Застосування цинку і його сплавів
Цинк - наймолодший з важких кольорових металів, і якщо на початку XIX ст. його виробництво не перевищувало 900 т в рік, то в даний час виробництво цинку тільки в зарубіжних країнах становить близько 6 млн. т на рік.
Цинк займає особливе місце серед металів, що використовуються в промисловості. Як конструкційний матеріал нелегований цинк не знайшов широкого застосування, так як має недостатньо сприятливим комплексом механічних, фізичних і технологічних властивостей. Однак додаткове легування цинку різними елементами істотно підвищує вищевказані властивості і характеристики. Тому значна частина цинку (до 20%) йде на приготування цинкових сплавів, в яких основними легуючими компонентами є алюміній і мідь; широко використовується цинк і для виробництва мідних сплавів (латуні).
Залежно від марки цинк використовують для цинкування сталі, отримання цинкових сплавів, виготовлення цинкових напівфабрикатів, а також для отримання цинкових сполук.
Приблизно 30% цинкового прокату становлять цинкові листи загального призначення, які поділяються за товщиною на чотири групи: 0,15-0,4 мм; 0,5-0,9 мм; 1,0-1,2 мм; 1,5 мм і більше. Цинкові листи використовують при виготовленні хімічних джерел струму, оцинкованого посуду і ін. З цинкових листів виготовляють друковані форми до ротаційним машинам в поліграфічній промисловості. Цинкові аноди застосовують для оцинкування деталей гальванічним способом. Велика кількість цинкових листів витрачається в будівництві на покрівельні покриття, на виготовлення труб, стічних жолобів.
Найбільш широке поширення цинк отримав в якості покриття для запобігання корозії заліза і сплавів на його основі (сталей). Для цієї мети витрачається до 50% одержуваного промисловістю цинку. Цинкування - нанесення цинку або його сплавів на поверхню металевого виробу - застосовується для захисту від корозії сталевих листів, дроту, стрічки, кріпильних деталей, деталей машин і приладів, арматури і трубопроводів.
Спочатку цинкове покриття отримували методом занурення деталі в розплавлений цинк, так званих гарячих методом, який для великогабаритних виробів, наприклад трубопроводів, що не втратив свого значення і в даний час. Для отримання тонких цинкових покриттів найчастіше застосовують електролітичне цинкування деталей. Обидва розглянутих методи здійсненні тільки в цехових умовах. Для поліпшення захисних властивостей цинкових покриттів і продовження терміну їх служби поверхню покриттів додатково пасивують (фосфатують, хроматуючі), промаслюється або фарбують. На підставі високих захисних властивостей цинкових покриттів були пророблені роботи, спрямовані на створення способів їх нанесення не в цехових умовах, а на об'єкті без демонтажу виробів. Були створені газотермічні і інші способи напилення. Але хоча їх застосування дозволило різко поліпшити властивості покриттів, проблема спрощення нанесення покриттів залишалася не до кінця дозволеної в умовах експлуатації металоконструкцій і виробів. У зв'язку з цим представляло інтерес створення способів нанесення цинкових покриттів, по своїй простоті і доступності що не відрізняються від способів нанесення лакофарбових матеріалів.
Цинкові покриття набули широкого застосування для різних металоконструкцій і виробів, що експлуатуються при коррозионном впливі природних середовищ - атмосфери, морської, річкової, озерної, пластової, підтоварної води, грунту, а також нейтральних і слабколужних водних розчинів. Залежно від властивостей корозійного середовища і складу металевих покриттів або здійснюється захист від корозії шляхом ізоляції поверхні, або проявляється протекторну дію покриттів при їх порушенні. Цинкнаповнені покриття дозволили поширити дію цинку для великогабаритних конструкцій, наприклад стаціонарних морських споруд, танків і цистерн судів, плавучих і стаціонарних морських платформ, будівельних споруд, протяжних трубопроводів і комунікацій і багатьох інших металоконструкцій і виробів.
Однією з основних галузей, які споживають оцинкований лист, є будівельна індустрія: на потреби будівництва витрачається до 65% всього оцинкованого металу. Значним споживачем оцинкованої сталі є автомобільна промисловість. Перевага застосування оцинкованих листів в автомобільній та інших галузях промисловості в тому, що створюються сприятливі умови для комплексного захисту стали від корозії при накладенні на металеве покриття шару фарби. Цинкове покриття-ідеальна основа під фарбування, так як утворюється в місцях пір основний карбонат цинку за обсягом мало відрізняється від цинку і тому не викликає руйнування шару фарби.
