Dichte von Zinkmetall: Messung, technische Anwendungen

Reines Zinkmetall hat einen Dichte bei Raumtemperatur von etwa 7,13-7,14 g-cm-³ (≈7,134 kg-m-³) in seiner üblichen festen Form (hexagonale/tetragonale Strukturen je nach Allotrop). Dieser Wert findet sich durchweg in modernen Referenzsammlungen und ist der praktische Wert, der für technische Massenberechnungen, Kostenschätzungen und Gussdesign verwendet wird.

Was Dichte für ein Metall bedeutet

Die Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit eines Materials (üblicherweise ausgedrückt in Gramm pro Kubikzentimeter, g-cm-³, oder Kilogramm pro Kubikmeter, kg-m-³). Für Ingenieure und Metallurgen ist die Dichte unter anderem für folgende Zwecke von Bedeutung: Umrechnung von Gewicht in Volumen für den Versand und die Materialkalkulation, Abschätzung des Sink-/Schwimmverhaltens in Prozessflüssigkeiten, Berechnung der Trägheit und der spezifischen Steifigkeit für die Konstruktion und Vorhersage der Erstarrungsschrumpfung bei Gießvorgängen. In den folgenden Abschnitten werden diese Anwendungsfälle mit konkreten Werten und Arbeitstabellen begründet.

Standardreferenzwerte für Zink (fest und flüssig)

• Üblicher fester Wert (nahe 20 °C): 7,134 g-cm-³ (in modernen Quellen oft als 7,13-7,14 g-cm-³ angegeben). Dies ist die anerkannte technische Zahl, die in Datenblättern und Tabellen der Elementeigenschaften verwendet wird.

• Flüssig (am Schmelzpunkt): Wenn Zink schmilzt (m.p. ≈ 419,5 °C), sinkt seine Dichte - die allgemein angegebenen Werte für die Flüssigkeit bei m.p. liegen in der Nähe von ≈6,57 g-cm-³ (die Flüssigkeitsdichte bei m.p. hängt von der Messquelle und der genauen Temperatur ab).

Ingenieure runden oft auf 7,14 g-cm-³ (≈7,140 kg-m-³) für schnelle Berechnungen; in den maßgeblichen Zusammenstellungen werden je nach Ausgabe und Messtemperatur 7,133-7,14 angegeben.

Temperatur- und Phasenabhängigkeit

Die Dichte ist temperaturabhängig, da sich das Volumen des Metalls bei Wärme ausdehnt. Für Zink:

• Die Festphasendichte in der Nähe der Umgebung ist der Ausgangswert (~7,13 g-cm-³ bei 20 °C).

• Mit steigender Temperatur führt die thermische Ausdehnung zu einer allmählichen Verringerung der Dichte bis zur Schmelzumwandlung (Anmerkung: kristalline Allotrope und Phasenübergänge führen zu einem nichtlinearen Verhalten in der Nähe der Umwandlungstemperaturen). Hochwertige Kompilationen und einige metallurgische Handbücher enthalten tabellarische Dichten im Verhältnis zur Temperatur und die für die Interpolation erforderlichen Koeffizienten.

• Die flüssige Phase am Schmelzpunkt zeigt einen weiteren Abfall auf Werte, die je nach Quelle und genauer Temperatur etwa im mittleren 6 g-cm-³-Bereich liegen (≈6,5-6,9 g-cm-³). Für die Abschätzung der Gießmasse ist die Flüssigkeitsdichte bei der Gießtemperatur die richtige Eingabe.

Kristallstruktur, Phasen und Mikrostruktureffekte

Zink zeigt bei niedrigen Temperaturen ein anderes strukturelles Verhalten (bei sehr niedrigen Temperaturen findet eine α↔β-Umwandlung statt), und die normale Kristallpackung bei Umgebungstemperatur wirkt sich auf den Packungsanteil und damit auf die Dichte aus. Korngröße, Porosität und Kaltarbeit verändern die atomare Dichte nicht, wohl aber die scheinbar Schüttdichte (Hohlraumanteil) bei Pulvern oder porösen Gussstücken. Wenn Sie die Dichte für ein technisches Bauteil angeben, klären Sie, ob Sie meinen:

• Theoretische (kristallographische) Dichte - berechnet aus den Gitterparametern und dem Atomgewicht;

• Scheinbare Schüttdichte - umfasst Hohlräume/Porosität und Oberflächenrauhigkeit;

• Archimedische Dichte (Flüssigkeitsverdrängung) - praktische Methode, die im Labor für Feststoffe verwendet wird.

