Получение и применение сплавов на основе Ni - Zr

 

• изготовление  порошков из продуктов металлургического  передела - разработана технология  изготовления порошков антифрикционного и конструкционного назначения, порошков для фильтрующих материалов, для  тормозных устройств буровых  установок, для изготовления порошковой сварочной проволоки. Технология включает операции диспергирования расплавов  из продуктов металлургического  передела (чугун, сталь, отходы производства) и восстановления порошков-сырцов в  среде водорода. Основным преимуществом  разработанной технологии является доступность сырья и широкий  спектр назначения порошков.

 

• развитие  теории газофазного получения ультра- и высокодисперсных порошков (УДП и ВДП) металлов и сплавов, создание новых материалов на их основе;

 

• разработка  новых технологий газофазногоцинкования стали и систем защитных покрытий;

 

• изучение  механизмов защиты стали от коррозии и износа при трении, связанных  с участием УДП и ВДП металлов и сплавов;
• развитие квантово-статистических методов и моделей расчета концентрационной зависимости термодинамических свойств сплавов в кристаллическом, жидком и аморфном состояниях;

 

• изучение  физико-химических свойств и строения металлических, оксидных и солевых  расплавов с использованием моделей  жидкого состояния;

 

• термодинамическое моделирование и прогнозирование  взаимодействий в многокомпонентных  гетерофазных неорганических системах и формирование банка данных;

 

• развитие  методов компьютерного моделирования  для описания процессов формирования в экстремальных условиях затвердевания  расплавов и конденсации паров  поликомпонентных металлических систем при активирующем воздействии водорода.

 
 

Инновационно-технологический центр «Академический»

Директор центра – к.т.н. Бейлин Е.Л. Научный руководитель – академик Леонтьев Л.И. Центр организован  в 1998 г.

Основные направления  деятельности:

• Координация и поддержка инновационной деятельности малых предприятий, реализующих научно-технические разработки учёных УрО РАН;
• Создание и развитие инфраструктуры малого инновационного предпринимательства;
• Помощь в освоении и внедрении новых технологий и «ноу-хау» с использованием патентов и лицензий третьих лиц;
• Содействие в привлечении финансовых ресурсов для реализации в производстве наукоёмких технологий.

 

Патентно-информационный отдел

Зав. отделом  – Сандлер Л.А.

Основные направления  работы:

• Обеспечение научно-исследовательских разработок патентной информацией и патентной защитой;
• Комплектация специализированного патентного фонда (более 40000 единиц хранения).

 

Планово-экономический  отдел и бухгалтерия 

Главный экономист  – Вахнина Н.А. Главный бухгалтер  – Шалагинова Е.В.

Задачи отдела:

• Осуществление плановой и финансово-хозяйственной работы в Институте;
• Совершенствование программного обеспечения по планированию и учёту затрат Института;
• Участие в выполнении научно-исследовательских работ Института, методическая помощь по экономическим вопросам.

 

Научная библиотека

Зав. библиотекой  – Красикова О.А.

Библиотека Института  является филиалом Центральной научной  библиотеки УрО РАН. Создана в 1985 г., фонд – более 30000 экземпляров.

Основные задачи:

• Обеспечение сотрудников Института научно-технической информацией;
• Регулярное проведение выставок новой литературы, поступающей в библиотеку;
• Пополнение библиотечного фонда.

 
 
 

3.2. Сплавы и лигатуры  на основе системы  ниобий – цирконий (Nb-Zr)

3.2.1. Общая характеристика  элементов 

Цирко́ний (лат. Zirconium; обозначается символом Zr) — элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40. Простое вещество цирконий (CAS-номер: 7440-67-7) — блестящий металл серебристо-серого цвета с плотностью 6,5- 103 кг/м³ и температурой плавления 1857° С. Цирконий обладает высокой прочностью на разрыв 10 000-105 н1м2, имеет высокую стойкость к кислотам и щелочам, к морской воде. Используют его для легирования стали и изготовления специальных сплавов с медью. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Zr с гексагональной решёткой типа магния, β-Zr с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe, температура перехода α↔β 863 °C[1].Пыль циркония представляет собой вещество с большой пожаро- и взрывоопасностью, поскольку может самовоспламениться на воздухе.

Цирконий в виде двуокиси впервые был выделен в 1789 году немецким химиком М. Г. Клапротом в результате анализа минерала циркона.

Происхождение самого слова циркон неясно. Возможно, оно происходит от арабского zarkûn (киноварь) или от персидского zargun (золотистый цвет). [www.wikipedia.ru]; [http://n-t.ru].

Ниобий — элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат.Niobium). Простое вещество ниобий (CAS-номер: 7440-03-1) — блестящий металл серебристо-серого цвета с плотностью 12,7 кг/м³ и температурой плавления 1950° С. Весьма устойчив к кислотам и щелочам, применяется как легирующая добавка к специальным сталям. Ниобий был открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий».

В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, IUPAC) элементу окончательно было присвоено название ниобий.[www.wikipedia.ru]; [http://n-t.ru]. 

3.2.2. Производство ниобия 

Руды ниобия - обычно комплексные и бедны ниобием, хотя их запасы намного превосходят  запасы руд тантала. Рудные концентраты  содержат Nb₂O₅: пирохлоровые - не менее 37%, лопаритовые - 8%, колумбитовые - 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% ниобия) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение ниобия и тантала и получение их чистых химические соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов.

