1、活性金属和难溶金属

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；难溶金属是与铬一样或超过铬的熔点的金属如铌、钽、钨、钼、铬、钒、铼等
。

2、锆的根基概想及简介

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，1824 年分离出非纯锆，1916年李国钦博士缔造华昌公司，在1924 年造出拥有延展性的锆金属并于 1947 年以试验规模出产出工业用锆，1949 年选取镁热置还原法造备锆金属，1956 年成立锆厂，六十年代早期， 锆和锆起头用于防腐
。1965 年锆合金用于核工业，1970 年代第一次在醋酸出产中大规模使用锆
。

2.1、锆的重要性质及用处

锆(Zr)是第九种最通常元素，在地壳中含量丰硕，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℃)
。凭据锆的机能特点，锆重要用于核反映堆、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，锆被宽泛的用于：

（1）锆是一种热中质穿透资料；

在中子辐射下，锆的强度韧性不变，热中子的吸收截面幼，是优良的反映堆结构资料；

（2）优异的耐蚀资料锆对好多侵蚀介质均有很强的抗力，良好的抗酸、碱和液体金属侵蚀能力，使锆成为当今热互换器、汽提塔、干燥塔、反映器阀门、管路系统和核利用的优先选择资料
。

（3）除氢除气资料，在低温前提下就起头吸氢
。

（4）作为钢、铝、镁、铜、钼、锆、铌等的最好的合金元素；锆作为合金增长剂重要用于铝镁合金用于节造晶粒尺寸和微观结构，用于钢中重要用来脱氧
。

2.2、锆的分类

锆可分为：

  （1）核工业用锆，限度铪含量幼于万分之几，都必要热处置；

  （2）非核工业用锆，铪含量可达 4%左右；

3、锆的根基属性

锆是一种活性金属，对杂质元素的存在极度敏感，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传染产生氧化反映
。在室温下就能与空气里的氧气反映，形成一层氧化物；つ
。这层；つじ孙昂辖鸺康姆狼质茨芰
。

锆贾合金在加热 400℃温度以下时，能被空气中的氧、氢、氮等所传染，可别离产生脆性化合物，严沉影响接头机能，对塑性的影响更为敏感
。通常情况下，为维持锆及合金等塑韧性，尽量限度锆中的氧含量降到最低
？掌 200℃起头天生 ZrO3，在约莫 550℃以上，与空气中的氧反映天生多孔的脆性氧化膜，在 700℃以上，锆能吸收氧而使资料严沉脆化
。在高温下锆能与上述气体反映，氢在 300℃起头吸氢，在 4600℃锆能吸收氮
。

锆合金在低温下拥有优良的延展性，较高的强度，氧元素拥有间隙强化作用，并且在低温下锆合金没有低温脆化转变
。

4、锆材的机能的化学成分及物理机能

4.1、锆材的化学成分

锆材的化学成分和室温力学机能如表1

锆及合金的弹性模量随着温度升高而迅速减幼，比沉比钢的幼
。表中显示室温温度下纵向和横向机能的均匀数值，屈服强度和延长率是用 0.2%永远变形测定的，拥有弹塑性变形
。并且某些机能受有向性的影响
。这些机能蕴含热膨胀、屈服强度、极限抗拉强度、延长率、缺口韧性和弯曲塑性都随方向分歧而有分歧水平的变动
。 延展性随温度提高而有显著增长
。

表 1     化学成分及室温力学机能

4.2、锆的物理机能

表 2 锆及合金的物理机能

弹性模量低既焊策应力
；熔点高必要更高的焊接热输入，线膨胀系数幼焊接变形幼，热导率高焊件散热好，比热容低意味着焊件吸收热量幼， 表表张力大批注锆适于全地位焊接
。

5、锆材的力学机能及许用应力值

5.1、锆材的常温力学机能

锆拥有较好的常温力学机能
。通常锆作为压力容器用资料，其延长率不得幼于 16%，通常容器用资料的延长率最幼不能幼于 14%，通常要求延长率大于蹬宗 20%以上比力好，通常金属资料的弯曲试验时的弯轴直径为4t，锆的尺度定为 10t，锆材的常温力学机能见表 1
。

