鋯青銅分析與控制

材料為真空爐冶煉的鋯青銅合金,化學成分為: Zr 0. 1 4 4% ; Cr 1. 1 0% ;M n0. 63%; 余量為Cu。材料狀態(tài): 鑄造狀態(tài)。

在鑄件斷口上肉眼可見的黑色夾雜物上取樣, 用N EO PHO T 221 光學顯微鏡觀察, 分析在拋光態(tài)下, 夾雜物在基體中的形態(tài)、分布及光學特征。利用電子探針、掃描電鏡、X 射線衍射儀確定該合金中的各類夾雜物的相組成, 測定微區(qū)成分變化, 結合實際冶煉工藝,分析其來源及控制措施 。

鋯青銅由于具有很高的導電性、導熱性,易于加工等特點, 越來越廣泛地被用于鋼鐵工業(yè)的冶煉、軋制等主體設備的配套部分上。

最為典型的是用作連鑄結晶器的材料。隨著鋼鐵冶煉技術的發(fā)展, 對結晶器性能的要求不斷提高, 不僅要求結晶器具有較高的光潔度、耐磨性, 同時還要具備足夠的剛性, 因此隋曉紅　高級工程師　鞍鋼技術中心鋼研所除對傳統(tǒng)的紫銅材料進行表面滲鍍及尺寸改進外, 近年來國內外又競相研制新型的銅鋯合金取而代之。這種用于制造結晶器的新材料, 在保證結晶器上述性能的同時, 使結晶器強度得以大大提高。但是其冶煉工藝過程較難控制, 容易形成內部氧化。冶煉工藝略有波動時, 其內部就會生成大量金屬或非金屬夾雜。表現(xiàn)為在其鑄后的合金斷口上呈現(xiàn)出一種顯而易見的黑色夾雜物質, 導致加工性能惡化。為此, 運用金相檢測手段, 分析這類夾雜物質的特性, 探討其形成機制、影響因素,以避免或控制這類有害雜質的形成 。

在光學顯微鏡下觀察試樣中夾雜物形態(tài),其中有塊狀、球狀、針狀、網狀等; 有些夾雜物在明場下為灰色, 深淺不一, 其中的一些點球狀夾雜在偏振光下為紅寶石色, 初步判定為氧化亞銅; 此外, 尚有一些點狀物呈透明狀各向異性, 即為二氧化硅。另有一些針狀、球狀物在明場下為灰色(針狀較多) 或蘭綠色(球狀) , 偏光下不透明,光學顯微鏡難以確定。

在光學顯微鏡下形貌為灰色,不規(guī)則塊狀的物質中含鋯及少量的硅, 淺灰色細條網狀分布或規(guī)則分布的物質, 主要也是鋯, 此外還含有一定量的銅?；姨m色針狀及蘭綠色球狀物則主要含Cr, 其次含Cu、Zr 元素。本次試驗利用電子探針的吸收電子像及X 射線像定性顯示了這些元素在夾雜物中的分布狀態(tài)。其中的相組成中有氧化鋯、氧化鉻、鉻銅相及其與銅相的共晶。

運用X 射線衍射相分析法測定夾雜物具體相結構, 依據(jù)前述定性定量分析結果, 對X射線衍射曲線進行分析, 其黑色粉末狀夾渣中含有大量的Si、Zr、S; 只含有少量的SiO 2及微量Cu2O , 基體除含Cu 外, 尚有少量的ZrO 2 及微量CrO , 表現(xiàn)為譜線比較少, 與其它譜線相重疊, 且強度較弱。

試驗所研究的銅鋯合金中, 夾雜物主要是CuO、SiO 2、ZrO、ZrO 2、CrO 等。合金斷口上呈現(xiàn)的黑色粉末狀夾渣為上述夾雜物共存產物。此外合金中尚存在有銅、鉻等金屬間化合物和共晶物 。

選用鋯青銅作為連鑄結晶器用材料, 其合金化的基本原則是: 加入的合金元素總量要少(≯1%～ 2% ) , 以保證它的高導熱性、高強度及高的耐熱性能。在熔煉這類鋯青銅時,所遇到的主要問題是: 合金中所含夾雜物形態(tài)結構復雜, 冶煉工藝不當時, 夾雜數(shù)量就會增多, 且嚴重影響其后的熱加工及機械加工性能。分析認為: 合金中夾雜物的形成因素大體歸為兩個方面: 一是由于氧化造成, 二是某些元素與爐襯等耐火材料直接作用的結果。

由于鋯、鉻元素熔點高, 所形成的氧化物分解壓比較小, 遇到爐料水分或爐內真空不良時,極易產生氧化。實驗所測得的Cu2O、ZrO、CrO 等即為上述某種原因的氧化產物。此外這兩種元素的化學活性較強, 當它們以純金屬作為爐料時, 它們與耐火材料的反應更加劇烈, 從而產生雜質。合金雜質中所存在的Si、S、Zr、Cr、M g 及其氧化物和金屬間化合物就是上述的反應產物, 嚴重時, 就容易在鑄錠內部晶界處出現(xiàn)灰黑色的金屬粉末夾雜, 破壞金屬基體的連續(xù)性。降低塑性、沖擊韌性及疲勞強度。與此同時, 由于這些夾雜物的形成, 奪取了本來就為微量的合金元素Zr、Cr的絕大部分, 使合金固溶體含量減少, 達不到析出強化的效果, 因此強度大大下降。當然高溫冶煉時, 金屬的熔損及雜質的吸收是難以避免的。這就要求在熔煉爐料的選擇及處理方面, 既要考慮保證性能、降低成本, 又要盡量使用雜質含量少并保持干潔的爐料。為使Zr、Cr 這類熔點高, 又不易熔解而易氧化的合金元素合理地熔入銅液中, 形成均勻的固溶體, 冶煉時盡可能地將它們后加或者配制成熔點較低的中間合金加入, 以獲得成分均勻, 純凈度高的合金 。

