كثافة معدن الزنك: القياس، الاستخدامات الهندسية

يحتوي فلز الزنك النقي على كثافة في درجة حرارة الغرفة تتراوح بين 7.13 و7.14 جم-سم مكعب تقريبًا (7,134 كجم-م-م-م³) في شكله الصلب الشائع (هياكل سداسية/رباعية الأضلاع حسب المتآصل). وتقع هذه القيمة باستمرار في التجميعات المرجعية الحديثة وهي الرقم العملي المستخدم في حسابات حجم الكتلة الهندسية وتقدير التكلفة وتصميم الصب.

ما الذي تعنيه الكثافة بالنسبة للمعدن

الكثافة هي الكتلة لكل وحدة حجم لمادة ما (عادةً ما يتم التعبير عنها بالجرام لكل سنتيمتر مكعب أو g-cm-³ أو كيلوجرام لكل متر مكعب أو kg-m-³). بالنسبة للمهندسين وعلماء المعادن، تشمل الأهمية التشغيلية للكثافة ما يلي: تحويل الوزن إلى حجم للشحن وتقدير تكلفة المواد، وتقدير سلوك الغرق/الطفو في سوائل المعالجة، وحساب القصور الذاتي والصلابة النوعية للتصميم الهيكلي، والتنبؤ بانكماش التصلب في عمليات الصب. تؤسس الأقسام التالية لحالات الاستخدام هذه بقيم ملموسة وجداول عمل.

القيم المرجعية القياسية للزنك (الصلب والسائل)

• القيمة الصلبة الشائعة (بالقرب من 20 درجة مئوية): 7.134 جم-سم3 (غالبًا ما يتم الإبلاغ عنه في المصادر الحديثة على أنه 7.13-7.14 جم-سم مكعب). وهذا هو الرقم الهندسي المقبول المستخدم في أوراق البيانات وجداول خواص العناصر.

• سائل (عند نقطة الانصهار): عند ذوبان الزنك (درجة حرارة صغرى ≈ 419.5 درجة مئوية)، تنخفض كثافته - القيم المبلغ عنها عادةً للسائل عند درجة حرارة صغرى في حدود ≈6.57 جم-سم³ (تعتمد كثافة السائل عند الضغط الجزيئي على مصدر القياس ودرجة الحرارة المرجعية الدقيقة).

غالبًا ما يقوم المهندسون بالتقريب إلى 7.14 جم - سم مكعب (7,140 كجم - متر مكعب) لإجراء عمليات حسابية سريعة؛ تسرد التجميعات الموثوقة 7.133-7.14 حسب الطبعة ودرجة حرارة القياس.

درجة الحرارة والاعتماد على الطور

تعتمد الكثافة على درجة الحرارة لأن حجم المعدن يتمدد مع الحرارة. بالنسبة للزنك

• كثافة الطور الصلب بالقرب من البيئة المحيطة هي خط الأساس (حوالي 7.13 جم-سم-م³ عند درجة حرارة 20 درجة مئوية).

• مع زيادة درجة الحرارة، يتسبب التمدد الحراري في انخفاض تدريجي في الكثافة حتى التحول الانصهار (ملاحظة: التآصلات البلورية والانتقالات الطورية تخلق سلوكًا غير خطي قرب درجات حرارة التحول). تقدم التجميعات عالية الجودة وبعض كتيبات علم المعادن تقريرًا عن الكثافات المجدولة مقابل درجة الحرارة والمعاملات اللازمة للاستيفاء.

• يُظهر الطور السائل عند نقطة الانصهار انخفاضًا إضافيًا إلى قيم في منتصف نطاق 6 جم-سم مكعب تقريبًا (≈6.5-6.9 جم-سم مكعب) اعتمادًا على المصدر ودرجة الحرارة الدقيقة. بالنسبة لتقديرات كتلة الصب، فإن كثافة السائل عند درجة حرارة الصب هي المدخل الصحيح.

البنية البلورية، والأطوار وتأثيرات البنية المجهرية

يُظهر الزنك سلوكًا بنيويًا مختلفًا في درجات الحرارة المنخفضة (هناك تحوّل αβ في درجات الحرارة المنخفضة جدًا) ويؤثر التعبئة البلورية المحيطة العادية على جزء التعبئة وبالتالي على الكثافة. لن يغيّر حجم الحبيبات والمسامية والشغل البارد الكثافة الذرية ولكنه سيغير ظاهر الكثافة السائبة (الجزء الفارغ) للمساحيق أو المسبوكات المسامية. عند تحديد الكثافة لمكون هندسي، وضح ما إذا كنت تقصد:

• الكثافة النظرية (البلورية) - محسوبة من معلمات الشبكة الشبكية والوزن الذري;

• الكثافة السائبة الظاهرة - تشمل الفراغات/المسامية وخشونة السطح;

• كثافة أرخميدس (إزاحة السائل) - الطريقة العملية المستخدمة في المختبر للمواد الصلبة.

