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1、 锆锆 及及 锆锆 合合 金金 的的 焊焊 接接 讲讲 义义 目目 录录 1、 活性金属和难溶金属活性金属和难溶金属 2、 锆的基本概念及简介锆的基本概念及简介 2.1、锆的主要性质及用途、锆的主要性质及用途 2.2、锆的来源及提炼工艺 2.3、锆的分类 2.2、锆的来源及提炼工艺 2.3、锆的分类 3、锆的基本属性、锆的基本属性 4、锆材的性能的化学成分及物理性能、锆材的性能的化学成分及物理性能 4.1、锆材的化学成分、锆材的化学成分 4.2、锆的物理性能、锆的物理性能 5、锆材的力学性能及许用应力值、锆材的力学性能及许用应力值 5.1、锆材的常温力学性能、锆材的常温力学性能 5.2、锆材的
2、高温低温性能、锆材的高温低温性能 5.3、锆及合金不直接加热容器用锆的力学性能、锆及合金不直接加热容器用锆的力学性能 6、锆的金属学、锆的金属学 6.1、合金元素在锆中的作用、合金元素在锆中的作用 6.2、气体杂质元素在锆中的作用、气体杂质元素在锆中的作用 6.3、锆合金中合金元素分类 6.3、锆合金中合金元素分类 7、锆的焊接、锆的焊接 7.1、锆的基本属性、锆的基本属性 7.2、物理性能、物理性能 7.3、锆的焊接性、锆的焊接性 7.4、锆及合金的焊接工艺、锆及合金的焊接工艺 7.5、锆与其他金属的焊接 7.5、锆与其他金属的焊接 7.6、锆钢复合板的焊接 7.6、锆钢复合板的焊接 8、锆
3、铪及其化合物的应用、锆铪及其化合物的应用 8.1、原子能工业、原子能工业 8.2、锆在钢铁工业中的应用、锆在钢铁工业中的应用 8.3、在有色金属方面、在有色金属方面 8.4、化学工业、化学工业 1、活性金属和难溶金属、活性金属和难溶金属 1.1、活性金属是在高温下对氧和其他间隙 元素有很高亲和力的金属如锆、锆； 1.2、难溶金属是与铬相同或超过铬的熔点 的金属如铌、钽、钨、钼、铬、钒、铼等。 2、锆的基本概念及简介、锆的基本概念及简介 锆来自于阿拉伯语单词 zargun，为金色， 用来形容锆宝石（ZrSiO4） 。在 1789 年由 M.H.Klaproth（克拉普罗特）在 德国发现锆，182
4、4 年分离出非纯锆，1916 年李国钦博士创立华昌公司，在 1924 年制出具有延展性的锆金属并于 1947 年以试验规模生产出工业用锆， 1949 年采用镁热置还原法制备锆金属，1956 年建立锆厂，六十年代早期， 锆和锆开始用于防腐。1965 年锆合金用于核工业，1970 年代第一次在醋酸 生产中大规模使用锆。 2.1、锆的主要性质及用途、锆的主要性质及用途 锆锆(Zr)是第九种最普通元素，在地壳中含量丰富，占 0.025%,其地质含 量超过 Zn、 Pb、 Ni， 甚至超过 Cu、 Sn,储量为铜储量的 2.5 倍。 熔点 1882， 沸点为 4377，密度为 6.506g/cm3(20
5、) 。根据锆的性能特点，锆主要用于 核反应堆、 化工设备和作为合金成分三方面。锆的热中子吸收截面低 （0.18 靶） ，铪热中子截面高（105 靶） ；锆的原子序为 4a，原子量 91.224,如此， 锆被广泛得用于： （1）锆是一种热中质穿透材料； 在中子辐射下，锆的强度韧性不变，热中子的吸收截面小，是良好的 反应堆结构材料； （2）优异的耐蚀材料 锆对很多腐蚀介质均有很强的抗力，优良的抗酸、碱和液体金属腐蚀 能力，使锆成为当今热交换器、汽提塔、干燥塔、反应器阀门、管道系统 和核应用的优先选择材料。 （3）除氢除气材料，在低温条件下就开始吸氢。 （4）作为钢、铝、镁、铜、钼、锆、铌等的最好的
