第5章 锌及锌合金

1、锌及锌合金锌及锌合金5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 锌的提取锌的提取5.3 5.3 纯锌纯锌5.4 5.4 锌合金锌合金金属锌的用途金属锌的用途:钢材表面镀锌层粘附性好，耐大气腐蚀。钢材表面镀锌层粘附性好，耐大气腐蚀。形成合金，如多种黄铜、锌合金。形成合金，如多种黄铜、锌合金。用于制造航天仪表上的用于制造航天仪表上的Ag-ZnAg-Zn电池。电池。浇铸精密铸件浇铸精密铸件，压铸效率高。压铸效率高。冶金工业中作为还原剂，化学工业中作为制造颜料原料。冶金工业中作为还原剂，化学工业中作为制造颜料原料。5.1 概述概述16371637年年：中国宋应星发现锌，并于中国宋应星发现锌，并于 “天天工

2、开物工开物”中述及了锌的制法等中述及了锌的制法等。17371737年和年和17461746年年：德国亨克尔德国亨克尔、马格拉夫马格拉夫先后将菱锌矿与木炭共置陶制密闭容器中先后将菱锌矿与木炭共置陶制密闭容器中烧，得到金属锌烧，得到金属锌。17891789年拉瓦锡首先将锌列入元素周期表中。年拉瓦锡首先将锌列入元素周期表中。世界锌产量极其环比增长率020040060080010001200140019701972197419761978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008万吨-10-8-6-4-20246810%世界

3、锌产量年环比增长率%05001000150020002500300035004000200020012002200320042005200620072008000tonnes镀锌：镀锌：47压铸合金：压铸合金：22黄铜和铜合金：黄铜和铜合金：12电池：电池：20镀锌镀锌电池电池氧化锌氧化锌铜合金铜合金压铸锌合金压铸锌合金闪锌矿闪锌矿(ZnS) 菱锌矿菱锌矿 (ZnCO3) ： 67% Zn异极矿异极矿(Zn4Si2O7(OH)2.H2O)红锌矿红锌矿 (ZnO)硅锌矿硅锌矿(Zn2SiO4)：58.5%5.2 锌的提取锌的矿物：锌的矿物： 自然界中硫化矿较多。锌的单金属硫化物非常少见，多与自然

4、界中硫化矿较多。锌的单金属硫化物非常少见，多与铜铅共生。其中最常见的有铅锌矿，其次为锌铜矿和铜铅锌矿。铜铅共生。其中最常见的有铅锌矿，其次为锌铜矿和铜铅锌矿。 选矿后的硫化锌精矿含锌为选矿后的硫化锌精矿含锌为3862%，Zn、Fe、S总和为总和为9095%。锌精矿中还含有。锌精矿中还含有SiO2、Al2O3、CaCO3和和MgCO3以及以及Co、In、Ga、Ge、Ti等稀有金属。冶金工业中产生的含锌烟灰、等稀有金属。冶金工业中产生的含锌烟灰、熔铸锌时产出的浮渣和一些氧化锌，也是炼锌原料。熔铸锌时产出的浮渣和一些氧化锌，也是炼锌原料。 由硫化锌矿直接炼锌虽有可能，如：由硫化锌矿直接炼锌虽有可能，

5、如：ZnS + Fe = Zn + FeS但工业上无法应用，因为该反应要在但工业上无法应用，因为该反应要在12001300才进行，而才进行，而此时精矿已熔化。此时精矿已熔化。 氧化锌被还原是硫化矿精矿先焙烧成氧化锌，焙烧矿与碳氧化锌被还原是硫化矿精矿先焙烧成氧化锌，焙烧矿与碳质还原剂混合后加热到质还原剂混合后加热到1100左右，还原出锌（气态），然后左右，还原出锌（气态），然后引入到冷凝器内冷凝为液态锌。引入到冷凝器内冷凝为液态锌。火法炼锌方法火法炼锌方法 火法炼锌火法炼锌是用碳质还原剂将含是用碳质还原剂将含ZnOZnO的焙烧矿还原得到金属的焙烧矿还原得到金属锌的过程。锌的过程。 我国锌冶炼工

