. Это связано с тем, что состав с содержанием Zn 20% очень хорошо паяется, и полировка осадка сохраняется продолжительное время.

Конечно же, как антикоррозионное покрытие данный сплав также может быть использован. По своим характеристикам он очень похож на кадмиевое покрытие, но при этом менее дорогостоящий.

Свойства цинковых сплавов

Конечно же, все составы с этим металлом отличаются между собой его процентным содержанием. В целом цинковые сплавы имеют хорошие литейные и механические свойства. Первое и самое главное – коррозионная стойкость. Больше всего она проявляется в атмосфере сухого чистого воздуха. Возможные проявления коррозии можно заметить в промышленных городах. Это обуславливается наличием в воздухе паров соляной кислоты, хлора и оксидов серы, которые, конденсируясь влагой, затрудняют образование защитной пленки. Медь-олово-цинк – сплав, который характеризуется высокими защитными свойствами. Именно такой состав наименее подвержен коррозии, особенно в условиях промышленной атмосферы. Если говорить о литейных свойствах цинка, то, конечно же, они зависят от легирующих элементов в его сплавах.

Так, например, алюминий делает их структуру однородной, мелкозернистой, облагораживает её, уменьшает отрицательное влияние железа. Еще один важный легирующий элемент – медь. Он увеличивает прочностные характеристики и уменьшает межкристаллическую коррозию. Медно-цинковый сплав обладает высокой ударной вязкостью, но при этом частично теряет свои литейные свойства.

Области применения цинка и его сплавов

На самом деле, детали из цинковых сплавов достаточно распространены и в наше время. Несмотря на то что пластик вытесняет металлические изделия, в некоторых случаях без них не обойтись. Например, автомобилестроение – отрасль, в которой не обойтись без цинковых сплавов. Фильтры, отстойники, корпуса карбюраторов и бензонасосов, надколесные кожухи, глушители – всё это и многое другое изготавливается при помощи соединений этого химического элемента.

Благодаря тому что цинковые сплавы имеют хорошие литейные свойства, из них отливают сложные детали различных форм с минимальной толщиной стенок. Строительство – еще одна область, в которой не обойтись без этих сплавов. Цинковый прокат используют для кровельных покрытий, изготовления труб и сточных желобов. Несмотря на то что существует тенденция снижения производства цинковых сплавов, отказаться от их изготовления не представляется возможным из-за относительной дешевизны и механических свойств материала.