Zincul si aliajele pe baza de zinc

ZINCUL SI ALIAJELE PE BAZA DE ZINC

ZINCUL ELEMENTAR

Zincul este unul din metalele industriale importante, fiind utilizat in industria chimica, industria poligrafica, in galvanotehnie si in alte domenii ale tehnicii, atat sub forma metalica, cat si sub forma de aliaje.

Zincul se caracterizeaza printr-o plasticitate buna la cald, proprietati mecanice medii si o rezistenta ridicata la coroziune. Face parte din grupa a doua a sistemului lui Mendeleev, cu numarul de ordine 30 si cu o greutate atomica de 65 . Are 12 izotopi a caror masa atomica variaza intre 62 si 73, unii din ei fiind radioactivi. Cristalizeaza in sistemul hexagonal compact si nu prezinta transformari alotropice.

Cele mai importante proprietati fizico-mecanice ale zincului sunt date in tabelul2.8.

Tabelul 2.8

Proprietatile fizico-mecanice ale zincului

Proprietati chimice. Zincul se dizolva bine in acizi si alcalii, iar incalzit la rosu descompune energic vaporii de apa. Oxizii unor metale (Cd, Pb, Cu, Ni) sunt redusi de zinc.

Pana la temperaturi de 600 C dizolva hidrogenul, atat in stare solida, cat si dupa trecerea in stare lichida.

Zincul in atmosfera uscata nu se oxideaza, pastrandu-si suprafata stralucitoare mult timp; numai la temperaturi peste 150C incepe sa se formeze in mod vizibil oxidul de zinc. In oxigen perfect uscat oxidarea metalului are loc foarte lent, chiar la 400C, insa, trecut in stare lichida se oxideaza repede si se acopera la suprafata cu o crusta de culoare cenusie. Pelicula de la suprafata baii metalice este formata dintr-un amestec de oxid de zinc cu particule de zinc metalic (explicandu-se in acest mod culoarea sa cenusie). S-a emis, de asemenea, ipoteza ca aceasta crusta ar fi un suboxid de zinc, ZnO, dar nu exista dovezi convingatoare in acest sens.

Prezenta unor fondanti, a SO, a vaporilor de HCl sau de acizi organici, in atmosfera agregatului de elaborare accelereaza aparitia peliculei, iar amoniacul si bioxidul de carbon au o actiune inversa.

Influenta elementelor insotitoare asupra zincului

Cele mai frecvente elemente in zincul industrial sunt: staniul, plumbul, fierul, cadmiul, magneziul, cuprul, arseniul, stibiul etc.

Staniul formeaza cu zincul un eutectic usor fuzibil, care se separa la limitele grauntilor si provoaca aparitia fisurilor la prelucrarea plastica la cald a metalului. De aceea, zincul destinat pentru laminare nu trebuie sa contina mai mult de 0,002 % Sn.

Plumbul are o influenta redusa asupra caracteristicilor mecanice, dar mareste solubilitatea metalului in acizi. De aceea, in aliajele de zinc destinate industriei poligrafice se introduce plumb, pana la 1 %, pentru a usura dizolvarea in acizi, la obtinerea cliseelor zincografice.

Fierul mareste duritatea, dar scade puternic plasticitatea. Zincul care contine numai miimi de procente de fier recristalizeaza la temperatura camerei, in cazul in care continutul de fier ajunge la 0,01 %, recristalizarea se produce la temperaturi mai mari de 100C. Acest element provocand intarzierea recristalizarii, contribuie la obtinerea unor table ecruisate. La un continut de 0,2 % Fe, metalul devine atat de fragil, incat prelucrarea sa prin deformare plastica este aproape imposibila.

Cadmiul, desi formeaza cu zincul un eutectic usor fuzibil, la 266C, influenteaza in mica masura proprietatile de plasticitate, intrucat solubilitatea sa in zinc, in stare solida, este de 2 %.

Magneziul produce durificarea si fragilitatea zincului, datorita formarii de faze intermetalice dure.

Prezenta simultana in zinc a elementelor Pb, Sn si Cd provoaca o reducere brusca a rezistentei la coroziune.

Cea mai mare cantitate de zinc este folosita la obtinerea alamelor. De asemenea este utilizat in diferite domenii ale tehnici, in special in industria constructoare de masini, galvanotehnie, metalurgia aurului si plumbului.

In afara folosirii in stare metalica, zincul este intrebuintat adesea in industria vopselelor, a cauciucului, in ceramica si in industria matasii artificiale, sub forma de oxid si saruri ale diferitilor acizi. In ultimul timp, clorura de zinc (ZnCl) a capatat o mare intrebuintare la rafinarea aliajelor metalelor neferoase.

ALIAJE DE ZINC

Aliajele pe baza de zinc, se pot clasifica dupa destinatie, in urmatoarele categorii: - aliaje de turnatorie ( in special pentru turnare sub presiune);

- aliaje deformabile;

- aliaje de antifrictiune;

- aliaje tipografice;

- aliaje de lipit.

In functie de sistemele binare si ternare, care stau la baza, aliajele de zinc se pot clasifica in urmatoarele grupe:

- aliaje cu baza de zinc cu aluminiu;

- aliaje cu baza de zinc cu cupru;

- aliaje cu baza de zinc cu aluminiu si cupru;

- aliaje cu baza de zinc cu aluminiu si magneziu;

- aliaje cu baza de zinc cu mangan;

- aliaje cu baza de zinc cu litiu;

- aliaje cu baza de zinc cu cadmiu.

