Çinko, Özellikleri ve Kullanım Alanları

Transkript

1 Çinko, Özellikleri ve Kullanım Alanları Prof. Dr. Ramazan YILMAZ & Yrd. Doç. Dr. Zafer BARLAS Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Esentepe Kampüsü, 54187, SAKARYA

2 ÇİNKONUN ÖNEMLİ ÖZELLİKLERİ Çinkonun kimyasal sembolü : Zn Atom numarası : 30 Atom ağırlığı : 65,37 Özgül ağırlığı : 7,14 g/cm 3 Ergime sıcaklığı Buharlaşma sıcaklığı Kristal Yapısı : 420 C : 907 C : Hegzagonal SP

3

4

5 ÇİNKONUN ÖNEMLİ ÖZELLİKLERİ Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Ergime ısısı: 7,32 kj/mol Kimyasal Özellikleri Değerliliği +2 2B grubu Geçiş Metali 4. Periyotta yer alır Kristal yapısı: HSP Buharlaşma ısısı: 119 kj mol -1 Elektrik direnci: 59,0 nω m (20 C'de) Isıl genleşme: 30,2 µm/(m K) (25 C'de) Isı kapasitesi : 25,390 (25 C) J/(mol K) Isı iletkenliği: 1,20 W/cmK Spesifik özgül ısısı: J/gK Rigitlik: 48 GPa Mineral Sertliği: 2.5 Mohs Çekme dayanımı: 110 MPa (saf çinko) Çekme dayanımı: 413 MPa (Zn-Al alaşımı)

6 10 libre = 4,53 kg 1 ons = 31,1 g

7

8 Çinko (Lat. Zinkum, İng. Zinc, Alm. Zink), mavimsi açık gri renkte, kırılgan bir metaldir. Elementlerin periyodik tablosunda geçiş elementleri grubunda yer alır. Düşük kaynama sıcaklığı dikkat çekicidir. Bu değer özellikle pirometalurjik metal üretiminde çok belirleyici bir etmendir. Dökülmüş halde sert ve kırılgandır. 120 C de şekillendirilebilir. Elektrokimyasal potansiyel dizisinde demirden daha negatif değerdedir. Böylece çinko anot olarak, katodik korozyon korumada önemli bir kullanım bulur. Galvanizleme bu tür uygulamalardan biridir. Çinko oda sıcaklıklarında bile deformasyon sertleşmesine uğrayan birkaç metalden biridir.

9 Oda sıcaklıklarında düşük gerilimler çinkonun yapısında kalıcı bozunum yaratabilir. Bu nedenle de çinko metalinin kendisinin bir yapı elemanı olarak kullanımını çok kısıtlar. Çinko metalinin temel kullanım nedeni, onun yüksek korozyon direncine dayanır. Korozyon direnci düşük olan bir metalin yüzeyi çinko ile kaplanacak olursa, yüzeyin korozyona karşı direnci artar.

10 Özellikle ve büyük oranlarda, çeliklerin galvanizleme işlemlerinde çinko kullanılır. Dünya çinko tüketiminin yaklaşık %40-50 kadarı çeliklerin galvanizleme işlemlerinde tüketilir. Galvanizli saçlar genellikle µm kalınlığında çinko örtüsü ile kaplanmışlardır. Bu kaplama işlemi sıcak daldırma, elektrolitik kaplama, püskürtme ve çinko boyaları sürme yöntemiyle yapılır. Çelik üzerine sürülmüş 75 µm kalınlığında bir çinko kaplama, çeliği 30 yıl koruyabilir. Çelik yüzeylerindeki çinko kaplamalar bakır, nikel gibi metal kaplamalara göre üstündür.

11 Çinkonun anodik özelliğinden dolayı, çizik yüzeylerde anot görevi görebilmesi ve bunun sonucu da çeliği dolaylı olarak koruyabilmesidir. Çinko, alaşımlama amacıyla ve büyük oranlarda pirinçlerin üretiminde kullanılır. Eskiden binaların çatılarında hem korozyona karşı korumak, hem de güzel görünümü nedeniyle çinko levhalar kullanılırdı. Paris ve Belçika da binaların çatıları halen çinko ile kaplıdır. Çinko levhaların en çok kullanıldığı alan pil ve akü sanayidir.