كيف تغير السبائك والشوائب من كثافة الزنك

كل إضافة عنصر آخر يغير الكتلة لكل حجم. أمثلة:

• سبائك صب الزنك والألومنيوم (ZA):: تقلل إضافة الألومنيوم من متوسط الكثافة بالنسبة إلى الزنك النقي (اعتمادًا على جزء الألومنيوم).

• سبائك الزنك والنحاس (تشبه النحاس الأصفر):: النحاس أكثر كثافة (حوالي 8.96 جم-سم-³)، لذا فإن إضافات النحاس ترفع كثافة السبيكة.

• الملوثات النزرة (الرصاص والحديد والقصدير والحديد والقصدير) تغير الكثافة بشكل متواضع ولكن يمكن أن تكون كبيرة بالنسبة للتسعير بكميات كبيرة أو التصاميم محدودة الوزن.

بالنسبة للمشتريات/المواصفات، يرجى دائمًا الإشارة إلى التسمية الدقيقة للسبائك (على سبيل المثال، ZA-8، Zamak-3) بدلاً من "الزنك" عندما تكون الدقة الكتلية أو الحجمية مهمة.

طرق القياس وإمكانية التتبع وفقًا للمعايير

تقنيات القياس المختبرية والصناعية الشائعة:

• الطريقة الهيدروستاتيكية (أرخميدس) - تُستخدم على نطاق واسع للأجزاء الجاهزة؛ تعطي كثافة ظاهرية بما في ذلك المسامية المغلقة فقط إذا كانت محكمة الغلق.

• قياس الغازات - يقيس الحجم الصلب الحقيقي باستثناء المسامية المغلقة؛ مفيد للمساحيق.

• طريقة مقياس حيود الأشعة السينية/النيوترون الشبكي - يحسب الكثافة النظرية من الثوابت الشبكية للفلزات البلورية.

• قياس كثافة العملية عبر الإنترنت/خارج الموقع - المستخدمة في أحواض المعادن المنصهرة باستخدام مجسات الغمر أو الطرق الكهرومغناطيسية.

إمكانية التتبع: استخدام مواد مرجعية معتمدة وطرق مرجعية معتمدة مرجعية لمعاهد القياس الوطنية (المعهد الوطني للمعايير والمقاييس والمعتمدية، والمعهد الوطني للمعايير، ومعهد البترول الوطني والمختبر الوطني) لمتطلبات الدقة العالية. وبالنسبة لكثافة العناصر والثوابت الفيزيائية الحرارية، يرجى الرجوع إلى المجموعات الموثوقة (المعهد الوطني للمعايير والمقاييس والاختبارات (NIST)، مركز البحوث العلمية والتكنولوجية، مركز البحوث الزراعية، مركز البحوث العلمية، نصوص علم المعادن التي راجعها النظراء).

جداول التحويل والمخططات المرجعية السريعة

الجدول 1 - الثوابت الفيزيائية الأساسية للزنك النقي (الظروف المرجعية)

الجدول 2 - تحويلات الوحدات (عملي)

الجدول 3 - الكثافات: الزنك مقابل المعادن الشائعة الأخرى (سياق التصميم السريع)

الآثار المترتبة على التصميم والتصنيع

الجلفنة

يُستخدم الزنك على نطاق واسع في الجلفنة بالغمس الساخن لأن كثافته تجعله كتلة طلاء ملائمة لكل وحدة مساحة: تتيح لك معرفة كثافة الزنك تحويل سُمك الطلاء (ميكرون) إلى كتلة لكل مساحة (جم-م²) لتقدير المخزون والتكلفة. مثال: طلاء 10 ميكرون يتوافق مع الكتلة ≈ (الكثافة × السماكة) = 7.134 جم-سم مكعب × 0.001 سم = 0.007134 جم-سم-م² → 71.34 جم-م-م².