На автомобільних заводах з оцинкованих смуг і листів виготовляють днища, бензобаки, кришки багажників, надколісні кожухи, двері, глушники та ін.
Споживання оцинкованих листів на душу населення склало в 1960 р в США 15,6 кг, в Японії 7,7 кг, в Англії 4,0 кг, по Франції 3,2 кг, в ФРН 2,3 кг. До 1985 р споживання продукції цього виду має зрости більш ніж в 3 рази.
Широке застосування знаходить цинк у вигляді різноманітних сполук. Деякі сполуки цинку служать фарбами, наприклад окис цинку (цинкові білила), литопон (суміш сульфату барію і сульфіду цинку). Фарба, приготована з сульфіду цинку, виявилася найкращою для покриття космічних кораблів, так як вона має найкращі відбивними властивостями. Дуже важливою властивістю володіє сульфід цинку, що спалахує під дією а-, в- і у-променів, що дозволяє використовувати його для виявлення всіх типів радіації. Сульфід цинку, легований міддю і сріблом, має люмінесцентними властивостями і в суміші з сульфідом кадмію широко застосовується для виготовлення телевізійних трубок і екранів.
Сульфат і хлорид цинку застосовують в медицині як антисептичних засобів. Безводний хлорид цинку часто використовують як дегидратирующее засіб при проведенні різноманітних реакцій конденсації в органічній хімії; його широко використовують у виробництві органічних барвників, ситцедрукуванні, для просочення деревини. Подвійну сіль - аммонійцінкхлорід (NH4) 2 ZnCl2-використовують для паяльних цілей. Окис цинку широко використовують при виробництві гуми. Вона покращує якість гумових шин та ряду інших гумових виробів.
У США в останні роки цинк знаходить широке застосування в якості покриття стартових конструкцій для запуску ракет. Величезна кількість тепла, що виділяється при згорянні палива в ракеті, частково поглинається при випаровуванні цинкового покриття, ніж вживають запобіжних засобів від руйнування металеві частини стартових конструкцій. Цинк вживають в так званих стабілізуючих пристроях, які коригують відхилення супутників при русі в космосі. Цинкові сполуки широко використовують в якості джерел енергії в космічних кораблях (цинк-срібні оксидні батареї).
Останнім часом цинк отримав заслужене визнання як основа протекторного матеріалу, використовуваного в системах електрохімічного захисту корпусних конструкцій суден, нафтових резервуарів, суднових систем, апаратів і інших металоконструкцій.
Основне призначення цинку - отримання цинкових сплавів, цинкові сплави в ливарному виробництві широко використовуються для виготовлення відливок методом лиття під тиском.
Цинкові сплави плавлять в полум'яних і електричних тигельних печах і індукційних печах промислової частоти із залізним сердечником. Шихту готують зі свіжих металів, переплавки відходів (до 60-70%) відомого хімічного складу і лігатур (алюміній - мідь, алюміній - магній і мідь - алюміній).
Плавка цинкових сплавів проводиться в такій послідовності: в розігріту до 400 ° С піч завантажують переплав відходів, лігатури, цинк і засипають добре прожарений деревне вугілля. Після розплавлення ретельно перемішують метал і при необхідності завантажують решту цинку. Температура під час плавки не повинна перевищувати 480 ° С. Після повного розплавлення метал знову перемішують і розливають у виливниці при температурі 400-460 ° С.
Поряд з відомими областями і масштабами використання нелегованого цинку сплави на основі цинку також знаходять широке застосування в різних галузях народного господарства в якості як конструкційний матеріал, так і неконструкціонного.
Як конструкційний матеріал цинкові сплави головним чином застосовуються: в приладобудуванні, в поліграфічній промисловості, в авіаційній промисловості, в автомобільній промисловості, в суднобудуванні, для виготовлення предметів домашнього вжитку.
Як неконструкціонного матеріалу цинкові сплави застосовуються: для лиття анодів-протекторів, для виготовлення припоїв у виробництві підшипників і гальванічних елементів, як покриття сталевих листів.