5.2、锆材的高温低温机能

1） 蠕变强度：

在应力下，功夫与应变依赖关系的蠕变，通常用恒定负 载下给按功夫的塑性变形的百分数暗示，

2）应力破断

在恒温恒负载前提下测定金属寿命的步骤，通常用于短功夫内产生破损的承载合金
。

3）低温机能，锆无低温延性向脆性的转变

锆合金即便在低温下也有优良的延展性，以及与其他工程相反的强度
。氧元素除了是氧化膜不成短缺的组成成分之表，还是锆合金添补结构空地， 增长其强度的合金元素
。锆合金在低温下没有从可塑到脆化的偏差
。

4）锆和锆合金中的委顿，委顿极限

常温下，锆合金在轧造方向上的横向上，拥有较高的极限抗拉强度， 这是由于密排六方晶体结构的的α锆和体心立方晶体结构的α相铁在定位方向上机能分歧造成的
。这个横向强度的增长在应力高于委顿极限时更显著
。锆材的高温力学机能见表 3:

表 3 机械机能（冷加工后退火）

5.3、锆及合金不直接加热容器用锆的力学机能

锆及合金不直接加热容器用锆的力学机能要求如下表 4；

表 4 非直接加热压力容器用锆材的ASTM 力学机能

6、锆的金属学

室温下，锆是密排六方晶格金属，为α锆
。有优良的综合机能
。加热和冷却过程中有相变，Zr702 在相变温度（865℃）和 Zr705 在相变温度（865℃）以上，锆是体心立方晶格金属，为β锆
。少量杂质，出格是氧， 影响锆的转变温度，锆的转变温度取决于从β到α的冷却，形成魏氏组织
。 β相组织通常很难在室温下维持，典型的加工和退火锆拥有均匀的等轴晶粒组织
。若是锆中参与锡，能提高转变温度，铁、镍、铬可降低转变温度
。

6.1、合金元素在锆中的作用

合金元素可增长锆的强度，当合金元素超过溶化度时会形成金属间化合物或第二相组织，可能引起锆的延性降落并降低合金耐蚀性；对锆的力学机能有强烈影响的合金元素是氧，他在α相中溶化度靠近于 30%，氧含量增长，金属抗拉强度提高，塑性降低；高温时，氧对锆的强杜装响很幼， 氧对锆的耐蚀性影响也很幼
。

6.2、气体杂质元素在锆中的作用

1）对物理机能的影响

提高Zr 的熔点和相变温度，导热系数和电阻温度系数因含氧量的增长而降低
。

2）对机械机能的影响

对α锆有显著强化作用
。300℃以上氧的强化作用减弱，260℃以上氮的强化作用减弱，氢溶于锆，高温逸出，可真空退火消氢，氢对锆的影响也较大，当氢含量超过其在锆中的溶化度时，析出氢化物，产生氢脆， 在 316℃-382℃温度下，锆将迅速吸收氢而导致合金脆化；硅、碳、磷等合金元素，在锆中溶化度极幼，与锆形成不变的金属间化合物来影响锆的机能，影响成效极弱，超过溶化度的碳会在铸锭平天生网状脆性碳化物
。

6.3、锆合金中合金元素分类

凭据合金元素对锆机能的影响，合金元素可分α、β不变剂，工业纯锆中参与不变α元素，也能够参与不变β元素，形成锆合金
。

1）扩大α区元素

扩大α区元素含量增大，α-β相变温度提高
。扩大α区元素有 Sn,Al,O, Sb,Be,Hf,N,Pb 和Cd 等；氧含量对锆的影响较大
。

2）扩大β区元素

扩大β区元素含量增大，α-β相变温度降低
。通常与锆产生共析反映,也有时发 生共晶反映
。扩 大β 区元素有Fe,Cr,Nb,Ta,Th,V,Mo,Cu,Ta,W,Mo,Ti,Co,Ag,Ni 等;

  3）Fe-Fe3C 型 即 共  晶  与  共  析  型  ，  合  金  元  素  有Ag\Co\Cr\Ca\Fe\Mn\Mo\Ni\V\W\H 等；

4）混合型：C、Si、Ce;

5）齐全固溶型：Hf、Ti;

6）其他化合物

C，Si 和 P 在锆中溶化度极度低，1000℃以上也如此，形成不变动合物对热处置不敏感
。

7、锆的焊接

7.1、锆的根基属性

锆是一种活性金属，对杂质元素的存在极度敏感，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， 锆很容易被气体传染产生氧化反映
。在室温下就能与空气里的氧气反映， 形成一层氧化物；つ
。这层；つじ孙昂辖鸺康姆狼质茨芰
。