12 Kuru pillerin dış tüpleri derin çekme yöntemiyle çinko levhalardan yapılır. Kavanoz kapakları, fotogravür mimari süslemeler diğer kullanım alanlarıdır. Çinkonun genleşme katsayısı çok yüksektir. Çinko oda sıcaklığında da sürünme durumu gösterir. Çinkonun düşük ergime sıcaklığı, çinko metali gibi çinko alaşımlarının da oda sıcaklıkları üstünde sürünme göstermesine neden olur. Bazı metallerin düşük sıcaklıklarda gevrek kırılma gösterdikleri bilinmektedir. Çinko ve çinko alaşımları bunlara ilginç bir örnek oluşturur C arasında gevrek kırılırlar. 100 C deki çekme mukavemeti, 20 C deki değerinin %60 ı kadarıdır. Uzama ise 3 katı kadardır. Bu nedenle 100 C nin üzerindeki uygulamalarda dikkatli kullanılmalıdır.

13 Çinko içinde olağan olarak bulunan elementler Pb, Cd, Fe, Cu, Al, Ti ve Sn dir. Ayrıca belirli özellikleri geliştirmek için alaşım elementleri de katılır. Çinko döküm alaşımları, temelde Zn-Al alaşımlarıdır. Al tane küçültücü olarak da etkilidir. Bu nedenle, pres döküm çinko alaşımlarının (%4 Al) yapıları ince tanelidir. Zn, kullanım açısından demirdışı metaller içerisinde Al ve Cu dan sonra gelen en önemli üç metalden birisidir. Zn, yerkabuğunda en çok bulunan elementler arasında 23. sıradadır.

14 Kimyasal yönden aktif olması ve diğer metallerle kolayca alaşım yapabilmesi nedeniyle çinko, endüstride birçok alaşımın ve bileşiğin üretiminde kullanılmaktadır. Kuvvetli elektropozitif özelliğinden dolayı diğer metallerin özellikle demir çelik ürünlerinin aşınmaya karşı korunmasında kullanılmaktadır. Üretilen çinko metalinin ana ürün olarak tüketildiği belli başlı alanlar bulunmaktadır. Bunlar; Galvanizleme, pres döküm alaşımları, pirinç ve bronz alaşımları, çinko oksit ve haddelenmiş çinko alaşımlarıdır. Metalleri korozyona karşı korumak amacı ile galvanizlemede ZnO bileşiği boya, kauçuk, kozmetik, plastik, sabun, yazıcı mürekkebi, ilaç üretiminde

15 Çinko metali kuru pillerde, bozuk para yapımında Otomobil endüstrisinde, Alaşımların elde edilmesinde, İnsan vücudu için önemli bir element olduğundan vitaminlerin hazırlanmasında kullanılmaktadır. Ar-Ge çalışmaları teşvik edilerek çinko-kurşun yatakları içerisinde yan ürün olarak bulunan gümüş ve altın gibi değerli metaller ile indiyum, galyum, talyum ve germanyum gibi ileri teknoloji hammaddelerinin kazanılmasına yönelik çalışmalar yapılmalıdır.

16 Cevher yataklarının oluşumuna paralel olarak, Türkiye de çinkokurşun cevher ve konsantreleri oksitli ve sülfürlü olarak bulunmaktadır. Türkiye nin toplam çinko rezervi, metal çinko olarak, 5,471,338 ton olup, bunun 1,305,688 tonu görünür, 1,238,555 tonu muhtemel; 2,927,095 tonu mümkün rezervdir (İMİB Türkiye Çinko Envanteri, 1998). Oksitli cevherlerin tamamı yurt içinde ÇİNKUR tarafından işlenerek elektrolitik külçe çinko elde edilmektedir. Ülkede üretilmekte olan sülfürlü cevherlerin yurt içinde izabe imkanı bulunmadığından, zenginleştirilmiş çinko-kurşun cevherleri veya konsantreleri olarak geçici veya doğrudan ihraç yolu ile yurt dışına satılmaktadır. Ayrıca tüvenan, ayıklanmış konsantre, kalsine ürün olarak da çinko ihracatı yapılmaktadır.