Основные  промышленные методы производства ниобия и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb₂O₅ и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и оксид (V) при 1800-1900 °С в вакууме - металл; для получения сплавов ниобия в эту смесь добавляют оксиды легирующих металлов; по другому варианту ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb₂O₅ сажей. Натриетермическим способом ниобий восстанавливают натрием из K₂NbF₇, алюминотермическим - алюминием из Nb₂O₅.

Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные  из порошков штабики в вакууме при 2300 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Одним из методов  очистки ниобия, является электрорафинирование в солевом расплаве. В этом методе, черновой ниобий погружается в электролит состоящий из смеси расплавленных хлоридов (иногда фторидов) металлов и является анодом. На катоде, при пропускании тока, выделяется чистый металл. Вид осадка, зависит от многих факторов (плотность тока, состав электролита, температура и т.п.). Обычно, таким методом получают порошки металла, которые затем применяются в электротехнике (производство конденсаторов). 
 

3.2.3. Производство циркония

Основным  промышленным источником получения  циркония является минерал циркон ZrSiO₄. Циркониевые руды обогащаются гравитационными методами с очисткой концентратов магнитной и электростатической сепарацией. Металл получают из его соединений, для производства которых концентрат вначале разлагают. Для этого применяют: 1) хлорирование в присутствии угля при 900-1000 °С (иногда с предварительной карбидизацией при 1700-1800 °С для удаления основной части кремния в виде легколетучего SiO); при этом получается ZrCl₄, которыи возгоняется и улавливается; 2) сплавление с едким натром при 500-600 °С или с содой при 1100 °С: ZrSiO₄ + 2Na₂CO₃ = Na₂ZrO₃ + Na₂SiO₃ + 2CO2; 3) спекание с известью или карбонатом кальция (с добавкой СаCl₂) при 1100-1200 °С: ZrSiO₄ + ЗСаО = CaZrO₃ + Ca₂SiO₄; 4) сплавление с фторосиликатом калия при 900 °С: ZrSiO₄ + K₂SiF₆ = K₂ZrF₆ + 2SiO₂.

Из спека или плава, полученного в случаях щелочного вскрытия (2,3), вначале удаляют соединения кремния выщелачиванием водой или разбавленной соляной кислотой, а затем остаток разлагают соляной или серной; при этом образуются соответственно оксихлорид и сульфаты. Фтороцирконатный спек (4) обрабатывают подкисленной водой при нагревании; при этом в раствор переходит фтороцирконат калия, 75-90% которого выделяется при охлаждении раствора.

Для выделения  соединений циркония из кислых растворов  применяют следующие способы: 1) кристаллизацию оксихлорида циркония ZrOCl₂·8H₂O при выпаривании солянокислых растворов; 2) гидролитическое осаждение основных сульфатов цирконий хZrO₂·ySO₃·zH₂O из сернокислых или солянокислых растворов; 3) кристаллизацию сульфата циркония Zr(SO₄)₂ при добавлении концентрированной серной кислоты или при выпаривании сернокислых растворов. В результате прокаливания сульфатов и хлоридов получают ZrO₂.

Соединения  циркония, полученные из рудного сырья, всегда содержат примесь гафния. Цирконий отделяют от этой примеси фракционной  кристаллизацией K₂ZrF₆, экстракцией из кислых растворов органических растворителями (например, трибутилфосфатом), ионообменными методами, избирательным восстановлением тетрахлоридов (ZrCl₄ и HfCl₄).

Цирконий  в виде порошка или губки получают металлотермическим восстановлением ZrCl₄, K₂ZrF₆ и ZrO₂. Хлорид восстанавливают магнием или натрием, фтороцирконат калия - натрием, а оксид циркония (IV) - кальцием или его гидридом. Электролитический порошкообразный цирконий получают из расплава смеси солей галогенидов Циркония и хлоридов щелочных металлов. Компактный ковкий Цирконий получают плавлением в вакуумных дуговых печах спрессованных губки или порошка, обычно служащих расходуемым электродом. Цирконий высокой степени чистоты производят электроннолучевой плавкой слитков, полученных в дуговых печах, или прутков после иодидного рафинирования. 

3.2.4. Способ получения  сплава Nb-Zr 

Известен  способ изготовления цирконий-ниобиевого сплава и изделий из него, предназначенных  для использования в высокотемпературной  водной среде водяного реактора. Этот способ позволяет обрабатывать сплавы, содержащие, масс.ниобий 0,5-2,0; олово 0,9-1,5; третий компонент из группы, включающей железо, хром, молибден, ванадий медь, никель и вольфрам 0,09-0,11; цирконий остальное.

Частицы в микроструктуре получаемого из этого сплава изделия равномерно распределены в матрице циркониевого сплава; средний размер частиц составляет менее 800 А.

Способ  включает следующие стадии: изготовление слитка и обработка давлением  с получением заготовки; бэта-обработка (закалка) заготовки; первоначальная механическая обработка заготовки при температуре ниже 650oС; бэта-отжиг (с быстрым охлаждением); механическая обработка путем многостадийной холодной обработки при температуре менее 650oС; отжиг между стадиями холодной обработки при температуре 500-650oC; конечный отжиг при температуре ниже 650oC.

Описанный способ обеспечивает равномерное распределение  мелких частиц в микроструктуре сплава, что делает его устойчивым к коррозии и насыщению водородом в среде  высокотемпературного водяного пара атомных  реакторов.

Однако  указанный способ может быть использован  только для производства изделий  из циркониевых сплавов, содержащих третий компонент не более 0,25 мас. Использование этого способа для изделий из сплавов с более высоким содержанием третьего компонента (0,3-0,6 мас.) приводит к повышенному проценту брака по микротрещинам после первой холодной прокатки с достаточно высокими степенями обжатия, применяемыми на практике.