Framfarir rannsókna á steyputækni og mótunartækni fyrir sirkon og sirkonblendi

Sirkon og sirkon málmblöndur eru stefnumótandi málmefni á 21. öld, með lágt og meðalstórt nifteinda frásogshraða, tæringarþol og háan-hitaþol, meðal annarra kosta. Þau eru mikið notuð í framleiðslu efnabúnaðar og kjarnorkuiðnaði. Undanfarin ár hafa sirkon og sirkon málmblöndur fengið mikla athygli frá rannsakendum bæði heima og erlendis, og rannsóknir á steypuferli- þeirra og mótunartækni hafa einnig þróast hratt. Þessi grein kynnir helstu notkunar-atburðarásir fyrir sirkon og sirkon ál steypuefni, og summan -margar og ber saman rannsóknarstöðu -rch stöðu steypuferla þeirra -og myndunartækni. Að lokum, byggt á núverandi tæknistigi, sýnir það vandamálin sem nú standa frammi fyrir sirkon og sirkon málmblöndur og hlakkar til framtíðarþróunarhorfa þeirra.

Sirkon er staðsett í 40. sæti í lotukerfinu og tilheyrir Ⅳ-B hópnum. Hann er mjög virkur málmur, með silfur-hvítt yfirborð og þéttleika 6,51 g/cm³ og bræðslumark 1852 gráður. Sirkon hefur mikla hvarfvirkni, en efnafræðilegir eiginleikar þess eru stöðugir við stofuhita. Þetta er vegna þess að yfirborðsatóm hreins sirkon hvarfast við súrefni til að mynda þéttskipaða ZrO2 filmu, sem verndar innra hluta þess og gefur einnig sirkon og málmblöndur þess framúrskarandi tæringarþol. Að auki hefur það marga framúrskarandi eiginleika, svo sem lágan þéttleika, að vera léttur málmur; góður styrkur og mýkt samsvörun, og minni mýktarstuðull, með vélrænni eiginleika betri en algengt stál; lítill varma nifteinda frásog þversniðs{10}; lágur varmaþenslustuðull; engin skaða á mannslíkamanum, góð líffræðileg eindrægni; og sérstakar aðgerðir eins og vetnisgeymslu. Þess vegna eru sirkon og sirkon málmblöndur mikið notaðar í efnabúnað eins og ventlum, tæringarþolnum-viðbragðsturnum, hitabeltismúffum, deiglum, leiðslum, sýru- og hitaþolnum-dælum, blöndunartækjum, stútum o.s.frv.

Sirkon og sirkon málmblöndur hafa mikla notkunargráðu í kjarnorkuiðnaði. Þeir eru oft gerðir að framúrskarandi byggingarefni kjarnaofna, klæðningarefni fyrir kjarnorkueldsneyti og sterk-tæringarþolin byggingarefni. Sem stendur eru flest sirkonefni notuð í vatns-kældum kjarnakljúfum, svo næststærsta notkunarsviðið er efnavinnsluiðnaðurinn. Að auki er einnig hægt að nota sirkon og sirkon ál steypu í atvinnugreinum eins og vopnum, líflæknisfræði, landbúnaði, málmvinnslu, jarðolíu, pappírsframleiðslu o.fl.