Wie Legierungen und Verunreinigungen die Dichte von Zink verändern

Jede Hinzufügung eines anderen Elements verändert das Masse-Volumen-Verhältnis. Beispiele:

• Zink-Aluminium-Gusslegierungen (ZA)Aluminiumzusatz senkt die durchschnittliche Dichte im Vergleich zu reinem Zink (abhängig vom Al-Anteil).

• Zink-Kupfer-Legierungen (messingähnlich)Kupfer ist dichter (~8,96 g-cm-³), so dass die Zugabe von Cu die Legierungsdichte erhöht.

• Spurenkontaminanten (Blei, Eisen, Zinn) verändern die Dichte nur geringfügig, können aber für die Preisgestaltung bei hohen Stückzahlen oder bei gewichtsbeschränkten Designs von Bedeutung sein.

Bei der Beschaffung/Spezifikation ist immer die genaue Legierungsbezeichnung (z. B. ZA-8, Zamak-3) und nicht "Zink" anzugeben, wenn es um Masse oder volumetrische Präzision geht.

Messmethoden und Rückführbarkeit auf Normen

Gängige Messverfahren in Labor und Industrie:

• Hydrostatisches Verfahren (Archimedes) - wird häufig für Fertigteile verwendet; ergibt nur bei ordnungsgemäßer Versiegelung eine scheinbare Dichte einschließlich geschlossener Porosität.

• Gaspyknometrie - misst das tatsächliche Festkörpervolumen ohne geschlossene Porosität; nützlich bei Pulvern.

• Röntgen-/Neutronenbeugungs-Gitterparameter-Methode - berechnet die theoretische Dichte aus den Gitterkonstanten für kristalline Metalle.

• Online-/Ex-situ-Prozess-Dichtemessung - für Metallschmelzbäder mit Tauchsonden oder elektromagnetischen Methoden verwendet.

Rückführbarkeit: Verwenden Sie zertifizierte Referenzmaterialien und -methoden, die sich auf nationale Metrologieinstitute (NIST, NPL, PTB) beziehen, wenn hohe Genauigkeitsanforderungen bestehen. Für Elementdichte und thermophysikalische Konstanten sind maßgebliche Zusammenstellungen zu konsultieren (NIST, CRC, RSC, von Fachleuten geprüfte Metallurgie-Texte).

Umrechnungstabellen und Schnellreferenztabellen

Tabelle 1 - Physikalische Kernkonstanten für reines Zink (Referenzbedingungen)

Tabelle 2 - Umrechnung von Einheiten (praktisch)

Tabelle 3 - Dichten: Zink im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Metallen (schneller Konstruktionszusammenhang)

Auswirkungen auf Design und Herstellung

Verzinkung

Zink wird häufig für die Feuerverzinkung verwendet, da es aufgrund seiner Dichte eine geeignete Beschichtungsmasse pro Flächeneinheit darstellt: Wenn Sie die Zinkdichte kennen, können Sie die Beschichtungsdicke (Mikrometer) in Masse pro Fläche (g-m-²) umrechnen, um Bestands- und Kostenschätzungen vorzunehmen. Beispiel: Eine Beschichtung von 10 µm entspricht der Masse ≈ (Dichte × Dicke) = 7,134 g-cm-³ × 0,001 cm = 0,007134 g-cm-² → 71,34 g-m-².

Druckguss und Schrumpfung

Schrumpfungszuschläge beim Zinkdruckguss werden anhand von Volumenänderungen bei der Erstarrung berechnet. Da flüssiges Zink eine deutlich geringere Dichte hat als der Feststoff bei Raumtemperatur, muss die Erstarrungskontraktion bei der Konstruktion von Anschnitten und Speisern berücksichtigt werden, um innere Hohlräume zu vermeiden; verwenden Sie die Flüssigkeitsdichte bei Gießtemperatur und die Feststoffdichte bei Raumtemperatur, um die volumetrische Schrumpfung zu schätzen.