الصب بالقالب والانكماش

يتم حساب بدلات الانكماش في صب الزنك بالقالب من تغيرات حجم التصلب. ونظرًا لأن الزنك السائل أقل كثافة بكثير من المادة الصلبة في درجة حرارة الغرفة، يجب حساب انكماش التصلب في تصميم البوابات والمغذيات لتجنب الفراغات الداخلية؛ استخدم كثافة السائل في درجة حرارة الصب وكثافة المادة الصلبة في البيئة المحيطة لتقدير الانكماش الحجمي.

أنودات البطارية والتآكل

تؤثر كثافة الزنك على مقدار الكتلة النشطة التي يمكنك تعبئتها في خلية بحجم معين. لحسابات كثافة الطاقة الحجمية، يقوم المهندسون بضرب الكتلة النشطة (كجم) في السعة المحددة؛ وتعتبر قيم الكثافة الدقيقة ضرورية للتصميم على مستوى الخلية.

أمثلة وقوالب مُجربة

مثال 1 - الكتلة من الحجم

تحتاج إلى كتلة كتلة من الزنك 200 مم × 150 مم × 50 مم × 50 مم:

• الحجم = 0.2 × 0.15 × 0.15 × 0.05 = 0.0015 م³

• الكتلة = الكثافة × الحجم = 7,134 كجم-م³ × 0.0015 م³ = 10.701 كجم

مثال 2 - كتلة الطلاء من السُمك

مساحة اللوحة غير القابل للصدأ 2 متر مربع، طلاء الزنك المطلوب 20 ميكرومتر:

• حجم الطلاء = المساحة × السماكة = 2 م² × 20×10-⁶ م = 4×10-⁵ م³

• الكتلة = 7,134 كجم-م³ × 4×10-⁵ م³ = 0.28536 كجم → 285.36 g إجمالي الزنك المستخدم.

هذه القوالب البسيطة هي أساس تقدير التكاليف وميزانية الأوزان وتخطيط العمليات.

المزالق الشائعة عند تحديد الكثافة

• عدم ذكر درجة الحرارة - تتغير الكثافة بتغير درجة الحرارة؛ حدد دائمًا درجة الحرارة المرجعية (على سبيل المثال، 20 درجة مئوية).

• الخلط بين "الزنك" وسبائك الزنك - السبائك لها كثافات مختلفة؛ قم دائمًا بتسمية معيار السبيكة (Zamak- أو ZA- أو ASTM، إلخ).

• استخدام الكثافة السائبة مقابل الكثافة الحقيقية بشكل غير صحيح - تتطلب المساحيق والمسبوكات المسامية والأجزاء الرغوية تعريفات مختلفة.

• تجاهل الغازات المحتبسة/المسامية - يمكن أن تكون الكثافة الظاهرية أقل بكثير من القيم النظرية للمسبوكات ذات المسامية الانكماشية.

ملاحظات السلامة والتخزين المتعلقة بالكثافة والانتقالات الطورية

الكثافة مهمة في مناولة الذوبان: الوزن لكل وحدة حجم من الزنك المصهور والكتلة المرتبطة بالبوتقات والمغارف تملي قدرات الرفع وضغوط جدار البوتقة. ونظرًا لأن الزنك المنصهر أقل كثافة من الصلب في البيئة المحيطة، يجب أن تكون أنظمة التسوية والتغذية ذات حجم مناسب لتجنب التناثر والحث على التغذية المناسبة أثناء التصلب.

الأسئلة الشائعة

1. س: ما هي قيمة الكثافة المقبولة للزنك النقي المستخدم في الهندسة؟
   A: الاستخدام 7.13-7.14 جم-سم مكعب عند درجة حرارة 20 درجة مئوية تقريبًا للحسابات القياسية؛ اذكر قاعدة بيانات المواد أو جداول العناصر في المواصفات.

2. س: كيف يمكنني تحويل كثافة الزنك إلى كجم-م³؟
   A: اضرب g-cm-³ في 1000. إذن، 7.134 جم-سم³ = 7,134 كجم - متر مكعب.

3. س: هل تتغير كثافة الزنك بشكل ملحوظ عند انصهاره؟
   A: نعم - عادةً ما يكون الزنك السائل عند درجة الانصهار في منتصف-6 جم -3 النطاق؛ تعتمد القيمة الدقيقة على درجة الحرارة. استخدم كثافة السائل عند درجة حرارة الصب لحسابات الصب.

4. س: ما طريقة القياس التي تعطي أدق كثافة للزنك الصلب؟
   A: بالنسبة للمعادن السائبة, القياس الهيدروستاتيكي (أرخميدس) أو حساب المقياس الشبيكي (للكثافة النظرية) قياسي؛ أما قياس الغازات فهو الأفضل للمساحيق.