6、艺以湿法冶炼为主（我国锌冶炼工艺以湿法冶炼为主（70%），火法其次），火法其次（30% ）。火法中竖罐法占）。火法中竖罐法占18%，ISP法约占法约占9.5%，其余，其余(包包括电热法、平罐、马槽炉、马鞍炉和四方炉括电热法、平罐、马槽炉、马鞍炉和四方炉)约占约占2.5%。 ZnOZnO较难还原。火法炼锌须在强还原和高于锌沸点较难还原。火法炼锌须在强还原和高于锌沸点的温度下进行，还原的锌蒸气经冷凝后得到液态锌。的温度下进行，还原的锌蒸气经冷凝后得到液态锌。 还原蒸馏法还原蒸馏法：竖罐炼锌、平罐炼锌（间接加热）竖罐炼锌、平罐炼锌（间接加热）和电炉炼锌（直接加热）。和电炉炼锌（直接加热）。共同特点是

7、：产生的炉气中锌蒸气浓度大，而且共同特点是：产生的炉气中锌蒸气浓度大，而且COCO2 2含含量少，容易冷凝得到液体锌。量少，容易冷凝得到液体锌。 2020世纪世纪5050年代开发、年代开发、6060年代投入工业生产的年代投入工业生产的密闭密闭鼓风炉炼锌鼓风炉炼锌( (简称简称ISP)ISP)法是一种适合于冶炼铅锌混合矿法是一种适合于冶炼铅锌混合矿的炼锌方法。用铅雨冷凝法从含的炼锌方法。用铅雨冷凝法从含COCO2 2含量高而锌含量低含量高而锌含量低的炉气中冷凝锌，同时得到铅和锌。的炉气中冷凝锌，同时得到铅和锌。平罐炼锌平罐炼锌:平罐炼锌是平罐炼锌是20世纪初采用的主要的炼锌方法。世纪初采用的主要

8、的炼锌方法。竖罐蒸馏炉竖罐蒸馏炉 湿法炼锌是用稀硫酸湿法炼锌是用稀硫酸(即废电解液即废电解液)浸出焙烧矿中的锌，浸出焙烧矿中的锌，锌进入溶液后再以电解法从溶液中沉积出来。锌进入溶液后再以电解法从溶液中沉积出来。 第一次世界大战期间开始应用；可直接制得纯度较高第一次世界大战期间开始应用；可直接制得纯度较高的锌，不象火法蒸馏炼锌还需精炼；操作所需劳动力较少，的锌，不象火法蒸馏炼锌还需精炼；操作所需劳动力较少，劳动条件较好；电能消耗大。劳动条件较好；电能消耗大。 湿法炼锌是当前的主要炼锌法。湿法炼锌是当前的主要炼锌法。湿法炼锌方法湿法炼锌方法湿法炼锌包括浸出、净液、电解和熔铸湿法炼锌包括浸出、净液、

9、电解和熔铸4 4个工序。个工序。浸出浸出使物料中的使物料中的ZnZn尽可能全部溶解到浸出液中；尽可能全部溶解到浸出液中；使有害杂质尽可能地进入渣中，达到与锌分离的目的。使有害杂质尽可能地进入渣中，达到与锌分离的目的。净化净化： 将溶液中对电解有害的杂质除至允许含量；将溶液中对电解有害的杂质除至允许含量； 将这些杂质变为原料进行综合回收。将这些杂质变为原料进行综合回收。电解：电解： 净化的净液，通过不溶阳极（铅银合金板）电解的方法从净化的净液，通过不溶阳极（铅银合金板）电解的方法从中提取锌。阴极板为铝板中提取锌。阴极板为铝板。 随着电解的进行，电解液中随着电解的进行，电解液中Zn2+含量不断减少

10、，硫酸浓度含量不断减少，硫酸浓度不断增大。因此必须抽出一部分电解液送到浸出工序，同时不断增大。因此必须抽出一部分电解液送到浸出工序，同时要不断地补充已净化的中性浸出液。阴极上析出的锌每隔一要不断地补充已净化的中性浸出液。阴极上析出的锌每隔一个周期个周期(一般为一般为24小时小时)取出，将锌片剥下后送熔铸车间铸成锭。取出，将锌片剥下后送熔铸车间铸成锭。阴极铝板清洗后返回电解槽继续电解。阴极铝板清洗后返回电解槽继续电解。242241/2OSOHZn直流电OHZnSO白而略带蓝灰色的金属白而略带蓝灰色的金属原子量为原子量为65.37Tm：419.5 Tb：906.97常温下比重为常温下比重为7.13