Batterieanoden und Korrosion

Die Dichte von Zink beeinflusst, wie viel aktive Masse in eine Zelle mit einem bestimmten Volumen gepackt werden kann. Für die Berechnung der volumetrischen Energiedichte multiplizieren die Ingenieure die aktive Masse (kg) mit der spezifischen Kapazität; genaue Dichtewerte sind für die Auslegung auf Zellebene unerlässlich.

Praktische Beispiele und Vorlagen

Beispiel 1 - Masse aus Volumen

Sie benötigen die Masse eines Zinkblocks von 200 mm × 150 mm × 50 mm:

• Volumen = 0,2 × 0,15 × 0,05 = 0,0015 m³

• Masse = Dichte × Volumen = 7,134 kg-m-³ × 0,0015 m³ = 10.701 kg

Beispiel 2 - Beschichtungsmasse aus Dicke

Rostfreie Plattenfläche 2 m², erforderliche Zinkschicht 20 µm:

• Volumen der Beschichtung = Fläche × Dicke = 2 m² × 20×10-⁶ m = 4×10-⁵ m³

• Masse = 7,134 kg-m-³ × 4×10-⁵ m³ = 0,28536 kg → 285.36 g insgesamt verwendetes Zink.

Diese einfachen Vorlagen bilden die Grundlage für die Kostenschätzung, die Gewichtsbudgetierung und die Prozessplanung.

Häufige Fallstricke bei der Angabe der Dichte

• Keine Angabe der Temperatur - Die Dichte ändert sich mit der Temperatur; geben Sie immer die Referenztemperatur an (z. B. 20 °C).

• Verwechslung von "Zink" mit Zinklegierungen - Legierungen haben unterschiedliche Dichten; nennen Sie immer die Legierungsnorm (Zamak-, ZA-, ASTM-Sorte usw.).

• Falsche Verwendung der Schüttdichte im Vergleich zur tatsächlichen Dichte - Pulver, poröse Gussteile und geschäumte Teile erfordern unterschiedliche Definitionen.

• Ignorieren von eingeschlossenem Gas/Porosität - Die scheinbare Dichte kann bei Gussstücken mit Schrumpfungsporosität deutlich unter den theoretischen Werten liegen.

Sicherheits- und Lagerungshinweise in Bezug auf Dichte und Phasenübergänge

Bei der Handhabung von Schmelzen spielt die Dichte eine wichtige Rolle: Das Gewicht pro Volumeneinheit des geschmolzenen Zinks und die damit verbundene Masse der Tiegel und Pfannen bestimmen die Hebekapazitäten und die Belastung der Tiegelwände. Da geschmolzenes Zink bei Raumtemperatur eine geringere Dichte hat als ein Feststoff, müssen Nivellier- und Zuführsysteme so dimensioniert sein, dass Spritzer vermieden werden und eine ordnungsgemäße Zuführung während der Erstarrung gewährleistet ist.

FAQs

1. F: Was ist der akzeptierte Dichtewert für reines Zink, das in der Technik verwendet wird?
   A: Verwenden Sie 7,13-7,14 g-cm-³ bei ~20 °C für Standardberechnungen; zitieren Sie die Materialdatenbank oder Elementtabellen in Spezifikationen.

2. F: Wie rechne ich die Dichte von Zink in kg-m-³ um?
   A: Multipliziere g-cm-³ mit 1000. Also 7,134 g-cm-³ = 7,134 kg-m-³.

3. F: Ändert sich die Dichte von Zink erheblich, wenn es geschmolzen wird?
   A: Ja - flüssiges Zink liegt beim Schmelzpunkt typischerweise in der mittel-6 g-cm-³ Bereich; der genaue Wert hängt von der Temperatur ab. Verwenden Sie für die Gussberechnungen die Flüssigkeitsdichte bei Gießtemperatur.

4. F: Welche Messmethode liefert die genaueste Dichte für festes Zink?
   A: Für lose Metalle, hydrostatische Messung (Archimedes) oder die Berechnung von Gitterparametern (für die theoretische Dichte) sind Standard; bei Pulvern ist die Gaspyknometrie am besten geeignet.

