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1、 Introduction to metallurgy,properties and availablity Fabrications processes Corrosion properties and applications Project management Safety Available services Corrosion solutions toolkit Appendix*1 锆、钛和鈮简介*2 提纲 金属的历史和资源 主要应用 物理和冶金特性 材料规格*3 金属的历史:名称来源 锆 钛 钽 鈮*4 锆的来源 锆主要来自两种矿石: 锆英石 斜锆石*5 工业锆 从海边沙滩中开
2、采 锆英石 澳大利亚 美国佛罗里达州 斜锆石 南非 俄罗斯*6 最大的锆矿 南非 澳大利亚 俄罗斯 美国 印度*7 锆英石的主要用途 陶瓷釉料遮光剂 耐火材料 铸模 阴极射线管及光纤用玻璃 高级陶瓷 磨料 化工产品 金属材料*8 钛的来源 钛主要来自于两种矿石: 金红石 钛铁矿*9 工业钛来源 从海边沙滩或矿藏中开采 钛铁矿 澳大利亚 加拿大 挪威 俄罗斯 金红石 澳大利亚 赛拉利昂 南非*10 最大的钛矿 澳大利亚 美国 加拿大*11 金红石的主要用途 90-95%的金红石作为氧化钛颜料或遮光剂用于; 油漆和染料 纸张 塑料 其余5-10%的金红石用于: 钛金属和合金材料 焊条涂料 玻璃纤维
3、*12 鈮的来源 鈮由下列矿石中萃取: 烧绿石 鈮铁矿 钽铁矿*13 工业鈮来源 采矿 烧绿石 巴西 加拿大 鈮铁矿 尼日利亚 钽铁矿 巴西 非洲*14 最大的鈮矿 巴西 加拿大 两地供应全世界90%的鈮*15 锆的主要应用 核反应堆 化工设备 作合金成分*16 锆的核应用 核反应堆 压水堆 沸水堆 CANDU反应堆 燃料颗粒包覆材料 燃料包覆管*17 锆的核应用 反应堆内组件 槽管 隔离 棒材 热中子吸收截面低 高温蒸汽下防腐强*18 锆作为合金添加剂的应用 铝和镁合金: 控制晶粒大小和显微结构 钢: 用于脱氧*19 鈮的主要应用 合金材料 钢 不锈钢和高温钢 高温合金 超导线材 核磁共振
4、原子加速器 湿氧化工艺 火箭喷嘴*20 鈮的主要应用 防腐作用用于浓硝酸生产设备用于带氧化剂的盐酸和溴化氢用于液溴的生产 镀铂阳极的基底 镀铬设备和镀铬溶液回收系统 鈮的一个特点,和大多数防腐合金不同,在于能容许一 定量的氟离子存在*21 鈮合金的主要应用 鈮-1锆: 钠蒸汽灯零件 液体金属的容器和管道 鈮-55钛: 湿氧化设备 在干湿氯交替出现的场合，鈮和鈮合金是理想的材料*22 锆的萃取 克罗尔工艺 ZrCl4+2Mg=Zr+2MgCl2 在钢制坩埚里分批操作 从氯化镁团块除去多余的镁 所得的锆成烧结多孔“海绵”状 海绵锆经真空蒸馏净化*23 冶金 机械，物理和热力学特性 材料规格 常规产
5、品*24 冶金和特性 锆的晶体结构 锆702在865相变，从相（密排六方晶格）到 相（ 体心立方晶格） 锆705在854 相变，从 锆 鈮相（密排六方体 心立方晶格） 到相（体心立方晶格） 各向异性 锆和钛显示出强烈的各向异性，这是由它们在室温时 六方密排的晶格结构造成的 机械性能根据方向变化*25 鈮的机械性能： 鈮是具有韧性和延展性的金属。硬化缓慢。在退火前 可压缩95以上。箔材和丝材都易制造。 气体杂质（如：氧）会大大减低鈮的延展性。 加入锆、钛和其它多种元素能大大提高鈮的强度。 鈮合金在高温时能保持高强度。用于高温场合鈮合金 涂有保护膜。*26 通用编号：锆 锆702非合金：R6070