室温下，锆是密排六方晶格金属，为α锆
。有优良的综合机能
。加热和冷却过程中有相变，Zr702 在相变温度（865℃）和 Zr705 在相变温度

（865℃）以上，锆是体心立方晶格金属，为β锆
。相变时产生的体积变动 也很幼
。

 7.2、物理机能

与其他金属相比锆拥有弹性模量低、熔点高、线膨胀系数幼、热导率高、比热容低，锆的这些优异的物理机能使锆焊接时，必要更高的焊接热输入，但拥有焊策应力幼、焊接变形幼、焊件散热好，焊件吸收热量幼， 焊接过程不易过热；表表张力大等特点；从物理机能方面，锆的焊接性与铬镍钢没有显著的差距，只是热膨胀系数出格低，热变形量较幼，相变时产生的体积变动也很幼，出格利于焊接要求的低变形
。

7.3、锆的焊接性

锆是高活性金属，在焊接高温下，与空气以及其他好多元素和化合物能产生化学反映，微量的杂质，出格是氮、氧、碳和氢等即可导致锆严沉的脆化
。所以的焊接拥有与锆类似的特点，但对杂质元素拥有更高的敏感性，有更严的；ひ；锆具出缺口敏感性，焊接过程中微量氧化，可能导致脆性开裂，造成随后冷加工时的裂纹形成；锆重要作为耐蚀金属使用， 如此锆焊接既要保障结构优良的力学机能，同时保障焊接接头拥有优良的耐侵蚀机能，其焊接性特点如下：

（1）焊接区易受空气传染

锆在焊接加热时，由于锆的化学性质很活跃，焊接区处于高温前提下， 如；げ缓，易受空气传染，这些气体被锆吸收后就可别离产生脆性化合物，使接头塑性降落
。

氧与锆在 204℃天生ZrO，在 400℃天生白色的ZrO 氧化皮，（长功夫与空气接触）；氮与锆在 370℃温度下天生ZrN，在 300℃天生ZrH
。上述这些反映温度均低于锆与上述气体反映的初始温度，焊接过程中，焊接区；げ缓檬，比焊接锆合金更容易被传染，使接头脆化
。氧、氮、氢气体的浓度越大，硬化水平越大；碳和氮对焊缝金属的抗侵蚀侵害很大
。通常应严格节造碳和氮的含量，同时加强焊接区的算帐和；，预防焊缝传染，焊缝传染后其抗侵蚀机能将降低，接头机能变脆
。锆焊接时，可通过表表色彩变动来单一判断焊接质量，其；こ尚в肷使叵等缦卤 5：

表 5 焊接质量与焊缝表表色彩

（2）焊接区易形成介稳相影响接头机能

焊接过程的不平衡结晶，以至焊缝和扰装响区有可能析出复杂的金属间化合物，如Zr(FeCr)2，Zr2Fe，ZrO，ZrN，ZrH，Zr-Ni，Zr-Fe，Zr-Cr 等金属间化合物，这些化合物多停顿于晶界，降低接头塑性，增长脆性；焊缝金属的柱状晶界存在脆性相或二次相，多呈不陆续散布，焊缝金属所受的影响比扰装响区幼
。

在扰装响区中α相晶粒间有呈片状陆续散布的 Zr(FeCr)2 脆性相，如受侵蚀介质作用，往往沿扰装响区β相晶界和α相间片状晶界侵入，优先侵蚀；当含碳量超过 0.10%时，形成 ZrC，产生优先侵蚀；焊缝及扰装响区组织的形成如下：

