锌合金:性能、生产、加工与应用
锌是继铁、铝和铜之后世界上使用最广泛的第四大金属。2018年全球精炼锌金属产量约为1320万吨，这一产量水平在过去十年中基本保持不变。中国是世界上最大的锌生产国，占全球产量的近40%，而澳大利亚拥有世界上最大的锌储量。
锌是16th最丰富的金属和23理查德·道金斯它们分别是地壳中最丰富的元素。尽管全球铜的产量远远超过锌，但铜的储量比铜还要丰富。全球锌产量主要来自其矿石硫化锌，俗称闪锌矿。
几乎一半的锌生产用于镀锌;在铁或钢表面涂上一层薄锌以防止腐蚀的过程。这个过程可以大大提高钢铁的可回收性。除了用于镀锌外，锌还大量用于制造合金，最常见的是黄铜．黄铜是一种合金铜和锌，少量的铅和锡。
在这篇文章中，你将了解到:
- 锌合金的性能
- 锌合金的生产加工
- 锌合金的应用
- 锌合金的等级和标准
锌合金的性能
除了锌，锌合金通常还含有铝、铜、镁和铁。
铝在锌中有相当的溶解度，铸造过程中常加入铝以增加流动性，降低熔化温度。铝还可以改善一些机械性能，如伸长．
铜是锌合金中的另一种常见成分。铜锌合金，又称黄铜,有增强的性能，如抗拉强度，硬度，耐磨性和蠕变。
相对少量的镁是一种重要的锌合金金属，因为它可以改善晶粒结构，防止通常由杂质引起的晶间腐蚀。
表1。锌合金的性能
密度(g / cm³) |
6.3 |
6.3 |
6 |
6 |
6 |
5 |
5 |
6 |
弹性模量(GPa) |
86 |
85 |
83 |
83 |
83 |
78 |
78 |
83 |
抗拉强度(MPa) |
370 |
210 |
400 |
290 |
260 |
430 |
400 |
260 |
延伸率(%) |
8 |
1.3 |
5.3 |
1.9 |
1．6 |
2 |
3.6 |
1．6 |
导热系数(W/(m·K)) |
120 |
120 |
120 |
120 |
120 |
130 |
130 |
120 |
熔点(°C) |
380 |
380 |
380 |
380 |
380 |
380 |
380 |
380 |
热膨胀系数(K－1） |
2.3 105 |
2.3 105 |
2.4 105 |
2.4 105 |
2.4 105 |
2.6 105 |
2.6 105 |
2.4 105 |
屈服强度(MPa) |
290 |
210 |
320 |
270 |
210 |
370 |
260 |
210 |
导电性(S/m) |
1.624 * 108 |
1.624 * 108 |
1.624 * 108 |
1.624 * 108 |
1.624 108 |
1.74 108 |
1.74 108 |
1.624 108 |
锌合金的生产加工
从历史上看，锌是在发现硫化物矿石之前从氧化锌矿石中生产出来的，而硫化物矿石在自然界中要丰富得多。最常见的锌矿石是硫化锌，也称为锌矿。
生产锌的主要方法有两种:热法冶金法和湿法冶金法。
到1916年，湿法冶金法取代了火法冶金法，成为[1]锌的主要生产工艺。
Pyro-metallurgical过程
这一过程包括对浓缩形式的锌矿进行“焙烧”，其浓缩是通过泡沫浮选过程实现的。这种浓缩矿石被细磨并悬浮在气流中，具有将矿石转化为高活性氧化锌ZnO和降低硫含量[3]的双重目的。发生的反应如下:
2ZnS + 3O2→2ZnO + 2SO2
由此产生的氧化锌被进一步研磨并与焦炭(一种高碳含量的燃料)混合，然后加热到1400度oC.焦炭作为还原剂，氧化锌经以下反应还原为金属锌;
2ZnO + C→2Zn + CO2
用这种方法得到的锌是气态的，因为它的沸点低于1400oC.因此，它必须被浓缩以产生固体锌。锌气态的优点是很容易从镉、铅和铁等杂质中分离出来，这些杂质的沸点较高，可以留下来。
湿法冶金的过程
粗氧化锌，这是通过浮选和随后的氧化得到的，溶解在稀硫酸H2所以4，生成硫酸锌溶液ZnSO4．
氧化锌+ H2所以4→ZnSO4+ H2O
ZnSO4然后使用(Pb-1%Ag)阳极和铝阴极电解。氧气在阳极被释放，而锌沉积在阴极上。锌金属(纯度为99.995%)可以从阴极中去除，并通过锌压铸等方法进行加工。全球约80%的锌产量是通过这种湿法冶金工艺生产的。
锌合金是由纯锌与其他金属按一定比例混合而成。这为金属提供了适合下面描述的一系列应用的性能。锌合金零件是通过铸造方法生产的，根据合金元素的混合，可以通过热室压铸，冷室压铸，重力和砂铸造。这些工艺通常包括在高压下将熔化的金属混合物注入永久模具，然后将模具冷却以直接生产金属部件或用于二次使用的铸锭。锌合金的后处理通常仅限于表面处理，由于裂纹形成的可能性[5]，通常不进行冷加工和热处理等技术。
锌合金的应用
锌合金(与其他金属如铜和钛一起)用于建筑及建筑应用如雨水系统，覆层，配件和屋顶。锌合金也有应用牺牲组件如熔断器、剪切螺栓/销、腐蚀防护中的牺牲阳极等。锌合金也用于电磁屏蔽保护设备免受电磁干扰。
黄铜具有强度、延展性、耐磨性和耐腐蚀性、电导率和导热性、硬度和可加工性等机械性能的优良组合，这使得它适用于广泛的应用。这些可以大致分为两类;装饰性和机械性。这些应用包括家用配件、珠宝首饰、发动机部件、泵、阀门、紧固件和时钟部件。