6、合金元素； 锆作为合金添加剂主要用于铝镁合金用于控制晶粒尺寸和微观结构，用 于钢中主要用来脱氧。 2.2、锆的来源及提炼工艺 2.2、锆的来源及提炼工艺 1）锆的来源 锆主要来自于两种矿石：锆英石和斜锆石；工业锆主要来源于海边沙 滩中中的锆英石和斜锆石，在澳大利亚、美国佛罗里达主要以锆英石为主， 南非、俄罗斯主要以斜锆石为主。 锆英石主要用在陶瓷釉料遮光剂、耐火材料、铸膜、阴极射线管及光 纤用玻璃、高级陶瓷、磨料和化工产品等。 2）锆的生产流程 锆的生产提炼工艺制备方法与锆基本相似，生产海绵锆的产量少，国 内需求量少，产量小。包括克罗而工艺，化学萃取工艺，主要有以下几个 主要程序： （1）锆英
7、石的备料 （2）锆英石的粗氯化 （3）除氯塔，回收四氯化硅、锆铪分离、溶解四氯化锆、调整溶液配 比并分离； 基本化学工艺方法如下： ZrO2-ZrCl2-MgCl2+Zr 海绵锆和海绵锆一样，制备后成分除了 O、H、N 之外，其他元素基本 不发生变化。 锆材铸锭的加工基本工艺流程： 海绵锆-真空烘干-组批混料-压单块电极-电极组焊-一 次电子束-切底垫-取样分析-氩弧焊箱内焊接-二次电子束- 扒皮取样分析成分-去头部-切除底垫-超声探伤-成品铸锭 2.3、锆的分类 2.3、锆的分类 锆可分为（1）核工业用锆，限制铪含量小于万分之几，都需要热处理； （2）非核工业用锆，铪含量可达 4%左右； 3
8、、锆的基本属性、锆的基本属性 锆是一种活性金属，对杂质元素的存在十分敏感，微量的杂质就可能 导致脆化。对环境气体中的氧、氮、氢等气体都有很强的亲和力。高温下， 锆容易很容易被气体污染发生氧化反应。在室温下就能与空气里的氧气反 应，形成一层氧化物保护膜。这层保护膜给了锆及合金极强的防腐蚀能力。 锆及锆合金在加热 400温度以下时，能被空气中的氧、氢、氮等所污 染，可分别产生脆性化合物，严重影响接头性能，对塑性的影响更为敏感。 一般情况下，为保持锆及合金等塑韧性，尽量限制锆中的氧含量降到最低。 空气中 200开始生成 ZrO3，在大约 550以上，与空气中的氧反应生成多 孔的脆性氧化膜，在 700
9、以上，锆能吸收氧而使材料严重脆化。在高温下 锆能与上述气体反应，氢在 300开始吸氢，在 4600锆能吸收氮 锆合金在低温下具有良好的延展性，较高的强度，氧元素具有间隙强化 作用，并且在低温下锆合金没有低温脆化转变。 4、锆材的性能的化学成分及物理性能、锆材的性能的化学成分及物理性能 4.1、锆材的化学成分、锆材的化学成分 锆材的化学成分和室温力学性能如表 1， 锆及合金的弹性模量随着温度 升高而迅速减小，比重比钢的小。表中显示室温温度下纵向和横向性能的 平均数值， 屈服强度和延伸率是用 0.2%永久变形测定的， 具有弹塑性变形。 并且某些性能受有向性的影响。这些性能包括热膨胀、屈服强度、极限
10、抗 拉强度、延伸率、缺口韧性和弯曲塑性都随方向不同而有不同程度的变化。 延展性随温度提高而有明显增加。 表表 1 化学成分及室温力学性能化学成分及室温力学性能 牌号 UNS.No Min Max( WT%) Rp0.2 Mpa min. Rm/M pa min. A50/ % Min. Zr+H a Ha Fe+Cr SnH N C Nb O Zr700 R60700 99.5 4.5 0.2 - 0.005 0.0250.05 - 0.10 305 379 20 Zr702 R60702 99.2 4.5 0.20 - 0.005 0.0250.05 - 0.16 207 379 16 Zr
11、704 R60704 97.5 4.5 0.2-0.4 1-20.005 0.0250.05 - 0.18 241 413 14 Zr705 R60705 95.5 4.5 0.20 - 0.005 0.0250.05 2.0-3.00.18 379 552 16 Zr706 R60706 95.5 4.5 0.20 - 0.005 0.0250.05 2.0-3.00.16 345 510 20 4.2、锆的物理性能、锆的物理性能 表表 2 锆及合金的物理性能锆及合金的物理性能 物理性能 R60702 R60705 Ti Fe 密度(g/cm3,20) 6.51 6.64 4.51 7.86
