Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Свойства бериллия
В периодической системе элементов бериллий находится во второй группе, между литием и бором. Поэтому бериллий проявляет как металлические, так и неметаллические свойства. По химическим свойствам он близок к алюминию.
Бериллий имеет гексагональную плотноупакованную решетку с параметрами: а = 2,285А и с = 3,5831 А.
Электронное строение атома бериллия 1s2 2s2. Потенциалы ионизации бериллия первого и второго порядка соответственно равны 9,32 и 18,21 эв. Атомный радиус бериллия 1,13 А, ионный радиус Be2+0,34А.
Стабильный изотоп бериллия Be9, искусственный Be7 с периодом полураспада Т1/2, равным 53 суткам.
Ниже даны основные физико-механические свойства бериллия:
Бериллий обладает очень высоким модулем упругости и высокой прочностью. Удельная прочность бериллия при высоких температурах (400—500° С) выше удельной прочности сталей и тугоплавких металлов. Зависимость давления паров бериллия (атм) от температуры выражается уравнением
Igp = 6,186 + 1,459*10в-4Т - 16,700/Т.
Компактный бериллий устойчив на воздухе, однако при температуре выше 800° С скорость его окисления быстро возрастает. С водородом бериллий не реагирует, с азотом взаимодействует только при температуре выше 900° С с образованием нитрида бериллия Be3N2.
При температуре выше температуры плавления бериллий активно взаимодействует с углеродом, образуя карбид бериллия Be2C. С кремнием он образует силицид бериллия. Мелкодисперсный бериллий энергично реагирует с парами серы, селена и теллура.
Чистый металл устойчив против коррозии в воде, в расплавленных галлии, натрии, калии и литии, а также в расплавленных солях щелочных металлов эвтектического состава. Минеральные кислоты, кроме азотной, хорошо растворяют бериллий.
Чистый бериллий обладает очень малым поперечным сечением захвата тепловых нейтронов, равным около 0,01 барн. Поэтому содержание примесей в нем с большим поперечным сечением поглощения нейтронов, особенно примесей железа (2,34 барн), меди (3,6 барн), бора, марганца и других, должно быть минимальным. Бериллий обладает относительно высоким эффективным сечением рассеяния быстрых нейтронов, что в сочетании с малой атомной массой позволяет применять бериллий как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных установках.
Применение чистого бериллия
Промышленное использование чистого бериллия в ядерной технике началось с 1941 г.
Применение здесь бериллия позволяет достигнуть значительного уменьшения количества ядерного горючего, помещаемого в реактор, что в свою очередь уменьшает объем активной зоны реактора и повышает его мощность.
Исключительный интерес к бериллию определяется не только его ядерными свойствами, но и присущим этому металлу сочетанием малой плотности, высокой температуры плавления и высокой удельной прочности. Однако бериллий обладает большой хрупкостью. Так, например, удлинение технического бериллия составляет всего 1,9%. До сих пор, однако, отсутствует определенное мнение о причинах хрупкости бериллия. Рядом исследований показано, что с повышением чистоты бериллия возрастает его пластичность, особенно с уменьшением содержания примесей кремния, меди и алюминия. Высказываются предположения, что причиной хрупкости бериллия, подобно причине хрупкости циркония и титана, являются присутствующие в нем примеси кислорода, водорода и азота. Хрупкость бериллия объяснялась также особенностью его кристаллической структуры. Бериллий имеет компактную гексагональную решетку, сжатую вдоль главной оси, и поэтому вряд ли возможно получение его в пластичном состоянии. Однако эти предположения в дальнейшем не подтвердились, так как было показано, что главной причиной хрупкости бериллия является его недостаточно высокая чистота.
Решение же проблемы получения пластичного бериллия крайне важно для применения бериллия в авиации и в ракетной технике. За последние годы было проведено поэтому много работ, направленных на изыскание возможностей улучшения пластичности бериллия и в первую очередь путем глубокой очистки металла от примесей.
Небольшое количество чистого бериллия применяется для изготовления «окон» рентгеновских трубок, где большое значение имеют хорошая проницаемость бериллия для рентгеновского излучения и высокая температура его плавления.
