Производство сталей и сплавов

СВОЙСТВА ЦИРКОНИЯ

Компактный цирконий внешне напоминает сталь, поро­шкообразный цирконий – темно-серого цвета. Металл имеет две кристаллические модификации: гексагональную α-форму с периодами решетки а = 3,223 Å,

с = 5,123 Å, устойчивую до 1 135 К, куби­ческую гранецентрированную β-форму с периодом а = 3,61 Å, ус­тойчивую выше 1 135 К.

Чистый цирконий пластичен, легко поддается ковке, прокатке в листы, протяжке. Примеси кислорода, азота, углерода и водорода сильно влияют на механические свойства, поэтому они зависят от способа получения металла.

Цирконий стоек на воздухе, при нагревании компактных металлов до 573...873 К он покрывается пленкой оксида, а выше 1 073 К - быстро окисляется с образованием высшего оксида Zr0₂. Порошкообразный цирконий при 453...558 К окисляется на воздухе с воспламенением. Цирконий активно поглощает водород уже при температуре 573...675 К с образованием твердого раствора водорода в металле и гидрида ZrH₂. Выше 1 175 К цирконий быстро поглощает азот и активно взаимодей­ствует с окисью углерода. С азотом и углеродом цирконий образует весь­ма твердые и тугоплавкие соединения - нитриды и карбиды.

Некоторые физические свойства циркония приведены в табл. 52.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИРКОНИЯ

И ЕГО ОКСИДА

Цирконий, его сплавы и химические соединения применяют в различных областях техники. Основными являются: атомная энер­гетика, электроника, пиротехника и производство боеприпасов, машиностроение, производство сталей и сплавов с цветными метал­лами, производство огнеупоров (оксид), керамики, эмалей и стекла, литейное производство. В первых четырех областях применяется металлический цирконий или сплавы на его основе.

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В 1950 г. в связи с развитием атомной энергетики цирконий при­влек к себе внимание как конструкционный материал для энергети­ческих ядерных реакторов, поскольку у него малое сечение захвата тепловых нейтронов. Величина сечения захвата нейтронов измеря­ется в барнах. Чем больше эта величина, тем больше нейтронов по­глощает материал и тем сильнее препятствует развитию цепной реак­ции. Естественно, что для реакционной зоны реакторов выбираются материалы с минимальными сечениями захвата. У чистого металли­ческого циркония эта величина равна 0,18 барна. Многие более деше­вые металлы имеют сечение захвата того же порядка: у олова, напри­мер, оно равно 0,65 барна, у алюминия - 0,22 барна, а у магния - всего

06 барна. Но эти металлы легкоплавки и нежаропрочны.

Для использования циркония в атомной технике потребовалось решить сложную задачу очистки последнего от его химического ана­лога - гафния, сечение захвата нейтронов которого составляет 115 барн.

Из циркония и его сплавов изготавливают защитные оболочки для урановых тепловыделяющих элементов: каналы, в которых циркули­рует теплоотводящая жидкость, и другие детали конструкций ядерных реакторов. Единственным ограничением широкого применения цир­кония является его довольно высокая цена, что связано со сложностью отделения его от гафния. Проблема экономного разделения циркония и гафния еще не до конца решена практически.

И все-таки цирконий стал «атомным» металлом. Производство его увеличивается из года в год. За десятилетие, с 1949 по 1959 г., мировое производство циркония возросло в 100 раз. По американским данным, в 1975 г. оно составляло около 3 000 т, а в 1985 г. только атомной энергетикой потреблено 5 000 т циркония, 2 000 т использовано во­енными ведомствами и 1 000 т израсходовано в химическом маши­ностроении в целях придания различным металлам и сплавам повы­шенной коррозионной стойкости.

ПИРОТЕХНИКА И ПРОИЗВОДСТВО БОЕПРИПАСОВ

В этой области используют порошкообразный цирконий, име­ющий низкую температуру воспламенения и высокую скорость сго­рания. Порошки циркония применяют в качестве воспламенителей капсулей-детонаторов, а также в смесях для фотовспышек. В смесях с окислителями, такими как нитрат бария и бертолетова соль, по­рошки циркония образуют бездымный порох.

МАШИНОСТРОЕНИЕ

Сувеличением масштабов производства и снижением стоимос­ти циркония, его стали шире применять в химическом машиностро­ении как кислотостойкий материал для изготовления центрифуг, насосов, конденсаторов, испарителей; в общем машиностроении - поршней, шатунов, тяг и др; в турбостроении - лопастей турбин и других деталей; в ракетном двигателестроении и авиации.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

С ЦВЕТНЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Присадки циркония широко используют в производстве сталей в целях раскисления, очистки стали от азота, а также для связыва­ния серы. Кроме того, цирконий - ценный легирующий элемент, его вводят в некоторые сорта броневых и орудийных сталей, нержаве­ющих и жаропрочных сталей. Он входит в состав ряда сплавов на основе цветных металлов (меди, магния, свинца, никеля). В после­дние годы разработаны сверхпроводящие сплавы, сод ер- жащие цирконий. Они используются для электромагнитов с высокой напря­женностью магнитного поля и силой тока. Один из таких сплавов (75 % Nb и 25 % Zr) при 4,2 К выдерживает нагрузку до 100 000 А/см².