其他锌合金用于某些类型的机器轴承，压铸和冲压模具。锌还用于医疗设备、橡胶制品、油漆颜料和陶瓷。关于锌本身的一个有趣的事实是，它是人体内仅次于铁的第二丰富的微量金属。
下文介绍了一些商业上可用的锌合金的应用。
表2。锌合金的典型应用。
合金设计 |
合金成分% |
合金的应用 |
合金3 |
锌- 4 - al - 0.04毫克 |
适用于通过热室压力压铸制造复杂形状 |
合金5 |
锌- 4 - al - 0.04 - mg - 1铜 |
|
咱8 |
锌- 8 al - 1 -铜- 0.02毫克 |
最适合重力铸造和电镀 |
咱12 |
锌- 11 - al - 1 -铜- 0.02毫克 |
适用于砂型或重力铸造 |
咱27 |
锌- 27 - al - 2 -铜- 0.015毫克 |
适用于压力压铸和挤压 |
Zn-Cu-Ti |
锌- 1 -铜- 0.1 - ti |
强度高，抗蠕变 |
锌合金的等级和标准
锌合金有许多等级，目前使用的有25种以上。其中许多都有专有的或众所周知的名称。
最著名的锌合金是黄铜它由铜和锌组成。目前有超过600个EN黄铜标准。黄铜的主要类型是根据其晶体结构来区分的，这取决于铜与锌的比例，并分为α黄铜，β黄铜，α - β黄铜，γ黄铜和白黄铜。
扎马克合金是一种常见的锌合金家族，由铝、镁和铜组成。它们的独特之处在于它们含有4%的固定量的铝。
Tombak是一种黄铜合金，锌含量低(低于28%)，铜含量高(高于78%)。
锌合金由锌、铝和银组成。它们密度低，耐腐蚀，具有良好的机械性能。银赋予合金超塑性，使其变形而不显着损失其机械性能。
以下是一些相关的锌合金及其组成。测量是根据ASTM B86标准。微量的其他金属如镉、锡、铬、硅、镍和铅没有显示。
表3。部分锌基合金[6]的化学成分。
合金 |
铝(%) |
铜(%) |
镁(%) |
铁(%) |
锌(%) |
扎马克2号(AC43A) |
3.7 - 4.3 |
2.6 - 3.3 |
0.02 - 0.06 |
< 0.05 |
其他(大约) |
扎马克3 (AC40A) |
3.7 - 4.3 |
< 0.1 |
0.02 - 0.06 |
< 0.05 |
其他(大约) |
扎马克5号(AC41A) |
3.7 - 4.3 |
0.7 - -1.2 |
0.02 - 0.06 |
< 0.05 |
其他(大约) |
查马克7 |
3.7 - 4.3 |
< 0.1 |
0.005 - 0.02 |
< 0.05 |
其他(大约) |
ZA-8 |
8.0 - 8.8 |
0.8 - 1.3 |
0.01 - 0.03 |
< 0.075 |
其他(大约) |
ZA-12 |
10.5 - 11.5 |
0.5 - 1.2 |
0.01 - 0.03 |
< 0.075 |
其他(大约) |
ZA-27 |
25 - 28 |
2 - 2.5 |
0.01- - - - - -0.02 |
< 0.075 |
其他(大约) |
ACuZinc 5 |
2.5 - 3.3 |
5.0 - 6.0 |
0.02 - 0.05 |
< 0.075 |
其他(大约) |
ACuZinc 10 |
2.5 - 3.3 |
10 - 11 |
0.02 - 0.05 |
< 0.075 |
其他(大约) |
ALZEN 305 |
30. |
5 |
0.01 - 0.02 |
- |
其他(大约) |
ALZEN 501 |
50 |
1 |
0.01 - 0.02 |
- |
其他(大约) |
齐柏林飞艇® |
14 - 16 |
0.8 - 1.2 |
0.025 - 0.035 |
< 0.03 |
其他(大约) |
来源
[1]“金属:市场与机遇”，毕马威和印度品牌资产基金会，2008年。(在线)。可用:https://www.ibef.org/download/Metals_210708.pdf[2020年5月1日访问]
[2] M. Garside，《锌-统计与事实》statista2020年1月17日，[在线]。可用:https://www.statista.com/topics/2306/zinc/[2020年5月1日访问]．
[3]“锌的萃取:冶金的应用”，BYJU 'S，[在线]。可用:https://byjus.com/chemistry/zinc-extraction-metallurgy/[2020年5月1日访问]．
[4] P.A.Tasker, P.G.Plieger和l.c.w west，“湿法冶金和萃取的金属配合物”，在综合配位化学II, J. A. McCleverty和T:J。迈耶,埃德。爱思唯尔，2003，页。759 - 808．
［5］Gross, Douglas K. <锌合金:规格和加工>。SAE的事务， vol. 96, 1987, pp. 1039-1046。JSTOR, www.jstor.org/stable/44472868。[2020年5月7日访问]。
[6] A. Pola 1, M. Tocci和F. E. Goodwin，“回顾锌合金的微观结构和性能，”金属， vol. 10, 253, 2020。