(1) 實驗室研究的連鑄結晶器用鋯青銅斷口上呈現(xiàn)的黑色粉末狀物質, 屬金屬氧化物夾雜。

(2) 鋯青銅內這種氧化夾雜相, 是由于在冶煉時, Zr、Cr 元素的加入方式不當, 或高溫冶煉真空不良, 這兩種不良因素初始受到氧化以及與耐火材料直接反應, 形成氧化物夾雜, 由于其分解壓較低, 嚴重氧化后所形成的。

(3) 鋯青銅合金中的高溫氧化夾雜物,特別是黑色夾渣, 嚴重地影響其后的冷、熱加工性能, 同時, 破壞合金的析出強化效果。

(4) 為防止和控制氧化夾雜的生成, 其理想的工藝為真空冶煉、澆鑄; 且盡可能后期加入易氧化的活性、難熔的Zr、Cr 元素, 或將其配成低熔點的中間合金加入, 以達到凈化材質, 提高產品質量的目的 。

QZr0.2鋯青銅有高的電導率，能冷、熱態(tài)壓力加工，時效后有高的硬度、強度和耐熱性。QZr0.2鋯青銅用作電陰焊接材料及高導電、高強度電極材料。如：工作溫度350℃以下的電機整流子片、開關零件、導線、點焊電極等。

QZr0.2化學成分：

,鎳(Ni)：0.2,,銅(Cu)余量,,鐵(Fe)：0.05,鉛(Pb)：0.01,銻(Sb)：0.005,鉍(Bi)：0.002,雜質總和%：0.5

一種金屬元素，應用于原子能工業(yè)和在高溫高壓下用作耐蝕化工材料等。

高熔點金屬之一，呈淺灰色。密度6.49克/厘米3。熔點1852±2℃，沸點4377℃?；蟽r 2、 3和 4。第一電離能6.84電子伏特。鋯的表面易形成一層氧化膜，具有光澤，故外觀與鋼相似。有耐腐蝕性，不溶于氫氟酸和王水；高溫時，可與非金屬元素和許多金屬元素反應，生成固體溶液化合物。

鋯的產量：

鋯產品的主要原料是鋯英砂，全球90%的氧氯化鋯(初級產品)的生產能力在中國。目前，國內鋯的加工能力12萬噸/年，實際產量在8萬噸/年，85%以上出口，目前全球鋯市場供不應求，目前鋯的價格大約每噸12000元，而且價格仍在不斷上漲。

金屬鋯的外表象鋼，常溫下表面被致密的氧化物層覆蓋，但仍有金屬光澤。粉狀鋯為暗灰色。金屬鋯的熔點為1852℃，密度6.49克/厘米3。其可塑性好，易于加工成板、絲等。鋯在加熱時能大量地吸收氧、氫、氮等氣體，可用作貯氫材料。鋯的耐蝕性比鈦好，接近鈮、鉭。鋯與鉿是化學性質歷史學相似、又共生在一起的兩個金屬，且含有放射性物質。地殼中鋯的含量居第20位，幾乎與鉻相等。目前，自然界中具有工業(yè)價值的含鋯礦物，主要有鋯英石及斜鋯石。鋯雖為稀有金屬，但在地殼中含量卻超過銅、錫、鋅等。

鋯在兵器工業(yè)中的應用

鋯在兵器中可用作槍管、炮筒的合金添加劑，改善槍管炮筒的使用性能，提高使用壽命。用于彈藥添加劑可提高子彈炮彈的爆炸威力和燃燒面積，有報道指出，鋯可用于制造激光槍炮，其原理是利用過氯酸鉀與鋯作用產生強烈的“光-熱”效應和巨大能量。雖然金屬鋯在兵器工業(yè)中的用量僅次于核工業(yè)，但相關報道甚少。

鋯在石油化學工業(yè)中的應用

鋯在主要用于抗腐蝕性能要求高的設備,如用于制造反釜、耐酸耐熱泵、熱交換器、浸液器、排氣葉輪、閥門、攪拌器、噴嘴、熱電偶套管、導管和容器襯里和環(huán)保設備等。許多生產肥料、樹脂、塑料、酸類的化工設備和重要零部件都采用鋯。

鋯，它具有耐高溫、耐蝕性好，可加工、性能好和熱中子吸收截面低等綜合性能，是核反應堆的重要結構材料，鋯及合金在各種濃度的堿溶液及熔融堿中是獨一無二的耐蝕材料，甚至優(yōu)于鉭，本公司現(xiàn)在開發(fā)的鋯材系列閥門廣泛用于氯堿工業(yè)、純堿工業(yè)、制藥工業(yè)、化肥工業(yè)、精細化工業(yè)、紡織纖維合成和漂染工業(yè)，基本有機酸和無機鹽生產，硝酸工業(yè)等。

一、鋯閥門產品分類

鋯球閥、鋯閘閥、鋯截止閥、鋯止回閥、鋯旋塞閥。

二、設計標準

HG、GB、JB、API、ANSI、ISO、BS、DIN、NF、JIS等國內外先進標準