1 Rannsóknarsaga sirkon og sirkon málmblöndur

Þýski efnafræðingurinn Martin Heinrich Kruppelius uppgötvaði frumefnið sirkon í fyrsta skipti árið 1789. Árið 1824 aðskildi sænski efnafræðingurinn Josias Jacob Brezelius þennan málm á rannsóknarstofunni með því að hita saman kalíum og sirkonflúor í járnröri. Það var ekki fyrr en árið 1925 sem hollensku efnafræðingarnir AE van Arkel og JH de Boer fundu upp joðíðferli til að hita niðurbrot tetraklórsirkons og framleiða hreinna málmsirkon. Þessi sveigjanlegi málmur er kallaður joðmálmur eða kristalstangir og hefur góða sveigjanleika og hægt að vinna hann með kulda-. Á þeim tíma var megnið af framleiddum málmi notað í gasupptöku rafeindaiðnaðarins og íhluti fyrir lofttæmisrör, en ferlið var dýrt og framboðið takmarkað. Árið 1948 voru aðeins nokkur tonn notuð í iðnaðarframleiðslu. Seint á fjórða áratugnum voru Bandaríkin fyrst til að rannsaka notkun sirkoníums í vatns-kældum kjarnakljúfum og síðan þróuðu Rússland, Frakkland, Þýskaland og önnur lönd röð sirkonblendis frá og með 1950. Árið 1951 þróuðu bandarískir vísindamenn Zr-2.5Sn málmblönduna, einnig þekkt sem Zr-1 málmblönduna, með því að gleypa skaðleg frumefni í sirkon málmblöndur með Sn frumefnum, og stilltu síðan frumefnasamsetninguna til að þróa Zr-2 málmblönduna með framúrskarandi alhliða efni sem var notað í kjarnaeldsneyti sem fyrsti kjarnaeldsneyti heimsins. kafbátur. Síðar var endurbætt að þróa Zr-4 málmblönduna, sem er enn í notkun enn þann dag í dag. Til að leysa vandamálið um vanhæfni til að bæta enn frekar tæringarþol sirkonblendis vegna mikils innihalds Sn frumefna, með endurbótum á bræðslutækni, bættu fólk Zr-4 málmblönduna með því að stjórna innihaldi Sn frumefna og auka innihald járns og króms. Að auki hafa Zr-Nb röð málmblöndur einnig vakið athygli ýmissa landa um allan heim, svo sem Kanada sem þróaði Zr-2.5Nb málmblönduna. Á undanförnum árum, með þróun iðnvæðingar og endurbóta á tæknistigum, hafa ýmsar afkastamiklar nýjar sirkon málmblöndur verið þróaðar stöðugt, svo sem Zirlo málmblönduna í Bandaríkjunum, tæringarþolið nýja málmblönduna (NDA) Japans, E635 málmblönduna fyrrum Sovétríkjanna og M5 málmblönduna í Frakklandi, osfrv.

Rannsóknir Kína á sirkonblendi hófust á sjöunda áratugnum. Upphaflega var það aðeins til að mæta þörfum þróunar kjarnorkuiðnaðar í landinu. Það var ekki fyrr en á tíunda áratug síðustu aldar og fram í byrjun 21. aldar sem meira afkasta-bjartsýni, hagnýt fjölbreytt og sjálf-eigin hugverka sirkon málmblöndur með steypugetu voru þróuð og ákveðinn mælikvarði myndaðist smám saman. Á undanförnum árum hafa innlend fyrirtæki með framleiðslugetu sirkonblendisteypu verið stofnuð, svo sem Guonuclear Baotai Zirconium Industry, Zhongrong Crystal Ring Zirconium Industry, Luoyang Jingzhu Casting Industry, China Nuclear Group, Shenyang Casting Research Institute, Dongfang Zirconium Industry, o.fl. 100 megavatta kjarnorkutækni með þrýstivatni í kjarnaofni. Hann var fullgerður og tekinn í notkun árið 2021 og eldsneytisklæðningarrörið notar heimaþróaða N36 sirkonblendi, sem merkir að framleiðslutækni Kína fyrir kjarnasirkonblendi hefur verið meðal leiðandi stiga heims.

Þrátt fyrir að rannsóknir og framleiðsla á sirkon og sirkon málmblöndur í okkar landi hafi náð ákveðnu sjálfræði, eru rannsóknir á fullkomnari sviðum enn takmarkaðar og lokaðar af erlendum löndum. Þess vegna ættum við að styrkja þróun nýrra sirkonblendis með sjálfstæðum hugverkaréttindum sem byggjast á núverandi afrekum.

2. Steypuferli og mótunartækni sirkon og sirkonblendis

Árangur sirkon og sirkon ál steypu og gæði steypu eru mjög háð vali á bræðslutækni og mótunarferli. Í iðnaðarframleiðslu inniheldur bræðslutækni og mótunarferli sirkon og sirkon málmblöndur aðallega eftirfarandi gerðir.

2.1 Bræðslutækni sirkon og sirkonblendis

Sirkon og títan eru bæði frumefni í 4-B hópnum í lotukerfinu og hvarfvirkni þeirra er jafnvel meiri en títan. Þeir eru hætt við að hvarfast við flest efni við háan hita. Þar að auki hefur sirkon við háan hita sterka frásogsgetu fyrir gas, þannig að sirkon og sirkon málmblöndur verða að bræða og steypa í lofttæmi eða óvirku gaslofti. Eins og er, eru tómarúm sjálfuppleysandi rafskautsbogabræðslutækni og tómarúmörvunarskelbræðslutækni helstu aðferðirnar við iðnaðarframleiðslu á sirkon og sirkon málmblöndur.