5. F: Wie wirkt sich die Legierung mit Aluminium auf die Dichte von Zink aus?
   A: Aluminium verringert die durchschnittliche Dichte, da Al ≈ 2,70 g-cm-³; die Dichte der Legierung hängt von der Zusammensetzung und der Phasenverteilung ab.

6. F: Welche Dichte sollte ich verwenden, wenn ich die Masse der Zinkschicht für die Verzinkung schätze?
   A: Verwenden Sie die Festkörperdichte (7,134 g-cm-³) und rechnen Sie die Dicke in Masse pro Fläche um (Masse = Dichte × Dicke). Runden Sie bei Kostenschätzungen auf die entsprechenden signifikanten Zahlen.

7. F: Wie kann die Zinkdichte in einem technischen Datenblatt angegeben werden?
   A: Geben Sie den Wert, die Referenztemperatur (z. B. "Dichte: 7,134 g-cm-³ bei 20 °C"), die Messmethode und die Standardreferenz (NIST/RSC/CRC) an.

8. F: Verändert die Porosität die in den Materialdatenblättern angegebene Dichte?
   A: Materialdatenblätter zeigen normalerweise theoretische Dichte für die feste Legierung; bei porösen oder gesinterten Teilen muss die scheinbare oder die Schüttdichte gemessen und separat angegeben werden.

9. F: Wie stelle ich bei Hochtemperaturprozessen die Dichte ein?
   A: Verwenden Sie einen temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten oder tabellierte Dichte-Temperatur-Daten, um die Dichte bei der Betriebstemperatur zu interpolieren.

10. F: Wo finde ich verbindliche Dichtewerte?
    A: Nationale Metrologieinstitute und anerkannte Kompilationen (NIST PML, RSC Periodensystem, CRC Handbook, von Fachleuten geprüfte Metallurgie-Handbücher).

Praktische Spezifikationssprache

Dichte (Referenz): 7,134 g-cm-³ bei 20 °C (fest, kristallines Zink). Messverfahren: Archimedes-Methode (ISO XYZ / ASTM ABC). Referenz: Eintrag im RSC-Periodensystem und NIST PML-Zusammensetzungsdaten.

Verlangen Sie immer Chargenzertifikate mit der gemessenen Dichte (falls kritisch) und das Legierungszertifikat (chemische Zusammensetzung), um die erwartete Dichte für die gelieferte Charge berechnen zu können.

Kurze Checkliste für Ingenieure, die die Zinkdichte verwenden müssen

• Geben Sie die Referenztemperatur an.

• Benennen Sie das Material genau (reines Zink oder spezifische Legierungsbezeichnung).

• Wählen Sie die richtige Dichteart: theoretisch, scheinbar oder flüssig.

• Verwenden Sie zertifizierte Messverfahren und verlangen Sie rückführbare Zertifikate.

• Wenden Sie die Umrechnung Volumen → Masse in Ihrer Stückliste und Logistik konsequent an.

Abschließende praktische Hinweise

Für die meisten industriellen und technischen Aufgaben ist die Verwendung von 7,13-7,14 g-cm-³ für Zink bei Umgebungstemperatur liefert zuverlässige Masse-Volumen-Umrechnungen und Kostenberechnungen. Wenn Sie mit geschmolzenem Zink, Legierungen, Pulvern oder temperaturempfindlichen Prozessen arbeiten, geben Sie die Temperatur und die Legierungszusammensetzung an und verwenden Sie rückverfolgbare Messmethoden oder maßgebliche Tabellen für den richtigen Dichtewert.

Maßgebliche Referenzen

• RSC - Zink (Element-Factbox und physikalische Konstanten)
• PubChem - Zink (Elementseite: Physikalische Eigenschaften und Umrechnungen)
• NIST PML - Zusammensetzungs- und Referenzdaten für Zink
• MoltenSalt.org - Dichten von geschmolzenen Elementen (Flüssigkeitsdichten bei Schmelzpunkten)
• Springer Reference - Zink: Physikalische und chemische Eigenschaften (Kapitel/Handbucheintrag)