Kẽm là một trong những kim loại màu cơ bản đ−ợc sử dụng rộng rãi. Do có tính chống gỉ tốt nên kẽm đ−ợc dùng nhiều trong mạ kẽm, tráng tôn. Nhờ có tính đúc tốt (nhiệt độ nóng chảy thấp, độ loãng lớn, điền đầy khuôn tốt) nên kẽm đ−ợc dùng để đúc các chi tiết trong công nghiệp chế tạo máy nhất là chế tạo ôtô và các chi tiết có hình thù phức tạp khác trong thông tin liên lạc. Kẽm cùng một số kim loại khác, đặc biệt là đồng tạo thành hợp kim có tính năng tốt, đ−ợc dùng rộng rãi trong chế tạo máy. Hợp kim đồng - kẽm thông dụng nhất là đồng thau. Đồng thau là hợp kim đồng với kẽm (30 ữ 40%) đ−ợc dùng rất nhiều trong ngành đóng tàu, chế tạo máy, xe lửa, ôtô, máy chính xác, các thiết bị ngành vô tuyến, hàng không,...
Vì công dụng của kẽm và hợp kim kẽm rất rộng nên kẽm đ−ợc quan tâm khai thác, luyện và gia công chế biến. Sản l−ợng và mức tiêu thụ ngày càng tăng.
1.5.1. Đặc tính chung của kẽm và hợp kim kẽm
Kẽm là nguyên tố kim loại màu điển hình thuộc nhóm hai trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendelêep, là một trong các kim loại cơ bản có vị trí quan trong trong nền kinh tế quốc dân, sau đây là những tính chất quan trong của kẽm.
a) Tính chất vật lý
Kẽm là kim loại có màu sáng xanh-bạc, có khối l−ợng riêng là 7,14 g/cm3 ở nhiệt độ 20oC. Nhiệt độ nóng chảy thấp 419,5oC. Nhiệt độ sôi ở áp suất 760mmHg là 906oC. Khối l−ợng riêng của kẽm ở nhiệt độ nóng chảy là 6,6g/cm3. Khi kết tinh
27
tạo ra kiểu mạng A3- tinh thể lục giác không xếp chặt. Nhiệt độ rót càng cao, tốc độ nguội càng chậm, tổ chức tinh thể của kẽm càng thô.
ở nhiệt độ th−ờng kẽm rất giòn, không cán đ−ợc, nh−ng khá dẻo ở nhiệt độ từ 100 ữ 150oC có thể cán, dát mỏng tới vài phần trăm milimet. Trên 150oC kẽm lại trở nên giòn, ở 250oC dễ tạo thành bột. Khi gia công, kẽm bị biến cứng, đem ủ sẽ lại hồi phục.
Độ dẫn nhiệt của kẽm bằng 0,265 cal/cm.s (1,105J/cm.s)
Giới hạn bền của kẽm là 200 ữ 250N/mm2, độ dãn dài t−ơng đối là 40 ữ 55%. Khả năng hòa tan Fe trong Zn ở trạng thái rắn khoảng 0,01% trọng l−ợng. b) Tính chất hóa học
Kẽm và hợp kim kẽm có thế điện cực âm rõ rệt so với sắt và các kim loại khác. Điện thế cực tiêu chuẩn của kẽm ϕZn+2
= - 0,762 V. Điện thế ổn định trong dung dịch NaCl 0,5 mol/lít khoảng -0,83 V.
Trong n−ớc biển kẽm bị ăn mòn t−ơng đối đều. Thời gian đầu tốc độ ăn mòn kẽm trong n−ớc biển lớn hơn trong n−ớc ngọt, nh−ng sau một thời gian thì chậm lại, do trên bề mặt kẽm tạo thành lớp màng sản phẩm ăn mòn màu sáng, khó tan trong n−ớc tạo nên lớp bảo vệ kẽm không bị ăn mòn tiếp theo nh−: các muối cloruabazơ kẽm ZnCl2.4Zn(OH)2; ZnCl2.6Zn(OH)2; hydrôxít kẽm Zn(OH)2 và cacbonatbazơ kẽm Zn(OH)2CO3.
