Zirconiul și Aliajele Sale

Zirconiul si aliajele sale

Zirconiul este un metal cu aspect cenusiu si lucios. În combinatii chimice, se gaseste în stare bi-, tri- sau tetravalenta, valenta cea mai des întîlnita fiind +4. Zirconiul metalic are o mare capacitate de a retine gazele (H2, N2, O2).

Zirconiul are 2 straturi cristalografdice, o faza ± (structura hexagonal compacta) si o faza ² (plane centrate cubic). Transformarea de faza a zirconiului pur din faza ± în faza ² la temperaturi înalte apare la 863 ± 50C iar temperatura de topire este de 1852 ± 20C.

Zirconiul pur (hexagonal compact) la temperatura camerei are parametrii retelei a= 3,23Å si c = 5,15Å, aceasta dând un coeficient c/a de 1,593. Prezenta elementelor de aliere si/sau cresterea temperaturii va creste coeficientul c/a.

Zr: [0001]

Figura.1. Structura hexagonal compacta

Zirconiul are o sectiune de absorbtie a neutronilor mica, o rezistenta la rupere, în stare aliata, apropiata de cea a otelurilor (vezi tabelele 1 si 2) si o rezistenta la coroziune foarte buna în multe medii, inclusiv în apa. Aceste calitati au facut ca alieajelede zirconiu sa fie cele mai raspândite materiale structurale, în reacroarele nucleare cu neutroni termici, moderate si racite cu apa.

Tabelul 1.Proprietatile fizice ale zirconiului

Sectiunea eficace de absorbtie pentru neutroni termici la 2 200 m/s 0,18

Densitate 6 500 kg/m2

Punct de topire 1 845 ± 250C

Coeficient d dilatare termica la 2500C [0C]-1

- pe axa c

- pe axa a

6,15 10-6

5,6910-6

Rezistivitatea electric[ [n©m]

-la 200C

- la 1000C

- la 4000C

420

590

1000

Conductivitatea termica [W/m K]

- la temperatura ambianta

20,9

Structura cristalina ( la temperatura ambianta ) Hexagonal compact

Constantele retelei (la temperatura ambianta) a0= 3,2321ú

c0=5,1474ú

Tabelul 2

Proprietatile mecanice ale zirconiului

Proprietate recopt Prelucrat la rece

Rezistenta la tractiune (102MPa) 4,28 - 5 11,42 – 12,85

Rezistenta la curgere (102MPa) 1,42 – 2,14 9,28 – 10,71

Alungire(%) 30 - 40 15

Duritate Rockwell 35 - 45 87 - 98

Procedee de fabricatie :

Obtinerea zirconiului implica o etapa chimica si o etapa metalurgica.

Etapa chimica cuprinde operatii care pornesc de la minereul extras ( cel mai raspîndit fiind un silicat de zirconiu denumit zircon), si se încheie cu obtinerea buretelui de zirconiu rafinat. Iata, pe scurt, una dintre variantele utilizate industrial:

-reducerea minereului, cu carbon, într-un cuptor electric cu arc, si obtinerea carbonitrurii de zirconiu;

-clorurarea carbonitrurii;

-punerea în solutie a clorurii si separarea zirconiului de hafniu, prin extractie cu un solvent organic;

-precipitarea si calcinare oxidului de zirconiu (ZrO2);

-obtinerea tetraclorurii de zirconiu prin clorurarea oxidului cu clor la temperatura de 8000C, în prezenta grafitului de înalta puritate;

-reducerea clorurii de zirconiu în stare de vapori, cu magneziu lichid la temperatura de 8000C, în urma careia rezulta buretele de zirconiu;

-purificare buretelui de zirconiu de incluziunile de clorura de magneziu si de magneziu metalic prin distilarea acestora în vid.

Buretele de zirconiu astfel obtinut trebuie sa se încadreze în perscriptiile calitative deosebit de severe pentru destinatii nucleare. Astfel, continutul de fier, carbon sau oxigen se limiteaza la cîteva parti pe milion (ppm) iar al altor elemente ca B, Cd, Li se situeaza sub 1 ppm. Metodele de analiza utilizate sunt foarte diverse, incluzînd fluorescenta de radiatii X, spectroscopia optica de emisie, etc.

Etapa metalurgica cuprinde o serie de operatii începînd cu obtinerea lingoului de aliaj si încheindu-se cu realizarea produselor finite (tevi, bare, sârme, benzi, etc.).

Lingoul se elaboreaza prin topirea în cuptoare cu arc, în vid, sau în cuptoare cu fascicul de electroni, în vid, a unei probe obtinute prin presarea buretelui de zirconiu, a deseurilor de zirconiu si a elelementelor de aliere (sub forma pura sau de aliaje).

Deformarea plastica la cald a lingoului se face prin procedeele clasice de forjare, laminare, extrudare, si urmareste atât obtinerea semifabricatelor de anumite forme cât si a unor structuri adecvate ale grauntilor. Sunt necesare precautii deosebite pentru evitarea impurificarii cu gaze sau cu alte elemente în cursul prelucrarii.