890℃以下区域为α相和金属间化合物；

890-950℃温度区域，为α相组织；

950-980℃温度区域，为α+β相组织；

980℃以上温度区域，为β相组织；

这些介稳相和脆性相，使接头机能降低，接头塑性均有所降落，锆的导热性差，比热幼、电阻大、焊接加热时，组织晶粒粗壮促使接头塑性降低；

（3）易产生气孔

气孔是锆焊接中的重要问题，锆更容易呈显禅孔，多产生在焊缝上，呈藐幼针孔，重要原因有：

1）受空气中氢、氮和氧的传染；

2）锆工件表表焊丝在焊前算帐的水平不够；

3）；て杏性又屎退；

4）母材和焊材中杂质元素含量过高，以至锆可能产生气孔
。

预防气孔的措施：

1）焊件表表必须当真彻底的算帐干净；

2）加强焊接过程；；

3）调整；て髁；

4）选择适当的焊接电流，减幼焊接速度，可有效预防气孔；

（4）焊接裂纹

纯锆与锆合金的焊接没有形成裂纹的显著趋向
。

（5）接头组织

  锆焊接接头为铸造组织，粗壮的部门α相和部门β相
。冷却速度大时， α相造成马氏体组织，在晶界上有弥散散布的幼颗粒为第二相沉淀物，在晶内有大颗粒的第二相，整个晶粒由α相亚晶组成；扰装响区为α片状过热组织；在单层氩弧焊时，接头组织很少发现析出物，多层焊时，其焊缝中产生较为藐幼的金属间化合物Zr(Ni\Fe\Cr)
。这些化合物能够加热到 870 以上，而后水冷固溶处置，使金属间化合物溶化于α相，在扰装响区的片状α相中，在片间存有陆续散布的第二相沉淀物 Zr(Fe\Cr)化合物，它使接头韧性降落
。

（6）拥有低变形、低应力的焊接特点
。

7.4、锆及合金的焊接工艺

（1）焊接步骤

 锆在肯定工艺前提下焊接性是优良的
Ｄ芄挥萌酆福ㄈ缍栊云灞；ず浮⒌壤胱踊『浮⒌缱邮浮⒓す夂傅龋⑶ズ浮⒐烫傅榷嘀植街杞泻附，

（2）焊前筹备

锆的焊前算帐是焊接锆金属的一个重要内容，表表算帐重要是仔细断根 锆焊接坡口和焊丝表表的氧化物或油污，算帐内容有：

①断根表表氧化膜（ZrO）

②断根油污及污垢；

③断根焊件和焊丝表表污物；

表表算帐步骤：机械步骤算帐后，选取丙酮擦洗或酸洗，算帐后应将焊件和焊丝烘干后能力焊接；

（3）焊丝选择

为保障锆的焊接质量，必须合理选择焊丝
。对焊丝质量的要求较为严格：焊丝必须表表光滑、清洁、圆整无毛刺、无皱皮、无裂纹、无气孔、无夹层/渣等缺点；

焊丝选用时应确保焊丝的重要化学成分与母材成分相近，并严格节造焊丝中的杂质含量不成超过尺度的上限；

自动钨极氩弧焊、等离子焊等机械焊接步骤所用的焊丝，应成盘密排层层绕好，焊丝不成有打结，幼直弯和受传染景象；

通用的焊丝化学成份如下表 6：

表 6  锆焊丝成分

 （4）；て

；て宓拇慷纫，水分低，露点通常不成大于-50℃；锆焊接；て蹇裳∪」ひ荡慷却锏揭陨系 99.99%Ar、氦气、或氩/氦混合气体进行， 选取高纯氩比纯度较低的氩气拥有更好的焊缝；こ尚，但焊接接头机能相当；

（5）钨极氩弧焊和等离子弧焊焊接工艺

 焊接电源和极性通常为直流正接；由于锆熔点高，热导率比锆高 10%， 选择电流时应比焊锆时增长 30-50%，通常偏大一些电流，以提高焊接速度， 同时加强冷却速度，节造在 60℃/S，有利于预防过热和产生脆性相
。即大电流急剧焊
。

 焊接最重要的问题是加强对焊接高温区的；，对焊接时，焊接接头温度高于 300℃的部位及背面都必须在惰性气体的；ぶ，喷嘴尺寸要大，该把稳拖罩、背；ふ值慕峁购统叽缬ι源笠恍，喷嘴和拖罩内多加铜丝网，加强气筛作用，锆表表可加铜压板，背面加水冷铜垫板加强焊接冷却作用；

 焊接时焊丝热端必须在；て逯屑尤群退徒，不得表移；

 锆焊接不用进行焊前预热，选取多层多路；焊焊接过程中为了预防扰装响区过热，层间温杜爪节造在 100℃以内；

 焊接过程中焊缝受到传染或氧化，应算帐干净后在进行焊接；锆的氩弧焊参考规范如下表 7：

7.5、锆与其他金属的焊接

锆除和锆、钒、铌、钽等金属之表，不能与大无数其他金属直接溶解焊接，因而通常用锆的容器应为纯锆、衬锆和锆爆炸复合板造成，衬里可用机械步骤固定在钢壳体上，在使用衬里的容器设计中，锆提供了优异的耐蚀性与传热性的结合
。当壁厚大于蹬宗 25.4mm 时，可选取锆钢复合板造作容器
。