17 Çinkonun başka kullanım alanları Pirinç, nikel gümüşü, değişik lehimler, alman gümüşü gibi alaşımların yapımında Çinko oksit, sulu boyalarda beyaz pigment olarak ve lastik sanayinde aktivatör olarak kullanılır. Reçetesiz satılabilen bazı merhemlerin bileşiminde bulunur ve ince bir tabaka halinde uygulandığında cildin su kaybetmesini önler. Yazın güneş, kışın da soğuk yanıklarına karşı koruyucudur. Bebeklerin bez bağlanan bölgelerinde çok az miktarda kullanılarak ciltte meydana gelebilecek kızarıklıklar önlenebilir. Yaşa bağlı göz hastalıklarının tedavisinde de kullanılır.

18 Çinko klorür, deodorantlarda ve ahşap koruyucu olarak, Çinko metil (Zn(CH 3 ) 2 ), pek çok organik maddenin sentezinde, Çinko sülfür (ZnS), karanlıkta parlayan pigment olarak saatlerin akrep ve yelkovanlarında, floresan ışıklarda, X- ışıkları ve televizyon ekranlarının yapımında kullanılır. Çinko, pek çok günlük vitamin ve mineral ilaçlarının bileşenidir. Cildin ve kasların erken yaşlanmasını önleyen anti-oksidan özellikler taşıdığına inanılmaktadır. Toplam çinko tüketiminin hemen hemen %50 si galvanize çelik üretiminde kullanılmakta, %20 si pirinç üretiminde, %15 i döküm, %8 i çinko oksit üretiminde, %7 si yarı fabrikasyon ürünlerde kullanılmaktadır. Ekotoksik etkisi nedeniyle çinko, bazı alanlarda sınırlı tüketilmektedir (özellikle yapı ve inşaat sektörü gibi). Günümüzde çinko ilave malzemesi olarak; alüminyum, magnezyum ve plastikler, özellikle otomotiv sektöründe kullanılmaktadır.

19 ÇİNKONUN DÜNYADA KULLANIMI ABD Dünya Galvanizleme : Daldırma Elektrolitik kaplama Pirinçlerde (alaşım elementi olarak) Basınçlı döküm alaşımı Diğer kullanım alanları Dövme alaşımı olarak Çok az oranda

20 Havayla bir karbonat filmi oluşturarak korozyona karşı dayanıklı hale gelir. Alaşım elementleri ilavesiyle mekanik özellikleri değişmekte ve düşük miktarlardaki Cu ve Ti ilavesi tane küçültücü rol oynamaktadır. Çinko alaşımları dekoratif parçalarda, düşük yük taşıma ve şok dirençlerinin bulunduğu yerlerde kullanılır. Çinko alaşımları yüksek hızlı motorlarda kolaylıkla dökülüp, fazla bir talaş kaldırma ve bitirme işlemlerine ihtiyaç duyulmaksızın parçaların üretimini sağlamaktadır. Parçalar düzgün yüzeyli, yüksek hassasiyette ve pirince göre çok daha hafif olması sebebiyle, kapı kolları, dişliler ve diğer küçük parçaların imalatında geniş olarak kullanılmaktadır.

21 Sphalerite: (Zn,Fe)S Smithsonite: ZnCO 3 Hemimorphite: Zn 4 Si 2 O 7 (OH) 2 H 2 O Franklinite: (Fe,Mn,Zn)(Fe,Mn) 2 O 4 Çinko oksitli (kırmızı) Franklinite (siyah)

22 Türkiye'de Metalik Maden Rezervleri Çinko-Kurşun: Türkiye de metal içeriği olarak 860 bin ton Pb, 2,3 milyon ton Zn rezervi vardır. Çinko rezervlerinin %35 i Rize-Çayeli bakır çinko yatağında bulunur. Türkiye nin Zn metal tüketimi yılda 60 bin ton, metal kurşun tüketimi ise yılda 35 bin ton civarındadır.