c) Tính chất điện hóa
Kẽm và hợp kim của kẽm có điện thế điện cực âm rõ rệt so với sắt và nhiều kim loại khác. Nên có thể dùng để tách một số kim loại khác có điện thế điện cực d−ơng hơn. Ví dụ dùng kẽm để tách đồng, cacdimi trong dung dịch sunfat:
CuSO4 + Zn → Cu + ZnSO4 (1.18)
Điện thế của kẽm còn phụ thuộc vào nồng độ ion H+ (độ pH). Quá trình ăn mòn tạo nên sản phẩm cứng trên bề mặt, khi đó điện thế điện cực của kẽm trở nên d−ơng hơn. Thay đổi nhiệt độ của môi tr−ờng cũng làm thay đổi điện thế của kẽm. Ví dụ nâng nhiệt độ của n−ớc lên đến 70 ữ 80oC thì điện thế của kẽm thay đổi tới 0,3 ữ 0,25 V làm cho điện cực của hệ Fe - Zn thay đổi.
28
Do đặc tính điện hóa của Zn nh− trên, nên kẽm và hợp kim Zn đ−ợc sử dụng khá phổ biến để làm protector.
d) Tạp chất trong kẽm
Những tạp chất chính có hại đến tính chất protector trong kẽm gồm: Đồng, Sắt, Chì, Asen, Cadiami. Hàm l−ợng tạp chất trong kẽm cao hay thấp phụ thuộc vào ph−ơng pháp chế tạo. Kẽm và hợp kim của kẽm rất nhạy với tạp chất. Chỉ cần có một l−ợng tạp chất nhỏ, protector kẽm dễ dàng chuyển sang trạng thái thụ động và mất khả năng bảo vệ. Chính vì lẽ đó mà rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã dành thời gian nghiên cứu vấn đề này.
Bảng 1.9. Thành phần hóa học một số mác kẽm nguyên chất kỹ thuật do Liên Xô (cũ) sản xuất [7] L−ợng tạp chất (không lớn hơn)(%) Mác kẽm Zn Pb Cd Fe Cu Sn As Tổng Ц B1 99,992 0,004 0,002 0,003 0,001 0,001 - 0,008 Ц B 99,99 0,005 0,002 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,01 Ц0 99,96 0,013 0,004 0,005 0,001 0,001 0,0005 0,04 Ц1 99,95 0,02 0,001 0,01 0,005 0,001 0,0005 0,05 Ц 2 98,7 1,0 0,2 0,05 0,005 0,002 0,01 1,3
Thiếc hầu nh− không hòa tan vào kẽm ở trạng thái rắn và th−ờng tách ra khỏi kẽm lỏng ở dạng cùng tinh dễ nóng chảy, nhiệt độ nóng chảy là 198oC. Cùng tinh này dễ đ−ợc tạo thành khi có mặt cadimi. ảnh h−ởng có hại của thiếc, cadimi và chì ở chỗ chúng làm giảm độ dẻo, giảm khả năng biến dạng, làm tăng khả năng bị ăn mòn tinh giới của kẽm. Ngoài ra, chì còn làm tăng khả năng hòa tan kẽm trong các axít. Do đó, cần phải khống chế sao cho hàm l−ợng của chúng trong hợp kim kẽm nhỏ (Sn < 0,001%, Pb < 0,03%, Cd < 0,007%).
Sắt làm chậm quá trình kết tinh của kẽm, làm giảm độ dẻo và giảm dung l−ợng điện hóa của hợp kim kẽm. Khi hàm l−ợng Fe > 0,2% thì kẽm trở nên giòn không thể cán đ−ợc nữa và khi càng tăng hàm l−ợng sắt thì dung l−ợng điện hóa càng giảm.
Đồng nâng cao độ cứng của kẽm, độ cứng sẽ đạt cực đại khi hàm l−ợng đồng là 0,6%. Đồng làm giảm tính dẻo và tính chống ăn mòn. Trong kẽm điện phân hàm l−ợng đồng đ−ợc giới hạn trong khoảng 0,0001 ữ 0,005%.
29
Sắt và đồng làm tăng tốc độ ăn mòn kẽm còn cadimi, chì, thuỷ ngân có tác động ng−ợc lại.
Asen là tạp chất có hại nhất đối với kẽm, nó làm giảm tính dẻo và khả năng biến dạng nguội của kẽm.