Вироби, отримані різними способами лиття і деформації, широко застосовуються в приладобудуванні, суднобудуванні, авіаційній, автомобільній та інших галузях промисловості. Успішне використання цинкових сплавів для конструкційних і неконструкціонних цілей обумовлено їх фізико-хімічними, технологічними і експлуатаційними властивостями. Так, низька температура плавлення і високі ливарні властивості цинкових сплавів дозволяють при литті під тиском і в кокіль отримувати виливки високої міцності з поверхнею хорошої якості, практично не вимагає додаткової обробки. Завдяки зазначеним властивостям частка виливків з цинкових сплавів в загальному обсязі виливків, одержуваних литтям під тиском, досить висока. Наприклад, в автомобілебудуванні ливарні цинкові сплави застосовують для виливків корпусів карбюраторів, насосів, рам спідометрів, решіток радіаторів, різних декоративних деталей і т.п.
Цинкові сплави також використовують для відливання деталей пральних машин, пилососів, обладнання для кухні, конторських машин, корпусів електричного годинника, друкарських машин, касових апаратів, змішувачів для приготування напоїв і т.п. Для захисту від корозії на поверхню цинкових виливків наносять захисні покриття (фарби, емалі, пластмаси). Хорошим захисним ефектом володіють електролітичні покриття міддю, нікелем і хромом. Напівфабрикати з деформованих цинкових сплавів досить легко піддаються пресуванню, прокатці і штампуванні.
Цинкові поліровані листи використовують в поліграфічній промисловості для виготовлення друкованих форм (кліше) шляхом одноразового травлення.
У роботі відзначається, що використання цинк-алюмінієвих сплавів у виробництві більш вигідно економічно, ніж алюмінієвих сплавів і латуней. Зазначені сплави, маючи високу твердість, знайшли широке застосування для виготовлення деталей, що працюють в умовах абразивного зносу. У зв'язку з тим що сплави не дають іскріння, їх можна використовувати в вогненебезпечних виробництвах (шківи, зірочки в шахтних підйомниках і т.п.). Крім того, сплави можна застосовувати на виробництвах, де є пари бензину, тобто з підвищеною пожежонебезпекою. Ці сплави можуть працювати також в підшипниках, замінюючи латунь і бронзу.
В роботі наводяться дані про використання цинкових сплавів для отримання високоточних деталей стабільної якості з тонким рельєфом. При переході на виготовлення з цинкового лиття вентильних деталей газового пальника, які раніше виточувалися з латуні, відбулося зниження вартості виробів в 6 разів. Тут же зазначається, що застосування цинкових виливків для виробів радіопромисловості замість пластмасових деталей забезпечує кращу якість різьблення, підвищує міцність і твердість виробів, а також дає можливість заземлити вироби в радіоапаратурі.
Цинкові сплави успішно замінюють сплави з ливарного і ковкого чавуну, бронзи і деяких алюмінієвих сплавів.
Особливе місце займають цинкові протекторні сплави. В даний час вони є незамінними для цілого ряду складних і дорогих конструкцій практично в усі розвинених країнах. Завдяки своїм відмінним властивостям, яких не мають інші протекторні матеріали (сплави на основі магнію, алюмінію, марганцю), цинкові протекторні сплави застосовуються в якості протекторів для захисту від корозії в морській, подтоварной, пластової та інших природних середовищах внутрішньої поверхні вибухо-пожежонебезпечних приміщень - танкерів і цистерн нафтоналивних суден, паливно-баластових цистерн судів всіх призначень, нафто-резервуарів, суднових трубопроводів і систем, магістральних підземних нафтових і газових трубопроводів, про граніченних обсягів і порожнин, різних граматичних обсягів, де не допускається накопичення водню, і інших конструкцій.
При різноманітті умов експлуатації протекторів електрохімічні характеристики цинкових сплавів визначаються величиною анодної щільності струму (рис.41), причому в переважній більшості випадків робочі режими становлять 1-4 А / м 2 (заштриховані області на рис. 41), при яких сплави мають високі і стабільні значення потенціалу і токоотдачи.
Незалежно від закономірностей зміни властивостей цинкових сплавів (див. Рис. 41) для практичного їх застосування потрібні конструкції протекторів з заданим терміном служби і необхідної зоною захисної дії. Цих даних достатньо для проектування і здійснення протекторного захисту. Питання ці мають самостійне значення і досить добре освітлені в літературі. Тому становлять інтерес тільки дані, необхідні для грамотного застосування протекторів з цинкових сплавів.
Незважаючи на наявну тенденцію до зниження випуску виливків з цинкових сплавів, в подальшому прогнозується зростання їх випуску внаслідок переваг цих сплавів при отриманні особливо тонкостінних виливків і можливості нанесення хороших гальванічних покриттів.