» » Применение бериллия, его сплавов и соединений
28.04.2015

Бериллий

Около 90% выпускаемой бериллиевой продукции приходится на долю различных сплавов преимущественно на медной основе. Остальную часть бериллиевой продукции составляет бериллий, который в последние годы находит значительное применение при постройке и экс плуатации атомных реакторов.
Бериллий применяется как материал для замедлителей в тепловых ядерных реакторах в нем удачно сочетаются небольшой атомный вес, малая величина эффективного сечения захвата тепловых нейтронов и относительно высокое эффективное сечение рассеяния. По этим же соображениям бериллий представляет интерес и как материал для отражателей ядерных реакторов Бериллий может быть также легирующим элементом и плакирующим покровным материалом для стержней, представляющих собой ядерное горючее.
Эффективное сечение рассеяния характеризуется для некоторых материалов следующими величинами, подтверждающими возможность применения для этой цели бериллия:
Применение бериллия, его сплавов и соединений

Рассеивающие и поглощающие свойства замедлителей, названные термином «нейтронное сечение», характеризуют как само ядро, так и величину энергии нейтрона, бомбардирующего ядро.
В табл. 3 приведены главнейшие из числа известных замедлителей и даны некоторые их свойства, подтверждающие эффективность применения в качестве замедлителя бериллия.
Другим важным свойством замедлителей является их способность действовать одновременно и в качестве отражателя.
Применение бериллия, его сплавов и соединений

Количество расщепляющегося материала, необходимое для прохождения цепной реакции при нулевом уровне энергии, называется критической массой. Критическая масса может быть уменьшена за счет погружения внутрь ядерного горючего стержней из материала, являющегося одновременно замедлителем и отражателем нейтронов, благодаря чему их рассеяние сводится к минимуму. Применение в качестве мате риала отражателя бериллия позволяет достигнуть значительного уменьшения количества ядерного горючего, помещаемого в реактор, что в свою очередь уменьшает объем активной зоны реактора и ведет к повышению его мощности.
Небольшое количество бериллия применяется для изготовления «окон» рентгеновских трубок, где большое значение имеют хорошая проницаемость бериллия для рентгеновского излучения и высокая температура его плавления.
Применение бериллия в рентгеновских трубках позволяет пользоваться ими для тонких рентгеноструктурных исследований, а также для рентгенотерапии с помощью длинноволновых излучений большей интенсивности.
Вследствие того что скорость распространения звука в бериллии почти в два с половиной раза больше, чем в стали, а также благодаря его малой плотности и большому модулю прочности, бериллий применяют для изготовления деталей акустической аппаратуры.
Однако важнейшим свойством, лежащим в основе промышленного применения бериллия, является его способность вызывать старение в сплавах, особенно на медной или никелевой основах. Большой интерес представляет также обнаруженная лишь недавно способность к старению чистого бериллия.
В литературе рассматривается также возможность применения бериллия как конструкционного металла в самолетостроении.
Сплавы медь—бериллий (бериллиевые бронзы)

Диаграмма состояния системы медь — бериллий представлена на рис. 1.
Бериллиевую бронзу вырабатывают в виде ленты, прутков, проволоки, листов и труб. Ковке и последующей прокатке подвергают заготовки, отлитые в землю, под давлением, в кокиль, в пластифицированные или постоянные изложницы.
Применение бериллия, его сплавов и соединений