23 ÇİNKO CEVHERİNDEN METALİK ÇİNKO ÜRETİMİ Çinko cevherinin % 15 i açık ocak maden işletmeciliği, % 64 ü kapalı ocak madenciliği ve % 21 lik bölüm ise her iki ocak sisteminin bir arada işletildiği durumlarda çıkartılmaktadır. Maden ocaklarından çıkartılan cevherin doğrudan tüketilecek (ergitilecek) zenginlikte olması çok nadirdir. Genel olarak konsantre edilmeye ihtiyacı vardır. Çinko cevherleri başlangıçta % 5-15 Zn içerirler. Konsantrasyon sonrası konsantre cevher yaklaşık % Zn içermektedir. Drilling zinc and lead ore in South Africa Angas zinc mine opened by Premier Mike Rann (Australia)

24 Günümüzün en büyük çinko cevher üreticileri Avustralya, Kanada, Çin, Peru ve ABD'dir. Avrupalı üreticiler arasında ise; Belçika'da Vieille Montagne, İrlanda'da Tara ve İsveç'te Zinkgruvan sayılabilir.

25 ÜLKEMİZDE ÇİNKO ÜRETİMİ Bu bağlamda Türkiye Cu-Pb-Zn yatakları: - Kuzey Türkiye bakır, kurşun, çinko kuşağı, - Güneydoğu Türkiye ofiyolit kuşağı, - Kuzeybatı Türkiye kurşun-çinko kuşağı, - Güney Türkiye karbonat tipi çinko-kurşun kuşağıdır.

26

27 ÖZET Çinko 420 C de ergiyen, iyi döküm özellikleri ve atmosfer korozyonuna direnci iyi olan 7.14 g/cm 3 yoğunluğunda ağır bir metaldir. HSP kafes yapısılı Zn, plastik şekil değişimine pek elverişli olmaması, yeniden kristalleşme sıcaklığının düşük olması nedeniyle sorun yaratmaz. Saf çinkonun saflık dereceleri % arasında değişir ve DIN 1706 da standartlaştırılmıştır. % saflığındaki Zn, basınçlı döküm alaşımlarının temel bileşeni olarak kullanılır.

28 ÖZET Çinkonun elektrokimyasal gerilim serisindeki konumu asallıktan uzak olduğundan, nemli havanın veya doğal koşullardaki suyun etkisiyle yüzeyinde hidroksit ve karbonat karışımı koruyucu tabaka oluşur. Korozyon hızını azaltan bu tabaka nedeni ile çelik ve dökme demirler çinko ile kaplanabilirler. Çinko kapların gıda ile temas etmesi sakıncalıdır. Sulu çözeltilerde demire göre elektrokimyasal geriliminin daha negatif oluşu ve çözeltiye geçme davranışının uygunluğu nedeniyle çinko, çeliğin katodik korunmasında kurban (harcanabilir) anot görevi görür.

29 ÖZET Çelik ve dökme demirlerin çinko ile kaplanması sıcak daldırma ve elektrolitik kaplama yöntemleri ile gerçekleştirilir. Sıcak daldırma yönteminde; ana malzeme ile çinko arasındaki geçiş bölgesinde Fe-Zn alaşımları meydana gelir. Ara tabakaların kalınlığı banyo sıcaklığının yanı sıra daldırma süresi ve demirce giderek zenginleşen eriyiğin bileşimine bağlıdır. Sıvı metale yaklaşık %0,1 Al katılmasıyla yüzeyde katılaşan çinko ve alaşım bölgelerinin kalınlığı azalır. Yüksek sıcaklığa ısınması sakıncalı ana malzemelerde veya boyut toleranslarının dar tutulması gereken küçük parçalarda elektrolitik yönteme başvurulur. Böylece, ara tabakasız ve daha üniform bir kaplama elde edilebilir.

30 KAYNAKLAR Halil Arık Demir Dışı Metallerin Üretimi Ders Notları 2015 Adem Demir Demir Dışı Metaller sunu 2012 Muzaffer Zeren Demir Dışı Düşük Sıcaklık Metal ve Alaşımları, 2014 Ayşegül Akdoğan Eker Demirdışı Metal ve Alaşımları sunusu 2008 Çeşitli sunumlar Çeşitli internet web sayfaları

31 Dinlediğiniz için Teşekkür ederim!..