ALIAJE DE ZINC DE TURNATORIE

Se folosesc, in special, pentru obtinerea prin turnarea sub presiune a unor piese mici, fasonate.

Aceste aliaje pot fi impartite conventional, in trei grupe: aliaje zinc-aluminiu, aliaje zinc-cupru si aliaje zinc-aluminiu-cupru.

Aliaje zinc-aluminiu. Din diagrama de echilibru termic a sistemului Zn-Al, prezentata in fig. 2.35, se constata ca zincul formeaza cu aluminiul un eutectic cu un continut de 5,1 % Al, avand temperatura de topire de 382 C. Solutia solida (Zn), bogata in zinc, dizolva mai mult aluminiu la temperaturi ridicate decat la temperaturi joase.

Fig.2.35. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul zinc-aluminiu.

Solubilitatea aluminiului in zinc la temperatura eutectica este de 1 % si se micsoreaza la 0,05 la temperatura mediului ambiant. Ca urmare domeniul solutiei solide se simbolizeaza si cu Zn, datorita concentratiei scazute a aluminiului in acesta.

Faza ZnAl se formeaza in urma reactiei peritectice:

L + (2.29)

Aceasta faza la temperatura de 275 C sufera o descompunere eutectoida:

ZnAl (2.30)

Solutia solida , bogata in aluminiu, cristalizeaza in sistemul cubic cu fete centrate.

Aluminiul imbunatateste proprietatile mecanice ale zincului, mai ales in cazul aliajelor presate. Un adaus de 4 % Al ridica rezistenta de rupere la tractiune de la 10 la 30 daN/mm si alungirea relativa de la 5 % la 30. De asemenea, acest element imbunatateste apreciabil fluiditatea zincului si deci capacitatea sa de turnare.

Aliajele de zinc-aluminiu, datorita tendintei de corodare, contin intotdeauna un adaos de circa 0 % Mg.

Nichelul prezent in aceste aliaje mareste stabilitatea lor la imbatranire.

Aliaje zinc-cupru. Conform diagramei de echilibru prezentata in figura 3.36, in aceste aliaje apar fazele si . In cazul in care continutul de cupru este sub 1,7 %, se separa solutia solida

Fig.3.36. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul zinc-cupru.

Dupa solidificare si la racirea ulterioara are loc precipitarea fazei , deoarece la scaderea temperaturii solubilitatea cuprului in zinc se micsoreaza. La temperatura de 423 C o parte din solutia solida se transforma peritectic in solutia solida . Punctul peritectic se gaseste la 2,6 % Cu. Aceasta transformare este insotita de micsorarea volumului. Astfel, aliajele pentru turnare cu 1,2 %, respectiv 3 % Cu, au prezentat, dupa o depozitare de 400 ore la 95 C, contractii liniare de 0,004 % si respectiv 0,02 %. Ca urmare, cuprul actioneaza asupra procesului de imbatranire si de modificare a dimensiunilor piesei turnate, mai ales daca continutul sau este mai mare de 0,60,8 %Cu. Fenomenul se explica prin transformarile pe care le suporta fazele si

Aliajele Zn-Al-Cu (cunoscute sub denumirea de zamak) sunt cele mai raspandite aliaje pentru turnarea sub presiune, avand proprietati mecanice bune si proprietati tehnologice de turnare foarte bune. Aceste materiale metalice prezinta avantaje foarte importante fata de alte aliaje utilizate in acest scop. Astfel, in comparatie cu aliajele pe baza de aluminiu, ele au proprietati de turnare si mecanice superioare si nu se lipesc de forma metalica, iar fata de cele pe baza de cupru sunt mai ieftine, iar formele metalice utilizate la turnare au o durabilitate mult mai ridicata.

In acelasi timp elaborarea zamakurilor se realizeaza cu consumuri energetice mult mai mici decat a celor pe baza de aluminiu si cupru.

In cazul in care piesele nu trebuie sa indeplineasca conditii speciale, in ceea ce priveste greutatea specifica si functionarea la temperaturi ridicate, aliajele de zinc pot sa fie utilizate pentru producerea celor mai importante organe de masini.

Compozitiile precum si proprietatile aliajelor de zinc pentru turnatorii sunt reglementate prin STAS 6025. Este de mentionat faptul ca norma amintita cuprinde doar doua marci de aliaje, fiecare cu 4 % Al. Au fost cercetate si stabilite noi compozitii pentru turnare, cu 9, 12 respectiv 27 % Al.

Totusi, aceste aliaje pentru a corespunde cerintelor este necesar sa nu contina o cantitate de impuritati daunatoare: Pb, Cd, Sn etc., deoarece prezenta lor contribuie la intensificarea coroziunii intercristaline si la mdificarea dimensiunilor pieselor turnate, ceea ce provoaca aparitia fisurilor. De exemplu, continuturile de staniu, de ordinul miimilor de procente, sunt suficiente pentru a produce coroziunea intercristalina. Iata de ce in principalele tari producatoare de aliaje pe baza de zinc, intr-o perioada de timp indelungata, pentru turnarea sub presiune se utilizau numai metale cu o puritate de minimum 99 %.