Бериллиевые бронзы подразделяются на высокопрочные и хорошо электропроводные Высокопрочные сорта бронзы, содержащие более 1,5% бериллия, обладают максимальными значениями прочности и твердости, в то время как электропроводные сорта, содержащие менее 0,75% бериллия и обладающие, как правило, весьма высокими значениями электро- и теплопроводности, имеют гораздо более низкую прочность и твердость. Следует отметить, что предел пропорциональности этих бедных меднобериллиевых сплавов практически такой же, как и у сплавов, богатых бериллием
Некоторые объекты применения высокопрочных и очень твердых сортов бериллиевой бронзы перечислены ниже: пружины, мембраны, подшипники, детали авиамоторов, изложницы для изготовления пластмасс, прецизионные отливки, валки, гребные винты, детали поршневых насосов, шестерни, безыскровой инструмент, детали клапанов, сепараторы подшипников, пружинящие шайбы и прокладки, детали орудийных затворов.
Бериллиевые бронзы, обладающие хорошей электропроводностью, содержат от 0,25 до 0,7%бериллия и от 1,5 до 2,5% кобальта или никеля, добавка которых ведет к измельчению зерна в сплавах и к стабилизации полученной структуры. В специальные сорта бронз иногда вводят добавки серебра или хрома либо обоих этих элементов Некоторые виды изделий из бериллиевой бронзы, обладающей хорошей электропроводностью, перечислены ниже: сварочные электроды для сварки сопротивления; зажимы и электроды для точечной, шовной, стыковой и рельефной сварки; выключатели; перерыватели тока, распределительные устройства; зажимы для сварки сопротивления; электрододержатели; пинцеты рубильников; скользящие контакты; контакты электрических автоматических устройств, наконечники токоподводов.
Эффективность применения бериллиевой бронзы в перечисленных изделиях связана с наличием у нее многих полезных качеств, а именно:
1) превосходная способность к обработке давлением до термообработки или старения,
2) исключительное улучшение физических свойств после обычной термообработки;
3) хорошая электро- и теплопроводность;
4) весьма высокая устойчивость против усталости и ударных нагрузок;
5) стойкость против коррозии, близкая к коррозионной стойкости меди;
6) устойчивость под нагрузкой и отсутствие остаточной деформации,
7) легкость обработки резанием (в отожженном или в полутвердом состоянии);
8) возможность получения широкого диапазона механических свойств при изменении содержания бериллия в бронзе и условий ее термообработки;
9) превосходные литейные свойства;
10) немагнитность и отсутствие искрения при ударах;
11) устойчивость при повышенных температурах.
Сплавы никель—бериллий

Диаграмма состояния системы никель—бериллий показана на рис. 2.
Эти сплавы, способные воспринимать термообработку, представляют значительный интерес благодаря наличию у них высокой прочности и твердости. Однако выпуск их пока ограничен.
Применение бериллия, его сплавов и соединений

По пластичности и стойкости против коррозии никелевобериллиевые сплавы очень сходны с нержавеющими сталями, а по прочности, твердости и модулю упругости сравнимы с высокопрочными легированными сталями. По литейным свойствам, а также по способности к обработке давлением в незакаленном или отожженном состоянии никелевобериллиевые сплавы превосходят указанные выше сорта сталей.
Механические свойства никелевобериллиевых сплавов после термообработки близки к свойствам меднобериллиевых сплавов и нержавеющей стали, однако не обладают хорошей электропроводностью, присущей меднобериллиевым сплавам. Сплавы на никелевой основе, содержащие около 2% Be» деформированные на холоду и затем подвергнутые термообработке, имеют предел прочности 182 кг/мм2, удлинение 8,3% (на образце длиной 100 мм) и твердость 480 HB.
Никелевобериллиевые сплавы находят себе некоторое применение для изготовления пружин прецизионных устройств, работающих в условиях высоких температур, игл и хирургических инструментов в медицине В литом состоянии эти сплавы применяются для изготовления матриц в станках для сверления алмазов, форм для горячего прессования пластмасс, форм многократного использования для получения прецизионных профильных отливок, деталей насосов для подачи авиагорючего и сходных с этим применений, а также для изготовления деталей машиносчетных устройств и многих других видов оборудования.
Сплавы железо—бериллий

Диаграмма состояния системы железо—бериллий представлена на рис. 3.
Применение бериллия, его сплавов и соединений

Железобериллиевые сплавы привлекали к себе одно время значительное внимание. Однако для этих сплавов не было найдено заметной области промышленного применения вследствие весьма крупнокристаллической структуры. Добавка к железобериллиевым сплавам никеля способствует измельчению зерна и значительному улучшению качества сплава. Твердость сплава (содержащего 1% Be и 6% Ni) после его упрочнения закалкой и состаривания достигает 600 HB. Хромоникелевые стали, содержащие 12% Cr, 11% Ni и 1% Be, обладают большой прочностью и твердостью при повышенных температурах; о возможности применения таких сплавов для изготовления пружин, стойких при температуре красного каления, сообщалось еще в 1931 г.
Примерный состав некоторых выпускаемых в США сплавов этой группы приведен в табл. 4.
Применение бериллия, его сплавов и соединений

Бериллиевый «элинвар» под названием «ниварокс» благодаря отсутствию способности к удлинению с температурой применяется для часовых пружин на швейцарских часовых фабриках. Добавка бериллия способствует сохранению термоупругих свойств сплавов и сообщает им способность к старению, придающему пружинам твердость и упругость, не уступающую твердости и упругости пружин из углеродистой стали. Пружины из бериллиевого «элинвара» немагнитны.
Бериллиевый «контрацид» применяется во всех случаях, где требуется высокая прочность и хорошая устойчивость против коррозии.
«Тикониум», в котором сочетаются хорошие литейные и прочностные свойства, а также коррозионная стойкость, в литом состоянии используется для зубопротезировання.
«Элджилой» обладает превосходной коррозионной стойкостью и механическими свойствами, позволяющими применять его для изготовления часовых пружин, хирургических инструментов и т. п.
Различные сплавы с бериллием