11、3，800下的比重为下的比重为6.22 液态锌的蒸气压随温度升高而迅速增大，到液态锌的蒸气压随温度升高而迅速增大，到1179.97K时达到时达到10132.5Pa，火法炼锌就是利用了锌的这一特点。，火法炼锌就是利用了锌的这一特点。 锌在干燥空气或氧气中很稳定，但在潮湿空气中形成碱锌在干燥空气或氧气中很稳定，但在潮湿空气中形成碱式碳酸锌式碳酸锌(ZnCO33Zn(OH)2)，保护锌进一步地被腐蚀。，保护锌进一步地被腐蚀。 熔融的锌能与铁形成化合物，可使钢铁免受腐蚀，镀锌熔融的锌能与铁形成化合物，可使钢铁免受腐蚀，镀锌工业利用了锌的这一特点。工业利用了锌的这一特点。性质性质5.3 5.3 纯锌纯锌

12、5.4 5.4 锌合金锌合金锌合金牌号锌合金牌号按合金成分分类：四类按合金成分分类：四类ZnA1系：都含有少量系：都含有少量Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性。以提高强度和改善耐蚀性。ZnCu系：抗蠕变合金，多以系：抗蠕变合金，多以ZnCuTi三元为基的合金，三元为基的合金，有时为进一步改善其抗蠕变性能也加有少量有时为进一步改善其抗蠕变性能也加有少量Cr。ZnPb系：作为电池壳用，并可制成各种小五金及体育运动系：作为电池壳用，并可制成各种小五金及体育运动器材等。器材等。ZnPbA1系：镀锌用系：镀锌用ZnPbA1合金。合金。按加工方式分类：三类按加工方式分类：三类铸造合金：压力铸造合金、重力铸造

13、合金铸造合金：压力铸造合金、重力铸造合金变形合金：变形合金：ZnA1合金和合金和ZnCuTi合金既可直接铸造，又合金既可直接铸造，又可进行变形加工，其中超塑性可进行变形加工，其中超塑性ZnA1合金合金热镀锌合金热镀锌合金 锌合金的分类按性能和用途分类按性能和用途分类抗蠕变锌合金抗蠕变锌合金 ：ZnCuTi合金，它可通过变形生产所需要的零合金，它可通过变形生产所需要的零件，也可以直接压铸制品。件，也可以直接压铸制品。 超塑性锌合金超塑性锌合金 ：ZnA1二元合金在一定组织和变形条件下，呈现二元合金在一定组织和变形条件下，呈现出极高的延伸率，可成型形状复杂的零件。从本世纪出极高的延伸率，可成型形状

14、复杂的零件。从本世纪70年代，美、年代，美、英、日等国开始大力研究锌合金的超塑现象。英、日等国开始大力研究锌合金的超塑现象。阻尼锌合金阻尼锌合金：新型结构材料，又叫减震锌合金，可降低工业噪声和：新型结构材料，又叫减震锌合金，可降低工业噪声和减轻机械振动。减轻机械振动。模具锌合金模具锌合金：锌合金模具在二次世界大战初期就开始使用，当时称：锌合金模具在二次世界大战初期就开始使用，当时称“简易模具简易模具”。这项技术在日本、西欧一些国家已成功地使用于汽。这项技术在日本、西欧一些国家已成功地使用于汽车制造工业，日本标准定名为车制造工业，日本标准定名为“冲压用锌合金冲压用锌合金”即即ZAS。耐磨锌合金耐

15、磨锌合金：锌合金轴承具有摩擦系数低，对油有较高的亲合力，：锌合金轴承具有摩擦系数低，对油有较高的亲合力，机械性能优异等特点。早在机械性能优异等特点。早在1940年前后，德国就因缺铜，而用锌合年前后，德国就因缺铜，而用锌合金代替青铜作轴承材料。金代替青铜作轴承材料。防腐锌合金防腐锌合金：牺牲阳极以及作为喷镀、热浸镀等用的锌合金。：牺牲阳极以及作为喷镀、热浸镀等用的锌合金。结构锌合金结构锌合金： ZnCuTi、ZnA1合金用来制造结构零件，合金用来制造结构零件，Zn4A1压铸合金早期用量较大，而近期高强度压铸合金早期用量较大，而近期高强度ZnA1合金的应用范合金的应用范围正在扩大。围正在扩大。 压