5. س: كيف تؤثر السبائك مع الألومنيوم على كثافة الزنك؟
   A: يقلل الألومنيوم من متوسط الكثافة لأن الألومنيوم ≈ 2.70 جم-سم-³؛ وتتدرج كثافة السبيكة مع التركيب والتوزيع المرحلي.

6. س: ما هي الكثافة التي يجب أن أستخدمها عند تقدير كتلة طلاء الزنك للجلفنة؟
   A: استخدم الكثافة الصلبة (7.134 جم-سم-³) وقم بتحويل السمك إلى كتلة لكل مساحة (الكتلة = الكثافة × السمك). قم بالتقريب إلى الأرقام المعنوية المناسبة لتقدير التكلفة.

7. س: كيف يتم تحديد كثافة الزنك في ورقة البيانات الفنية؟
   A: اذكر القيمة، ودرجة الحرارة المرجعية (على سبيل المثال، "الكثافة: 7.134 جم-سم-م³ عند درجة حرارة 20 درجة مئوية"، وطريقة القياس والمرجع القياسي (NIST/RSC/CRC).

8. س: هل تغير المسامية الكثافة المذكورة في أوراق بيانات المواد؟
   A: تُظهر أوراق بيانات المواد عادةً الكثافة النظرية بالنسبة للسبائك الصلبة؛ يجب قياس الكثافة الظاهرية أو السائبة للأجزاء المسامية أو الملبدة وتحديدها بشكل منفصل.

9. س: بالنسبة للعمليات ذات درجات الحرارة العالية، كيف يمكنني ضبط الكثافة؟
   A: استخدم معامل التمدد المعتمد على درجة الحرارة أو بيانات الكثافة المجدولة مقابل بيانات درجة الحرارة لاستقراء الكثافة عند درجة حرارة التشغيل.

10. س: أين يمكنني العثور على قيم موثوقة للكثافة؟
    A: معاهد المقاييس الوطنية والمجموعات ذات السمعة الطيبة (NIST PML، الجدول الدوري RSC، كتيب CRC، كتيبات علم المعادن التي راجعها الأقران).

لغة المواصفات العملية

الكثافة (مرجعية): 7.134 جم-سم مكعب عند درجة حرارة 20 درجة مئوية (زنك صلب، بلوري). طريقة القياس: طريقة أرخميدس (ISO XYZ / ASTM ABC). المرجع: مدخل الجدول الدوري RSC وبيانات التركيب الخاصة بـ NIST PML.

اطلب دائمًا شهادات الدفعة التي توضح الكثافة المقاسة (إذا كانت حرجة) وشهادة السبيكة (التركيب الكيميائي) للسماح بحساب الكثافة المتوقعة للكمية الموردة.

قائمة مرجعية قصيرة للمهندسين الذين يحتاجون إلى استخدام كثافة الزنك

• اذكر درجة الحرارة المرجعية.

• قم بتسمية المادة بدقة (الزنك النقي أو تسمية سبيكة محددة).

• اختر نوع الكثافة الصحيح: النظري مقابل الظاهري مقابل السائل.

• استخدم طرق قياس معتمدة واطلب شهادات يمكن تتبعها.

• قم بتطبيق تحويلات الحجم → الكتلة بشكل متسق في قائمة المواد والخدمات اللوجستية.

ملاحظات عملية ختامية

بالنسبة لمعظم المهام الصناعية والهندسية، فإن استخدام 7.13-7.14 جم-سم³ للزنك في درجة الحرارة المحيطة توفر تحويلات موثوقة من الكتلة إلى الحجم وحسابات التكلفة. عند العمل مع الزنك المنصهر أو السبائك أو المساحيق أو العمليات الحساسة لدرجات الحرارة، حدد درجة الحرارة وتركيبة السبيكة واستخدم طرق قياس يمكن تتبعها أو جداول موثوقة للحصول على قيمة الكثافة الصحيحة.

مراجع موثوقة

• RSC - الزنك (مربع حقائق العناصر والثوابت الفيزيائية)
• PubChem - الزنك (صفحة العناصر: الخواص الفيزيائية والتحويلات)
• NIST PML - التركيب والبيانات المرجعية للزنك
• MoltenSalt.org - كثافات العناصر المنصهرة (الكثافات السائلة عند نقاط الانصهار)
• سبرينغر المرجعي - الزنك: الخواص الفيزيائية والكيميائية (فصل / مدخل كتيب)