Недавно были исследованы свойства нового бериллиевого сплава на основе цинка, содержащего 0,1% Be и от 2 до 2,5% Cu, ставшего известным под названием «Zncube» и перспективного в смысле возможности его промышленного применения.
Магний не образует сплавов с бериллием. Однако уже незначительная присадка бериллия (около 0,005%) к магнию или сплавам на магниевой основе резко снижает их способность к горению при отливке и к окислению при плавке. Одновременно присадка бериллия способствует получению мелкозернистой структуры, благодаря чему основной фактор, ограничивавший применение магниевых сплавов (их крупнозернистая структура), может практически не приниматься во внимание.
Алюминий образует с бериллием эвтектику (1,4% Be) с точкой плавления 644°, растворимость бериллия в твердом алюминии и алюминия в твердом бериллии крайне невелика. Диаграмма состояния системы алюминий — бериллий приведена на рис. 4. Хотя при лабораторных испытаниях бериллиевоалюминиевые сплавы обнаружили хорошие свойства, особенно в условиях повышенных температур, их промышленное применение ограничено из-за трудности получения однородных слитков, связанной с весьма интенсивной ликвацией.
Вместе с тем введение небольших добавок бериллия (0,1—0,5%) широко применяется при выплавке алюминиевых сплавов. Присадка бериллия повышает жидкотекучесть таких сплавов и способствует получению мелкозернистой структуры.
Применение бериллия, его сплавов и соединений

За последнее время в иностранной литературе появились сообщения о возможности применения листов из алюминиевобериллиевого сплава, содержащего до 35% бериллия, для обшивки фюзеляжей самолетов, обладающих зазвуковой скоростью, а также для изготовления оболочек самоуправляемых ракет-снарядов и искусственных спутников земли.
Наиболее перспективной является присадка небольших количеств бериллия (0,005—0,3%) к алюминиевомагниевым сплавам для уменьшения окисления при плавке, а также для уменьшения взаимодействия между сплавом и влагой песчаной формы.
Была исследована роль присадки бериллия к ряду алюминиевых литых и деформируемых сплавов и установлено, что добавка 0,1% бериллия и 0,25% титана к дюралюминию значительно уменьшает предрасположение этого сплава к растрескиванию в процессе шовной роликовой сварки.
Бериллий применялся также для легирования сложного алюминиевого сплава, предназначенного для изготовления головок цилиндров авиационных моторов воздушного охлаждения.
Алюминиевобериллиевый сплав благодаря достаточной прочности, малой способности к рассеянию и почти аморфной структуре применяется для изготовления реплик в электронной микроскопии.
Представляет интерес ряд сообщений о введении небольших присадок бериллия в платину и в некоторые металлы платиновой группы.
Так, например, несмотря на то, что растворимость бериллия в платине составляет всего 0,25%, присадка 0,35% бериллия ведет к увеличению прочности платины в 5 раз.
Сплавы платина—бериллий могут заменять сплавы платина—иридий. Сплавы платины с 0,03—0,06% бериллия используются для изготовления дюз при производстве стеклянной ваты; сплав платины с 0,08% бериллия и 5—10% вольфрама заменяет осмиевоиридиевые сплавы, используемые для изготовления наконечников перьев авторучек. Для той же цели применяют сплавы рения с I—2% бериллия.
Указывается, что небольшие добавки бериллия упрочняют молибден в интервале температур 760—870° значительно сильнее, чем присадка любого другого легирующего элемента. Бериллий благоприятно влияет как раскислитель при дуговой плавке богатых молибденовых сталей.
Соединения бериллия

Окись бериллия применяется в атомном реакторостроении для той же цели, что и бериллий, а также в электротехнической промышленности — для изготовления специальных сортов изоляторов и некоторых составов люминесцентных ламп. Кроме того, она применяется для изготовления огнеупорной керамики (труб, тиглей).
Чистая окись бериллия служит также основным сырьем для изготовления бериллия и меднобериллиевой лигатуры по технологии, принятой в США.
Другие соединения бериллия практически не имеют самостоятельного применения и используются только как промежуточные полуфабрикаты при получении бериллия, его окиси или сплавав. К числу таких соединений относятся, например, сульфат бериллия, фторобериллат натрия, фторобериллат аммония, фторид бериллия и некоторые другие бериллиевые соли; технология получения первых четырех соединений приведена ниже.