Циркониевые прутки

Циркониевый пруток — сортовой прокат из циркония или его сплавов, представляющий собой сплошной профиль круглого, квадратного или шестигранного сечения. Основные потребители — предприятия атомной энергетики, химической промышленности и специального машиностроения. Прутки поставляются в отожжённом состоянии, с гладкой поверхностью, без расслоений и посторонних включений.

Общая характеристика циркония как конструкционного материала

Цирконий (Zr) — серебристо-серый металл с характерным желтоватым оттенком. В чистом виде пластичен, хорошо поддаётся обработке давлением — прокатке, ковке, штамповке, волочению. Однако даже незначительные примеси кислорода, азота, водорода и углерода резко снижают пластичность и повышают хрупкость. При концентрации кислорода более 0,2 % металл практически не поддаётся холодной обработке давлением.

Цирконий существует в двух кристаллических модификациях. Низкотемпературная α-фаза имеет гексагональную плотноупакованную решётку и устойчива до 863 °С. При нагреве выше этой температуры происходит полиморфное превращение в β-фазу с кубической объёмноцентрированной решёткой, которая сохраняется до плавления.

Физические свойства циркония

Поверхность компактного циркония покрыта тонкой защитной плёнкой оксида ZrO₂, которая обеспечивает высокую коррозионную стойкость при нормальных условиях. Металл устойчив к воздействию соляной кислоты, разбавленной серной кислоты (концентрация менее 50 %), растворов щелочей и аммиака. Неустойчив к растворам, содержащим ионы фтора, и расплавам некоторых фторидов.

Два свойства определяют стратегическое значение циркония: очень малое сечение захвата тепловых нейтронов в сочетании с высокой температурой плавления. Именно поэтому цирконий и его сплавы без примесей гафния являются основным конструкционным материалом для изделий активных зон ядерных реакторов.

Марки циркониевых сплавов для прутков

Для производства прутков применяют несколько отечественных марок циркония и циркониевых сплавов. Каждая из них разработана под определённые условия эксплуатации. Прутки из сплавов на основе системы цирконий–ниобий (Э110, Э125) являются наиболее востребованными.

Химический состав основных марок

Нелегированный цирконий Э100

Марка Э100 (КТЦ-100) представляет собой нелегированный цирконий. В его составе отсутствуют целенаправленно добавленные легирующие элементы. Содержание циркония с гафнием — не менее 99,7 %. Прутки из Э100 отличаются наибольшей пластичностью среди всех рассматриваемых марок, что облегчает дальнейшую механическую обработку. Применяются в конструкциях, где не предъявляются повышенные требования к прочности, но критична коррозионная стойкость и чистота металла.

Сплав Э110 — цирконий с 1 % ниобия

Сплав Э110 (КТЦ-110) — основной конструкционный материал отечественной атомной энергетики. Содержание ниобия 0,9–1,1 % обеспечивает повышенную коррозионную стойкость и прочностные характеристики по сравнению с нелегированным цирконием. Легирование ниобием повышает сопротивляемость материала воздействию кислорода и водорода, а также способствует формированию более стабильной защитной оксидной плёнки. Структура сплава Э110 — рекристаллизованные зёрна α-Zr со средним размером около 5 мкм с дисперсными включениями частиц β-Nb. Максимальная рабочая температура — около 350 °С, выше которой начинается пластическая деформация и снижается коррозионная стойкость.

Сплав Э125 — цирконий с 2,5 % ниобия

Сплав Э125 содержит 2,4–2,7 % ниобия. Повышенное содержание β-стабилизатора обеспечивает более высокие прочностные характеристики по сравнению с Э110 при сохранении коррозионной стойкости. Структура представляет собой зёрна α-Zr со средним размером около 1,5 мкм с дисперсными включениями частиц β-Nb и β-твёрдого раствора циркония в ниобии. Прутки из Э125 используются для деталей, работающих при повышенных механических нагрузках.

Сплав Э635 — многокомпонентная система

Э635 — сложнолегированный сплав системы Zr–Nb–Sn–Fe. Олово и железо обеспечивают дополнительное упрочнение за счёт образования интерметаллидных фаз (фаза Лавеса Zr(Nb,Fe)₂ и Т-фаза (Zr,Nb)₂Fe). Сплав применяется для силовых элементов тепловыделяющих сборок (ТВС), направляющих каналов и других деталей, работающих в условиях облучения и коррозии.

Цирконий йодидный

Йодидный цирконий получают методом йодидного (ван-Аркелевского) рафинирования. Чистота — не менее 99,9 % Zr. Прутки из йодидного циркония обладают крупнокристаллической поверхностью и максимальной пластичностью. Благодаря высокой чистоте используются при изготовлении электродов, геттеров и элементов электровакуумных приборов.

Сортамент и формы поставки циркониевых прутков

Циркониевые прутки поставляются в нескольких формах сечения и различных способов обработки. Конкретные размеры и допуски определяются техническими условиями и согласовываются между изготовителем и потребителем.