6、2 锆704Zr-Fe-Cr-Sn:R60704 锆705Zr 2-3%Nb:R60705 锆706Zr 2-3%Nb:R60706 低氧锆 用于爆炸复合 用于高成形要求场合*27 通用编号： 高温合金 鈮：R04210 鈮-1锆：R04261 钽： R05210*28 制造过程 成形 清理和酸洗 机械加工 铸造 焊接 热处理*29 锆的成形过程 轧制成形 冷弯冲压成形 需要考虑的因素： 成品的半径 阴阳模具的质量 板材表面的状态 热处理的条件 表面情况*30 封头成形 封头的模压成形 如有模具，应选此法加工 封头为一整体，无焊接 旋冲技术 在无模具时采用（一般用于大尺寸封头） 可能要用两块板
7、焊接起来才有足够尺寸*31 封头成形 旋冲技术 用两板焊接成一块，焊缝必须经过处理，把隆起和缺 口去除掉。 焊接的板材必须在成形之前作应力释放。*32 锆封头成形的注意点 仔细审查工序： 模具的状态和间隙 毛坯的表面情况 全面退火的冶金条件 表面最好要彻底酸洗 提高温度有助于成形 对多步成形，要考虑中间应力释放退火*33 封头成形 材料的检查和搬运 检查板材有否擦伤，麻点等 用细砂轮把表面缺陷处理掉 用叉车搬运时，叉上要加上保护套*34 锆封头成形推荐的工序 材料加热 把材料放入氧化/中性炉内，炉温至少为260 或260- 427 避免火焰碰到材料，以减少氢的吸收。 模具加热 成形模具加热至2
8、00 左右，用示温色笔或高温计检 查温度*35 封头成形推荐的工序 封头半径成形 从炉内取出板材，用压力/模具加工（加工材料的温度 应保持在150 以上，如有需要再加热） 重复加热和成形步骤直至达到要求半径 可用火焰喷灯或高温辐射加热器对加工材料作局部加 热来保持温度在150 以上。 检验 肉眼观察 染色探伤*36 锆封头成形的工序 清理 用非金属粒喷砂作表面清理 注：铁砂会嵌入锆材料造成潜在腐蚀因素 最终封头外形染色探伤*37 板材成形的注意点 板材成形时要注意 有回弹的倾向 容易有刻痕引起的裂缝 锆材有咬合倾向 在室温下，用标准成形设备可以把厚达19mm的板材，弯 至5t半径。 加温至26
9、0-427 可使弯曲半径更小，而且能减少出现裂 缝的机会。*38 板材加工 作法兰成形加工时材料要再次加热 在法兰成形前，考虑在530-593 先对成形的封头作 应力释放 法兰成形后，加热至150 以上作必要的尺寸复原*39 弯曲管材 锆管和不锈钢材料相同，可用普通弯管设备成形 改进可成形性 顶杆上用较多的成形球 润滑剂 较慢的成形速度*40 研磨清理 雾状喷砂 钢砂喷砂 之后要用酸洗除去砂粒 石屑喷砂 玻璃珠喷砂 干冰喷砂*41 化学清理 乳浊浸渍清洗液 蒸汽去脂剂 丙酮 碱性清洗剂 去垢剂*42 酸洗和去氧 酸洗 用25-50硝酸，3-7氢氟酸，余额为水的溶液来对 锆作酸洗或化学浸蚀清理
10、锆设备用酸洗浆糊来清洗 之后用碱水和清水洗液 去氧化皮 熔融的碱性盐浴 碱性化合物*43 锆的机械加工 普通方法 基本原则 速度缓慢 进刀量大 冷却系统里加大量溶于水的润滑剂 锆有咬合和加工硬化的倾向 如果切割不光滑，表面会粘上杂质形成氧化物*44 锆、钛和钢及镍基合金比较 弹性模量低 熔点高 膨胀系数高 导热系数好 密度高 表面张力好*45 焊接接头的设计和准备 接头形式有对接，填角，U型，V型，双U或双V型。 接头必须平滑，清洁，没有杂质。 毛口必须挫掉 接缝好非常重要*46 接头的准备工作 机械加工 和不锈钢相同但易咬合与擦伤 用碳化钨或高速钢工具 研磨 用氧化铝或金刚砂轮 研磨速度要慢