16、铸锌合金牌号 锌合金是以锌为基加入其他元素组成的合金锌合金是以锌为基加入其他元素组成的合金。 加入的合金元素：铝、铜、镁、镉、铅、钛等。加入的合金元素：铝、铜、镁、镉、铅、钛等。 锌合金熔点低，流动性好，易熔焊、钎焊和塑性加工，在大锌合金熔点低，流动性好，易熔焊、钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔；但蠕变强度低，易发生自气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔；但蠕变强度低，易发生自然时效引起尺寸变化。压铸或压力加工成材。按制造工艺可分为然时效引起尺寸变化。压铸或压力加工成材。按制造工艺可分为铸造锌合金和变形锌合金。铸造锌合金和变形锌合金。锌合金的特点：锌合金的特点： 比重大。比重大

17、。铸造性能好，可压铸形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑。铸造性能好，可压铸形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑。可进行表面处理：电镀、喷涂、喷漆。可进行表面处理：电镀、喷涂、喷漆。熔化与压铸时不吸铁，不腐蚀压型，不粘模。熔化与压铸时不吸铁，不腐蚀压型，不粘模。有很好的常温机械性能和耐磨性。有很好的常温机械性能和耐磨性。熔点低，在熔点低，在385385熔化，容易压铸成型。熔化，容易压铸成型。合金元素在锌合金中的作用合金元素在锌合金中的作用合金中有益元素：铝、铜、镁合金中有益元素：铝、铜、镁 有害杂质元素：铅、镉、锡、铁。有害杂质元素：铅、镉、锡、铁。铝铝： 改善铸造性能，增加流动性，细化晶粒，

18、引起固溶强化，改善铸造性能，增加流动性，细化晶粒，引起固溶强化，提高机械性能。提高机械性能。 降低锌对铁的反应能力，减少对铁质材料，如模具、坩埚降低锌对铁的反应能力，减少对铁质材料，如模具、坩埚的侵蚀。的侵蚀。 铝含量为铝含量为3.83.84.3%4.3%。主要考虑合金的强度及流动性。主要考虑合金的强度及流动性。 流动性在铝含量流动性在铝含量5%5%时达到最大值；在时达到最大值；在3%3%时降到最小值。时降到最小值。 冲击性能在含铝量冲击性能在含铝量3.5%3.5%达到最大值；达到最大值；6%6%时降到最小值。含铝时降到最小值。含铝量超过量超过4.3%4.3%，合金变脆。，合金变脆。 含铝量低

19、于规定范围，导致薄壁件充型困难，有铸后冷却破含铝量低于规定范围，导致薄壁件充型困难，有铸后冷却破裂的可能。铝在锌合金中不利的影响是产生裂的可能。铝在锌合金中不利的影响是产生FeFe2 2AlAl3 3浮渣，造成其含浮渣，造成其含量下降。量下降。铜铜：增加合金的硬度和强度；增加合金的硬度和强度；改善合金的抗磨损性能；改善合金的抗磨损性能；减少晶间腐蚀。减少晶间腐蚀。不利：不利： 含铜量超过含铜量超过1.25%时，使压铸件尺寸和机械强度因时效而时，使压铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化；发生变化；降低合金的可延伸性。降低合金的可延伸性。镁镁 减少晶间腐蚀减少晶间腐蚀 细化合金组织，增加合金的强度细化合金组织，增加合金的强度 改善合金的抗磨损性能改善合金的抗磨损性能 不利：不利： 含镁量含镁量 0.08%时，产生热脆、韧性下降、流动性下降。时，产生热脆、韧性下降、流动性下降。 易在熔融状态下氧化损耗。易在熔融状态下氧化损耗。 铅、镉、锡铅、镉、锡 增大晶间腐蚀的敏感性，加速温、湿环境中的晶间腐蚀，降