Типы сечений

Основная форма поставки — пруток круглого сечения (круг циркониевый). Помимо этого выпускаются прутки квадратного сечения (штабики) и циркониевые шестигранники. Выбор формы сечения определяется назначением заготовки и условиями дальнейшей обработки.

Способы обработки прутков

По способу обработки циркониевые прутки подразделяют на несколько видов. Холоднотянутые (волочёные) прутки обеспечивают более точные размеры и лучшее качество поверхности. Горячепрессованные прутки получают экструзией при повышенной температуре; они имеют больший диапазон диаметров. Кованые прутки применяются при производстве заготовок крупных сечений. Катаные прутки получают горячей прокаткой.

Точность размеров

По точности изготовления прутки подразделяют на изделия нормальной и повышенной точности. Овальность не должна превышать допускаемого предельного отклонения по диаметру. Прутки поставляются в прямом виде, с ровно обрезанными торцами.

Требования к качеству циркониевого проката

Прутки изготавливаются в отожжённом состоянии. Вакуумный отжиг необходим для снятия внутренних напряжений после пластической деформации и формирования однородной структуры. Поверхность прутков должна быть гладкой, без трещин и расслоений.

На поверхности допускаются незначительные дефекты, не выводящие размеры за пределы допусков. В изломе прутков не должно быть посторонних включений, расслоений и пустот. Для выявления внутренних дефектов сортамент подвергается радиографическому и ультразвуковому контролю.

Химический состав каждой партии подтверждается сертификатом качества. Контроль включает проверку содержания легирующих элементов и лимитированных примесей (особенно кислорода, азота, водорода, углерода), которые критичны для пластичности и коррозионной стойкости.

Области применения циркониевых прутков

Атомная энергетика

Основная область потребления циркониевого проката — атомная энергетика. Из прутков сплавов Э110, Э125 и Э635 изготавливают заготовки для деталей тепловыделяющих сборок (ТВС): заглушки тепловыделяющих элементов (твэлов), концевые детали, дистанционирующие решётки. Малое сечение захвата тепловых нейтронов обеспечивает прозрачность конструкции для нейтронного потока, а коррозионная стойкость в воде и паре при высоких температурах и давлениях гарантирует длительный ресурс изделий. Для применения в ядерной энергетике используется цирконий, очищенный от гафния, поскольку гафний имеет высокое сечение захвата нейтронов.

Химическая промышленность

Стойкость циркония к соляной кислоте, разбавленной серной кислоте, щелочам и аммиаку позволяет применять прутки в качестве заготовок для деталей химического оборудования — корпусов реакторов, запорной и регулирующей арматуры, кислотостойких насосов, перемешивающих устройств. Циркониевые трубы и прутки применяются в производстве теплообменной аппаратуры для агрессивных сред.

Медицина

Биосовместимость и коррозионная стойкость циркония делают его пригодным для изготовления медицинских имплантатов и хирургического инструмента. Сплавы Э110 и Э125 применяются при производстве стоматологических имплантатов и элементов эндопротезов. Циркониевые сплавы сочетают высокую трещиностойкость, усталостную выносливость и биологическую инертность.

Электровакуумная техника

Прутки из йодидного циркония высокой чистоты используются для изготовления электродов и геттеров в электровакуумных приборах. Цирконий способен эффективно поглощать газы (кислород, азот, водород) при нагревании, что позволяет поддерживать вакуум в замкнутых объёмах.

Металлургия

Цирконий применяется в металлургии в качестве раскислителя и деазотатора. По эффективности он превосходит марганец, кремний и титан. Легирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Также цирконий упрочняет сплавы меди при незначительной потере электропроводности.

Особенности обработки циркониевых прутков

Цирконий хорошо обрабатывается на токарных, фрезерных и сверлильных станках. При механической обработке следует учитывать склонность циркония к наклёпу и налипанию на инструмент. Рекомендуется применять твердосплавный инструмент с обильным охлаждением.

Циркониевая стружка и мелкий порошок пожароопасны. Температура самовоспламенения циркониевого порошка составляет 180–250 °С. При механической обработке необходимо исключать накопление мелкой стружки и обеспечивать достаточную подачу смазочно-охлаждающей жидкости. Сварку циркония выполняют аргонодуговым методом (TIG) в среде защитного газа. Без надёжной защиты сварного шва от воздуха соединение становится хрупким из-за насыщения кислородом и азотом.

Хранение и транспортировка

Прутки упаковывают в деревянные или металлические ящики и контейнеры. Упаковка должна обеспечивать защиту поверхности от механических повреждений, воздействия влаги и агрессивных сред при транспортировке и хранении. Каждая партия сопровождается документом о качестве с указанием марки сплава, размеров, результатов химического анализа и механических испытаний.

Формы поставки циркониевого проката

Помимо прутков, цирконий поставляется в виде листов, полос, труб, проволоки, ленты и фольги. Выбор конкретной формы проката зависит от назначения и дальнейшей технологической обработки на предприятии-потребителе. Все виды проката производятся из одних и тех же марок сплавов и проходят аналогичный контроль качества.