Цинк, его особенности и области применения

  Цинк (Zn) – белый металл с синеватым оттенком, хрупкий, но при нагревании до 100 – 150 °С приобретает пластичность, легко прокатывается в листы.

  Плотность7,14 г/см³, температура плавления 419°С, твердость по Бринеллю 35 (по Моосу 3). На воздухе в нормальных и влажных условиях покрывается плотным слоем оксида матово-серого цвета, который предохраняет его от дальнейшего разрушения. При нагревании на воздухе окисляется, превращаясь в белый порошок оксида. Цинк быстро разрушается концентрированными и разбавленными кислотами, а также щелочами. Вода почти не действует на цинк. Это объясняется тем, образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка.

 Наиболее распространенный минерал цинка - сфалерит, или обманка ZnS. Разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы этого элемента: смитсонит ZnСОз, цинкит ZnO, ламин 2ZnОSiO₂ Н₂О. Чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5 % в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд.

 Руды, содержащие цинк, имеют сложный химический и минераллогический состав. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат до 65 % Zn, до 2 % Сu, до 2 % РЬ, до 12 % Fе. Цинк получают пирометаллургический и гидрометаллургическим способами.

 Цинк выпускается марок ЦВОО, ЦВ1, ЦВ, ЦОА, ЦО, Ц1, Ц2 и ЦЗ и др., где содержание примесей соответственно от 0,003 до 2,5 %. На свойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99 % чистоты цинк хорошо растворяется в кислотах. Цинк 99,999 % чистоты нерастворим в кислотах даже при сильном нагревании. Цинк такой чистоты отличается большой пластичностью, его можно вытягивать в тонкие нити. Обычный цинк можно прокатать в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150 °С.                                                                                                      

Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. В современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из цинка. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии. К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка, поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для «выравнивания» структуры применяют отжиг при 375 °С, медленное охлаждение с температур отжига и последующую горячую прокатку. Лимитируют в таком металле количество примесей, особенно свинца. Цинк используется для нанесения покрытий на сталь с целью защиты от коррозии, в лакокрасочной и резиновой промыш­ленности (окись Zn). 40 % мирового производства цинка идет на изготовление надежных цинковых покрытий. Главный потребитель цинка - автомобильная и сталеплавильная промышленность.

 Еще более важно применение некоторых соединений цинка, прежде всего его сульфида, для покрытия светящихся экранов телевизоров, осциллографов, рентгеновских аппаратов. Под действием коротковолнового излучения или электронного луча сернистый цинк приобретает способность светиться, причем эта способность сохраняется и после того, как прекратилось облучение.

 Цинк является одним из компонентов некоторых золотых сплавов, а также непременным компонентом золотых и ряда серебряных припоев, применяемых в ювелирном производстве.

  Сплавы основе цинка. В зависимости от назначения цинковые сплавы используют как антифрикционные (подшипниковые) и как литейные. Все они относятся к тройной системе Zn-А1-Си. Основными легирующими элементами в цинковых сплавах являются А1, Сu и Mg. Литейные сплавы цинка в основном используют для мелких фасонных отливок, получаемых литьем под давлением.

Хорошие литейные свойства и низкие температуры плавления позволяют отливать из таких сплавов сложные тонкостенные детали. Даже резьбу под болты и гайки можно получать непосредственно при отливке сплавов на основе цинка.

 В общем объеме потребления цинковых литейных сплавов больше 90 % составляют сплавы ЦА4М1, ЦА4М10 и ЦА4. Значительное количество сплава ЦА4М1 расходуется на замочно-скобяные изделия и фурнитуру. Применение сплавов обусловлено их хорошими литейными и эксплуатационными свойствами. Детали из цинковых сплавов в основном небольших габаритных размеров, но отличаются сложностью, например корпус карбюратора двигателя.

 Литейный сплав ЦА4МЗ содержит 4 % А1, 3 % Си и 0,05 % Мg. Этот сплав применяется для литья под давлением в автомобилестроении, для отливки деталей бытовой техники и в других отраслях промышленности.

 При небольших нагрузках антифрикционные сплавы на цинковой основе заметно уступают баббитам и бронзам, но в подшипниках большегрузных автомобилей и железнодорожных вагонов, угледробилок и землечерпалок они стали вытеснять традиционные сплавы. Это объясняется тем, что антифрикционные цинковые сплавы выдерживают большие нагрузки при больших скоростях в условиях, когда баббиты начинают выкрашиваться. Антифрикционный сплав ЦАМ10-5 содержит 10 % А1, 5 % Си и 0,04 % Mg. Структура этого сплава состоит из трёх составляющих: небольшого количества светлых первичных дендритов алюминиевого а -раствора, двойной и тройной эвтектик. Добавка Мg (0,05 %) самостоятельных фаз не образует. Пониженный коэффициент трения обеспечивает твёрдые включения Ɛ-фазы, входящие в эвтектику, а прирабатываемость подшипника к шейке вала - мягкие первичные а -кристаллы. Фаза Ɛ - соединение электронного типа, отвечающее формуле СuZn₃. В деформированном виде сплав ЦАМ9,5-1,5 используют для получения биметаллических полос со сталью и алюминиевыми сплавами методом прокатки и последующей штамповки вкладыша. Вследствие высоких антифрикционных свойств и достаточной прочности (о, =250-400 МПа) при температуре 120 °С эти сплавы могут заменять бронзы для узлов трения, температура которых не превышает 100 °С. При более высоких температурах сплавы размягчаются и налипают на вал.

 Сплав ЦАМ30-5 создан для замены оловянных бронз в производстве тяжелонагруженных втулок в автотракторной промышленности. Освоение и внедрение этого сплава исключает применение остродефицитного Sn и значительно сокращает применение Сu.