对于封关状态，锆管与热膨胀率较大的金属管衔接，可选取滑动共同， 加热和钎焊衔接方式
。

7.6、锆钢复合板的焊接

锆钢复合板焊接选取的是钢基层和锆覆层各自分隔焊接；

选取正常的基层钢的焊接工艺进行钢基层焊接；基层焊接前应选取机加工步骤进行去除基层焊接边缘肯定宽度的覆层锆，预防钢基层焊接时造成钢与锆互溶，基层焊接实现后，选取垫板和盖板大局进行覆层的焊接；

当必要时，可选取银或钒对锆和钢的焊缝进行密封焊；

8、锆铪及其化合物的利用

锆的总消费的 90%左右是锆萤石、氧化物或其他锆的化合物大局，另表一部门为金属锆、铪及其合金的大局，重要利用有以下几个方面：

8.1、原子能工业

锆拥有良好的耐蚀性，耐高温性、极低的热中子吸收截面，是包套资料的结构资料 Zr-2 和 Zr-4
。铪拥有比锆更高的耐蚀性、耐高温机能和较高的热中子吸收截面，，是梦想的防中子辐射资料，用于这方面的必须是原子能级
。

8.2、锆在钢铁工业中的利用

在钢中参与锆能改善钢的机能，对氧、氮和硫有较强的吸附作用，锆与氮作用可改善钢的时效硬化性质，锆的脱氧作用可减慢钢粒度的增长速度，利用于低合金钢、装甲钢、兵器钢、不锈钢、高温钢中
。

含锆合金可作为灰口铸铁的改进剂，提高铸铁的机械机能；

8.3、在有色金属方面

镁中参与锆，减慢镁的增长速度，提高镁合金的结构机能，及在330-350℃下的耐蚀性
。

铜中参与锆（0.1-5%）,不影响导电性的前提下大大增长机械机能，锆铜合金可用作点焊电极和高强度导线
。

锆铪铌碳化物切削刀具方面利用发展较快，钽、铌、钼、钨合金中参与少量铪和碳，可形成弥散第二相，造成高温合金
。

8.4、化学工业

锆是一种活性金属，很容易产生氧化反映，如在室温下就能和空气里的氧起反映，形成一层氧化；つ，这层；つじ孙惋辖鹱詈玫姆栏芰
。此氧化膜能够通过热处置工艺进一步加强，表表显微硬度大体能够达到维氏硬度 480HV，处置适当的加强氧化膜如同良好的轴承面，能够招架各类分歧侵蚀介质的侵蚀，给高速系统设备带来相当强的耐磨能力， 同时也给某些高侵蚀环境带来壮大的抗侵蚀能力
。

从化学性方面来讲，防腐性越强，不起反映的氧化膜耐侵蚀能力越强；从热力学来讲，热力学上越不变，越能悠久不变的成型，受损后自身建复得越快，不变的氧化膜是靠得住的维持陆续和全面覆盖的膜
。

锆最早利用于 H₂O₂ 出产中，浓缩 75%浓硫酸中的锆造管壳式热互换器代替石墨换热器；丙烯酸纤维和丙烯酸膜出产，甲萘酚水解的反映釜（15atm 下 220℃的 20%H₂SO₄）中使用，还原蓝出产中央体二氯蒽醌分化釜（幼于 100℃的 5-10%H₂SO₄和浓度幼于 15%HCL）的搅拌器
。

橡胶中央体异丁烯出产中直径达 2m 的锆反映釜；锆在有关 HCL 中的利用重要有：浓盐酸和聚合物的出产中，偶氮燃料出产中换热器、泵、搅 拌桨等，纤维素破断和氯化乙烯的聚合过程，室温到 300℃的 HI 介质中；锆在硝酸系统中的利用：浓缩 57-67%浓硝酸的浓缩柱和再沸器，205℃出产 65%硝酸的 27 吨大型锆换热器，U 型冷却器处置 98.5-99%的硝酸；锆在盐酸或硫酸与碱液交替接触的过程中的锆反映釜，尿素出产当选取锆反映塔和换热器，高温高压下利用，更高的CO₂ 和尿素转化率；150℃的氯化烃环境中，锆造蒸馏塔及安全又经济；在锆萃取工艺中， 锆可耐诸如甲异丁酮、HCL、硫氰化氨、硫酸和二氯化氧锆等工艺过程中的所有介质侵蚀
。

工业级锆及其合金可在热互换器、阀门、泵壳、叶轮、高速搅拌器、蒸汽喷嘴、喷丝优等部件