Цирконий и его сплавы

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЦИРКОНИЯ

Цирконий (Zr) относится к числу тугоплавких элементов. Он открыт в 1879 г. Название его происходит от названия минерала циркония, содержащего элемент. Цирконий существует в двух модификациях. До 863°С устойчивой является модификация α с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой, а от 863°С и до температуры плавления - модификация β с объемноцентрированной кубической кристаллической решеткой. При полиморфных превращениях происходит значительное изменение объема циркония. Физические и механические свойства циркония приведены ниже:

Чистый цирконий обладает очень высокой пластичностью, которая сохраняется даже при температуре жидкого азота. Однако прочностные характеристики циркония невысоки. Примеси, присутствующие в цирконии, как правило, повышают его прочность и уменьшают пластичность. Предел прочности и предел текучести циркония резко уменьшаются с повышением температуры и становятся весьма малыми уже при 500°С, при температуре выше 400°С интенсивно развивается и ползучесть. Прочностные свойства циркония существенно повышаются путем нагартовки. Наиболее сильное упрочнение при холодной деформации достигается при степенях обжатия примерно до 20%.

Компактный цирконий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. На него не действуют концентрированная соляная и азотная кислоты, а также органические кислоты даже при нагревании до 100°С. По коррозионной стойкости в соляной кислоте цирконий уступает только танталу и благородным металлам.

Цирконий устойчив в горячих концентрированных растворах едкого натра и обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью при комнатной температуре в обычной и морской воде. При нагревании он устойчив в воде вплоть до 360°С. При более высоких температурах скорость коррозии циркония сильно возрастает. Для длительной работы в водяном паре при температурах, превышающих 427°С, цирконий непригоден.

Серная кислота относительно слабо действует на цирконий при концентрации менее 70%, но с повышением концентрации скорость коррозии циркония резко возрастает. Царская водка, плавиковая и концентрированная фосфорная кислоты растворяют цирконий. Хлорная и бромная воды быстро вызывают точечную коррозию циркония.

Коррозионная стойкость циркония резко снижается под влиянием примесей:    азота,

углерода, титана, алюминия. Железо, никель и хром увеличивают коррозионную стойкость циркония. Сплавы циркония с оловом, дополнительно легированные железом, никелем или хромом, обладают весьма высокой коррозионной стойкостью.

Цирконий взаимодействует с газами при относительно низких температурах. Наиболее интенсивно он реагирует с водородом. Циркониевый порошок или губка поглощают водород при комнатной температуре. С повышением температуры скорость взаимодействия между ними увеличивается. Поглощение цирконием водорода сопровождается значительным увеличением объема металла. При температурах выше 800°С водород можно практически полностью удалить из циркония вакуумной экстракцией. Водород, растворяющийся в цирконии, существенно уменьшает его ударную вязкость при низких температурах. Водородная хрупкость циркония обнаруживается уже при содержании в нем водорода 0,001%. Водородная хрупкость циркония наблюдается также и после закалки с температур выше 315°С и последующего старения при температурах ниже 260°С.

Порошкообразный цирконий очень пирофорен. Тонкая стружка и опилки циркония легко загораются. При наличии в воздухе определенной концентрации циркониевой пыли и источника нагрева может произойти взрыв.

До последнего времени цирконий применяли главным образом в виде соединений и легирующих добавок к сплавам. Значительная часть его шла на изготовление высококачественных огнеупоров на основе двуокиси циркония, обладающей высокой температурой плавления, а также для изготовления специальных сортов фарфора, эмали и стекла. В форме металлического порошка цирконий находит применение во взрывчатках, зажигательных и осветительных смесях и в качестве геттера в различных электровакуумных приборах. Высокие антикоррозионные свойства циркония делают его пригодным для изготовления деталей химической аппаратуры и медицинского инструмента.

В производстве стали цирконий используется в качестве раскислителя, дегазатора и легирующего элемента. Добавка циркония в хромистые, никелевые, марганцовистые и в другие легированные стали резко повышает их пластические свойства; циркониевые стали хорошо свариваются.

Добавки даже незначительных количеств циркония или его соединений с фтором к литейным алюминиевым сплавам делают их мелкозернистыми, повышают пластичность и прочностные свойства. В таком же направлении действуют добавки циркония на магний и его сплавы.

В вакуумных лампах используют сплавы циркония с вольфрамом, что обеспечивает большую их жаростойкость, чем при применении вольфрама, молибдена, ванадия и ряда других металлов.

Наиболее широкой областью применения циркония в настоящее время являются атомные реакторы, где он выступает в качестве основного конструкционного материала. Это обусловлено малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов циркония, сочетающимся с высокой коррозионной стойкостью, высокой пластичностью и хорошей его обрабатываемостью. Кроме того, вследствие небольшого модуля упругости и исключительно малого коэффициента термического расширения возникающие при высоких температурах термические напряжения у циркония меньше, чем у стали и ряда других материалов.

Для изготовления конструкционных элементов атомных реакторов чаще всего, наряду с берилием, используют циркониевые сплавы. Легирующие добавки повышают прочность и теплопрочность циркония, а также нейтрализуют вредное влияние примесей. Обычно цирконий легируют оловом, алюминием, молибденом и ниобием, т. е. элементами, имеющими относительно малое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов.

Прочностные свойства и сопротивление ползучести при высоких температурах наиболее сильно повышают олово и алюминий, а молибден и ниобий оказывают более энергичное упрочняющее действие при комнатной температуре. Олово нейтрализует вредное влияние азота и углерода на коррозионную стойкость циркония при работе в воде и водяном паре. Это действие усиливается при одновременном введении с оловом железа, никеля и хрома.

Примерами промышленных циркониевых сплавов для атомных реакторов могут служить сплавы циркалой-2 и циркалой-3.