スぺルターと鋼:冶金におけるその役割と重要性

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定義と基本特性

スぺルターは、歴史的に鋼鉄製造や冶金の文脈で、さまざまな形態の亜鉛を指す用語です。鋼鉄産業では、合金添加物やコーティングとして使用される亜鉛ベースの材料、または合金目的のために精製された亜鉛を最も一般的に指します。

化学的には、亜鉛(Zn)は周期表の第12族に位置する原子番号30の遷移金属です。室温で六方最密充填(hcp)結晶構造を示し、融点は約419.5°C、沸点は907°Cです。亜鉛の原子量は65.38 g/molです。

物理的には、亜鉛は青白い光沢のある金属として現れ、比較的低い密度は約7.14 g/cm³です。室温では脆いですが、100°C以上で加熱されると延性を持ちます。亜鉛の物理的特性は、鋼の製造における亜鉛メッキや合金に適しています。

鋼鉄冶金における役割

主な機能

鋼鉄製造において、スぺルターは主にコーティング材料(亜鉛メッキ)または特別な鋼種における合金元素として使用される亜鉛を指します。亜鉛の主な冶金的役割は、亜鉛メッキ剤として使用されるときに腐食抵抗を提供し、鋼の表面に保護酸化物層を形成することです。

鋼と合金化されると、亜鉛は固化および熱処理中に特定の相の形成を促進することによって微細構造の発展に影響を与えます。亜鉛は粒子サイズを精製し、相変換を修正し、機械的特性に影響を与えることができます。

亜鉛の添加は、鋼の強度と亜鉛の腐食抵抗を組み合わせた亜鉛メッキ鋼の製造において重要です。また、亜鉛リッチコーティングや特定の特性を持つ合金鋼の製造にも役割を果たします。

歴史的背景

亜鉛の鋼鉄製造における使用は20世紀初頭に遡り、1920年代に亜鉛メッキ技術の登場が注目を集めました。熱浸漬亜鉛メッキプロセスの開発は、鋼の耐久性を革命的に変え、亜鉛を不可欠な成分にしました。

亜鉛の冶金的効果の理解は20世紀中頃に大きく進展し、最適化されたコーティング組成や合金配合が生まれました。亜鉛を含む高強度鋼や亜鉛メッキ構造鋼などの画期的な鋼種は、その重要性を示しています。

鋼における存在

鋼において、亜鉛は通常、亜鉛メッキ鋼で重量比0.2%までの微量から存在します。合金鋼では、特性を修正するために亜鉛が意図的に少量(最大0.5%)添加されることがあります。

亜鉛は純金属、亜鉛酸化物(ZnO)、または亜鉛ベースの鉄合金(例:亜鉛鉄合金)の一部として導入されることがあります。亜鉛メッキ鋼では、亜鉛はコーティングとして、または鋼マトリックス内の小さな合金元素として存在します。

鋼内の亜鉛の形態は、処理条件に応じて固体溶液、微細沈殿物、または包含物として存在することがあります。その分布と形態は、鋼の最終的な特性に大きく影響します。

冶金的効果とメカニズム

微細構造への影響

亜鉛は相の安定性と変換挙動に影響を与えることによって微細構造に影響を与えます。固化中、亜鉛は合金化レベルや冷却速度に応じて、フェライト、パーライト、またはベイナイトなどの特定の微細構造的特徴の形成を促進することがあります。

亜鉛は変換温度を変化させ、特にac3およびAcm温度を低下させ、熱処理スケジュールに影響を与えます。亜鉛はまた、炭素、マンガン、リンなどの他の合金元素と相互作用し、微細構造に対するそれらの効果を修正することがあります。

亜鉛メッキでは、亜鉛は鋼と冶金的結合を形成し、腐食に対する抵抗性のあるコーティングを作成します。合金鋼では、亜鉛は微細な金属間化合物相として沈殿し、粒子サイズを精製し、靭性を向上させることがあります。

主要特性への影響

亜鉛は、特に亜鉛メッキ鋼において、酸化を防ぎ、環境攻撃から基材の鋼を保護する安定した酸化物層を形成することによって、腐食抵抗を向上させます。また、少量の合金化により、適度な強度と延性の改善をもたらします。

しかし、過剰な亜鉛は、熱間加工中に脆化やホットショートを引き起こし、延性や靭性を低下させる可能性があります。亜鉛の存在は、熱伝導率や電気伝導率に影響を与え、一般的にその合金効果によりこれらの特性をわずかに低下させます。

化学的特性に関しては、亜鉛は高温での酸化抵抗を改善し、腐食シナリオにおいて犠牲アノードとして機能し、鋼基材を保護します。

強化メカニズム

亜鉛は主に固体溶液強化と沈殿硬化を通じて強度に寄与します。亜鉛が鋼に溶解されると、転位の動きを妨げ、降伏強度を増加させます。

冷却または熱処理中に亜鉛リッチ相が沈殿することで、強度と硬度がさらに向上します。定量的な関係は、少量の添加(最大0.2%)が鋼の組成や処理に応じて引張強度を数MPa増加させることを示唆しています。

微細構造的には、亜鉛の沈殿が粒界を精製し、粒成長を抑制し、靭性や疲労抵抗を向上させることに寄与します。

製造と添加方法

天然資源

亜鉛は主にスファレライト(ZnS)などの鉱石から得られます。抽出には、焼成、浸出、電解精製が含まれ、高純度の亜鉛金属が生成されます。

精製された亜鉛は世界中で入手可能で、中国、オーストラリア、ア

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