Бериллий хорошо отражает ультрафиолетовые лучи, поэтому применяется в производстве бериллиевых зеркал напылением в вакууме. Бериллий является, прекрасным раскислителем, поэтому используется в качестве присадки для меди, никеля и других металлов.
Бериллий технической чистоты получают двумя способами. Первый способ — восстановление бериллия магнием из его фторида по реакции
BeF2 + Mg → MgF2 + Be.
Для очистки слитков бериллия от солей (MgF2 и BeF2) и примеси магния их переплавляют в вакууме. После вакуумного плавления содержание магния понижается до 0,03—0,05%, а фтора до 0,005%. Вакуумную плавку сочетают с центробежным литьем, при котором лучше удаляются соли и газы.
Ниже приводятся типичные результаты анализа металла после вакуумного плавления, %: 99,5 Be; 0,04 С; 0,11 Fe; 0,007Mn; 0,009Сr; 0,013Ni; 0,05Mg; 0,06Al; 0,00012В; 5*10в-5 Cd; 1*10в-4Li; 5*10в-4Ag; 2*10в-4Со.
Второй способ получения технического бериллия — низкотемпературный электролиз хлорида бериллия. Полученный этим способом бериллий содержит до 0,15%) Cl, ухудшающего свойства металла. После вакуумного плавления содержание хлора понижается до 5*10в-3%.
Процесс металлотермического получения бериллия более экономичен и обеспечивает более высокий выход металла, чем электролиз. Однако электролитический бериллий чище, чем металлотермический. Электролитический бериллий содержит меньше металлических примесей при равном содержании углерода и кислорода.
Бериллий, переплавленный в вакууме, находит применение в производстве сплавов и в некоторых случаях в ядерной энергетике. Однако механические свойства такого бериллия невысоки и зависят от способа его дальнейшей обработки,
Дуговая плавка бериллия в настоящее время применяется для переплавки металла, получаемого как металлотермическим, так и электролитическим способами. Для этого бериллий предварительно переплавляют в вакуумной индукционной печи для удаления хлоридов и оксихлоридов бериллия и отливают в слитки, которые после измельчения и горячего прессования в вакууме переплавляют в дуговой печи с расходуемыми электродами. После дуговой плавки содержание примесей составляет, % х10в-4: 400 O2, 100 N2, <50 F2, <30 Cl2, 580 Al, 50 Mg, 75 Co, 64 Cr. Однако в металле повышается содержание примесей железа, меди и хрома, которые попадают в бериллий из материала аппаратуры. При переплавке бериллия в дуговой печи выход его в слиток составляет 90%.
Одним из наиболее совершенных методов получения ковкого бериллия из металла технической чистоты является метод порошковой металлургии, который был положен в основу технологии завода по производству ковкого бериллия в Англии.
Ковкий бериллий предназначается для изготовления контейнеров с ядерным топливом, которые должны работать при температурах порядка 600° С. Технология производства ковкого бериллия состоит в следующем. Полученный электролизом чешуйчатый бериллий рафинируют плавкой в вакуумной индукционной печи. После плавки бериллий имеет крупнокристаллическую структуру и крайне хрупок. Для улучшения механических свойств его подвергают сухому измельчению до крупности —200 меш, затем обрабатывают в 10%-ной щавелевой кислоте и сушат в вакууме. Такая обработка приводит к снижению содержания примесей железа, хлора и кислорода.
Полученный бериллиевый порошок содержит следующее количество примесей, %: 0,3 BeO; 0,02 Fe; 0,007 Mn; 0,0006 Cr; 0,003 Si; 0,002 Mg; 0,004Al; 0,008 N; 0,02 Cl; 0,003 Fe; 0,01 Na.
Порошок помещают затем в графитовые изложницы и спекают в вакууме (10в-5 мм рт. ст.) при 1200°С. Прутки и трубы получают штамповкой. Относительное удлинение прутков, изготовленных выдавливанием из такого металла, составляет 20%.