» » Сплавы на основе циркония
07.02.2017

Среди свойств циркония важное техническое значение имеет высокая коррозионная стойкость, что делает его ценным материалом для изготовления различных ответственных деталей химических и других аппаратов. В частности, в связи с тем что цирконий наряду с высокими антикоррозионными свойствами характеризуется малым сечением захвата тепловых нейтронов, он может быть использован как один из ценных конструкционных материалов в реакторах для производства атомной энергии.
С целью повышения механических и антикоррозионных свойств циркония как конструкционного материала ведутся многочисленные исследования по изучению структуры и свойств различных сплавов на циркониевой основе.
Аналогично титану, легирование циркония относительно небольшими добавками других элементов приводит к существенному упрочнению циркония без заметного ухудшения, а иногда даже и с улучшением его антикоррозионных свойств. В качестве легирующих металлов применяют ниобий, тантал, молибден, марганец, олово, алюминий и др.
Цирконий является близким аналогом титана и обладает изоморфной с ним кристаллической решеткой как в области α-, так и β-фаз. Поэтому характер взаимодействия циркония с другими элементами при образовании сплавов, типы соответствующих диаграмм состояния, структуры сплавов в зависимости от составов и условий термообработки — во многом аналогичны сплавам на основе титана и не будут здесь подробно рассматриваться. Можно лишь указать, что среди перечисленных выше металлов, исследуемых в качестве легирующих добавок к цирконию, так же как и для титана, олово и алюминий являются стабилизаторами α-фазы, а другие из указанных металлов — стабилизаторами β-фазы циркония.
Сплавы на основе циркония

На рис. 167 схематически показано сравнительное упрочняющее воздействие различных легирующих добавок к цирконию при кратковременных испытаниях при 500°. Эти данные позволяют выявить возможности эксплуатации различных циркониевых сплавов при повышенных температурах.
Зависимость физико-механических свойств сплавов на циркониевой основе от температуры иллюстрируется, например, на сплаве Zr+1,3% Mo. Этот сплав после прокатки и отжига при 700° приобретает следующие свойства:
Сплавы на основе циркония

Примером, показывающим сопротивление циркониевых сплавов ползучести, может служить сплав Zr + 4,8% Sn. Предел прочности при растяжении при кратковременном испытании этого сплава при 500° составляет 22 кг/мм2, а при длительном испытании при 500° в течение 100 час.— 18,5 кг/мм2.
Значительный интерес представляют сплавы циркония с ниобием и танталом, поскольку все эти металлы обладают весьма высокой коррозионной устойчивостью, сохраняющейся и в их сплавах. В то же время легирование циркония ниобием или танталом вызывает заметное упрочнение металла. В качестве призера высокой коррозионной стойкости можно привести сплав циркония с 3,7% Nb. Этот сплав испытывался в течение 6 суток в автоклаве в концентрированном растворе соляной кислоты (37%-ной) при 60 и 100° и давлениях соответственно 3 и 11 ат.
После такой обработки поверхности образцов сплава лишь незначительно потемнели. Скорость коррозии сплава при 60° составляла 0,0163 мм/год, а при 100° — 0,0627 мм/год.
Важно при этом отметить, что образцы этого сплава были выплавлены в индукционной печи с графитовым тиглем. Несмотря на то, что чистый цирконий, выплавленный в такой печи, показывает значительно худшую стойкость в соляной кислоте вследствие отрицательного влияния карбидных включений, образующихся в результате плавки в графитовом тигле, коррозионная стойкость сплавов с ниобием на основе такого циркония достаточно высокая. Как видно, добавка ниобия как легирующего элемента в сплав на основе циркония противодействует отрицательному влиянию примеси углерода в цирконии.
Высокие антикоррозионные свойства показывает сплав циркония с 10% тантала, в особенности выплавленный в дуговой печи в медном тигле. Прочность такого сплава при растяжении составляет 88 кг/мм2 при удлинении 9% и относительном уменьшении сечения на 15,3%, при твердости HВ = 250 кг/мм2.
Технология производства сплавов на основе циркония вполне аналогична технологии производства компактных ковких титана и циркония и титановых сплавов.