11、 研磨轮的颗粒必须在焊接前除去*47 接头的最后清理 所有接头的两面必须至少清理至距接缝25毫米的地方，最 好至50毫米。 用钢丝刷清理。 两面都要用专用的不锈钢丝刷 机械加工后必须经过溶剂清洗（不含氯的溶剂） 去污剂清理，冲洗和干透 酸洗 HF/HNO3/水 线材必须用沾有溶剂的无绒抹布清理*48 焊接参数 所有定位焊应和生产焊接一样对待，要清洁和良好的屏蔽 只要可能，每一道焊接都要用钢丝刷刷过 用填充金属时，应连续地把填充金属加入熔融池。关电弧 时，未熔的填充料应在保护气罩内或切掉。 使用起弧板。 在不损坏屏障的前提下，焊接的热量越高越好 所有的喷嘴线管在焊接前都要用气体清理过 热应力在冷
12、却时造成的变形，可以用分段焊接来纠正*49 焊接操作注意点 对活泼金属不能使用二氧化碳气体 气体纯度非常重要 事先应检验焊接设备是否漏气 凝气罐会有助于保证气体纯度 气流量要适度，以妥善地屏蔽焊缝 专用设备，即一种材料一套设备*50 锆705的焊接 焊接的过程和非合金锆材料一样 锆705的焊缝易受延迟氢化物裂纹损伤 焊接后必须退火释放应力，减少受延迟氢化物裂纹损伤的 机会*51 氢污染 氢可能来自空气中的水分或不清洁并且潮湿的环境 氢会导致焊接开裂 氢在锆里有极快的扩散率 氮污染 从空气中吸收 一般情况下，是焊缝和热影响区冷却时屏蔽不够完善 造成 大幅度增加焊缝的硬度 局部氮会造成焊接开裂*5
13、2 焊缝的残留应力 由于锆的弹性模量低，一般较低 残留应力是由于焊缝和周围的胀缩率有差别而造成的 成形的零件焊接后要做应力释放*53 锆的焊后热处理 锆702 一般不需要，除非有高度热应力存在，为了增加抗疲 劳能力，或在大量冷加工后恢复延展性 如果材料是用于超过55浓度，接近沸点的硫酸，就 需要经过高温处理 锆705 因易受延迟氢化物影响，所有焊接都需要作应力释放 处理，无论材料用于何处 如果材料是用于超过55浓度，接近沸点的硫酸，就 需要经过高温处理*54 不同金属的焊接 锆不能和大多数结构金属焊接在一起 锆只可以和钛，铪，鈮，钒和钽焊接 对这些金属直接熔焊，会使固溶体硬化，大幅度减低焊接
14、区的弯曲延展性，绝大多数情况下防腐性能也会降低 在考虑把锆和不类似金属焊接，作结构应用时，必须极其 谨慎*55 锆设备热处理 为了达到最好的物理，机械和防腐性能 和其它材料的标准工艺过程一样，但对锆的特性多加注意 对锆设备作热处理 减少加工造成的残余应力 在会产生应力腐蚀的媒介里改善抗腐能力 改进焊缝在高浓度硫酸里的防腐性能 增加氧化膜厚度，以改善抗冲刷和磨蚀性*56 锆设备热处理类型 消除应力热处理 加厚氧化膜热处理 完全退火*57 热处理 锆和钛的应力消除处理 用来减低由焊接，成形或机械加工引起的残余应力 锆合金一般是在538到595 作应力消除处理的 工业钛合金一般是在480 到595
15、作应力消除处理 锆的氧化膜加厚处理 氧化膜加厚处理的温度和应力消除的温度相同，时间 保持长些，以加厚氧化膜，增加抗咬合性能及耐磨性能 氧化膜的硬度接近蓝宝石 此工艺用于涡轮叶片，搅拌器叶片，泵，铸件，阀门 ，紧固件，塔盘等锆零件*58 热处理 氧化膜加厚处理 加厚处理可以在空气，熔盐或硫化床进行 氧化膜颜色从灰到暗黑，取决于高温下在空气里暴露 的时间和表面的粗糙度 氧化膜厚约0.005-0.03毫米*59 设备在热处理前的准备 容器，零件和炉子应在热处理之前清除油脂或脏物 容器或零件在热处理过程中应作妥善支撑 避免火焰直接碰击材料 避免烧油环境下吸收氢 要用氧化或中性火焰 在适当位置安放热电偶非常重要，这是为了确保能达到正 确的热处理参数*60 热处理 在考虑热处理时要重新审查物理性质 热导热系数 膨胀系数 要保持适