12、 熔点 1852.0 1840.0 1668.0 1536.0 沸点 4377.0 4380.0 热膨胀系数 25(m/mK) 5.8910-6 6.310-6 8.4110-6 11.710-6 热导率W/m-k(cal/cm/sec) 300-800 22.0(0.053) 17.1 11.3(0.027) 52.0(0.18) 比热 KJ/Kg-K(cal/g/) (0-100) 0.2847(0.067)0.2805 0.522(0.124) (0.11) 蒸汽压 mmHg(2000/3600) 0.01/900.0 电阻/cm, 20 48(39.7) 55.0 50.0 9.7 电
13、阻温度系数 20)(Mw/cm) 0.0044 熔化潜热 Cal/gm 60.4 蒸发潜热 Cal/gm 1550.0 弹性模量(psi)Gpa(Kg/cm2) 106 14.4 (1.01) 14.0(0.98) (1.05) (2.050 剪切模量(psi) Gpa 5.2510-6/36.25.010-6/34.5 泊松比（室温） 0.35 0.33 相变温度 865.0 854.0 882.0 弹性模量低既焊接应力小；熔点高需要更高的焊接热输入，线膨胀系 数小焊接变形小，热导率高焊件散热好，比热容低意味着焊件吸收热量小， 表面张力大表明锆适于全位置焊接； 5、锆材的力学性能及许用应力值
14、、锆材的力学性能及许用应力值 5.1、锆材的常温力学性能、锆材的常温力学性能 锆具有较好的常温力学性能。一般锆作为压力容器用材料，其延伸率 不得小于 16%，一般容器用材料的延伸率最小不能小于 14%，一般要求延 伸率大于等于 20%以上比较好，一般金属材料的弯曲试验时的弯轴直径为 4t，锆的标准定为 10t，锆材的常温力学性能见表 1。 5.2、锆材的高温低温性能、锆材的高温低温性能 1）蠕变强度：在应力下，时间与应变依赖关系的蠕变，一般用恒定负 载下给定时间的塑性变形的百分数表示， 2）应力破断 在恒温恒负载条件下测定金属寿命的方法，一般用于短时间内产生破 损的承载合金。 3）低温性能，锆
15、无低温延性向脆性的转变 锆合金即使在低温下也有良好的延展性，以及与其他工程相反的强度。 氧元素除了是氧化膜不可缺少的组成成分之外，还是锆合金填补结构空隙， 增加其强度的合金元素。锆合金在低温下没有从可塑到脆化的倾向。 4）锆和锆合金中的疲劳，疲劳极限 常温下，锆合金在轧制方向上的横向上，具有较高的极限抗拉强度， 这是由于密排六方晶体结构的的锆和体心立方晶体结构的相铁在定位 方向上性能不同造成的。这个横向强度的增加在应力高于疲劳极限时更明 显。锆材的高温力学性能见表 3: 表表 3 机械性能（冷加工后退火机械性能（冷加工后退火） 项目 R60700 R60702 Zr705 Rm Mpa Rp0
16、.2 Mpa A5 % Rm Mpa Rp0.2 Mpa A5 % Rm Mpa Rp0.2 Mpa A5 % Min. 379 305 20 379 207 16 552 379 16 室温 468.1321.128.9615.0 506.1 18.8 93 364.0267.531.5- - - 149 303.7195.842.5388.9 272.3 31.7 204 229.6139.349.0- - - 260 200.6128.949.0326.1 195.8 28.9 316 197.997.2 40.1- - - 371 156.582.0 44.1- - - 5.3、锆及合金不直接加热容器用锆的力学性能、锆及合金不直接加热容器用锆的力学性能 锆及合金不直接加热容器用锆的力学性能要求如下表 4； 表表