2.1.1 Tómarúm sjálf-uppleysandi rafskaut Arc Shell Bræðslutækni

Meginreglan um sjálfsuppleysandi rafskautsbogabræðslutækni er að nota sjálf-uppleysandi rafskaut úr málmi sem á að bræða sem bakskaut og deiglusæti sem rafskaut. Hinn hái hiti sem myndast við rafhleðsluna á milli rafskautanna tveggja bræðir rafskautin og síðan eru þau aftur-brædd í lofttæmi eða óvirku gaslofti. Bráðin laug myndast í deiglunni og hleifurinn storknar smám saman í mótinu [14]. Tómarúm sjálfsuppleysandi rafskautsbogabræðslutækni getur á áhrifaríkan hátt fjarlægt lofttegundir eins og vetni og dregið úr innihaldi háum gufuþrýstingsþátta, auk þess að draga úr stórsæjum aðskilnaði og smásæjum aðskilnaði. Í stuttu máli, þessi tækni hefur marga kosti og er mest notaða aðferðin til að bræða sirkon og sirkon málmblöndur.

 2.1.2 Vacuum Induction Shell Bræðslutækni

Tómarúmsleiðsluskeljabræðslutækni er aðferð til að bræða málm í klofnu vatns-kældu koparíláti undir lofttæmi eða hlífðargas andrúmslofti með því að nota virkjunarspólu til að mynda segulsvið. Þessi aðferð getur einnig notað segulsviðið til að hræra málmvökvann til að tryggja jafnt hitastig. Skipta hönnunin dregur einnig úr hitatapi. Vegna tiltölulega seint upptöku og hægrar þróunar hefur þessi tækni ekki verið mikið notuð enn, og aðeins fá fyrirtæki eða verksmiðjur nota tómarúmsleiðslubræðsluofna.

2.2 Mótunarferli sirkon og sirkonblendis

Val á moldefnum er einnig mikilvægur hluti af sirkon- og sirkonblendisteypu. Hvarfgirni sirkon leiðir til getu þess til að bregðast við mörgum eldföstum efnum á markaðnum, svo að velja viðeigandi moldefni og yfirborðslagsefni er einn af lykilþáttum fyrir velgengni sirkon og sirkon ál steypu. Í rannsóknastofurannsóknum og undirbúningi iðnaðarframleiðslu eru steypuaðferðir sirkon og sirkon málmblöndur aðallega með harða moldsteypu, sandmótsteypu og bræðsluformsteypu í samræmi við mismunandi mótunarferli.

2.2.1 Harðmótasteypa

Harðmótsteypa inniheldur aðallega málmmótsteypu og grafítmótsteypu. Það er steypuaðferð þar sem fljótandi málmi er hellt í málmmót eða grafítmót og eftir kælingu og storknun fæst málmsteypa. Kostir þess eru meðal annars einföld mygluvinnsla, hægt er að endurnýta moldið mörgum sinnum og mikil framleiðslu skilvirkni. Hins vegar hentar það aðeins fyrir einfaldar-laga steypur. Sem stendur eru moldefnin sem hægt er að nota sem steypuefni fyrir sirkon og sirkon málmblöndur aðallega steypujárn, steypustál, steypt kopar og sumir eldföst málmar.

Með því að bera saman eðliseiginleika sirkon og sirkon málmblöndur má sjá að bræðslumark þeirra er hærra en bræðslumark steypujárns, steypu stáls og steypu kopar, en samt er hægt að nota þau sem steypuefni fyrir sirkon og sirkon málmblöndur. Þetta er aðallega vegna þess að miðað við sirkon hafa þessir málmar mikla hitaleiðni og ytra lagið af hita er flutt fyrst þegar sirkon bráðnar og steypuefnið komast í snertingu, en innra lagið af hita hefur ekki enn verið flutt í mótið, sem kemur í veg fyrir að moldið sé bráðnað af of háu hitastigi í einu. Þar að auki, vegna lítillar hitaleiðni, myndar sirkonbráðan þunnt fast lag á yfirborði moldsins eftir snertingu við moldið, sem dregur verulega úr varmasamskiptum milli þess og moldsins. Há-hitaþolna húðunin samanstendur af 55% - 70% (massahluti, sama hér að neðan) eldföstu dufti, 30% - 45% bindiefni, 0,1% - 1% yfirborðsvirku efni og 0,1% - 1% froðueyði. Eldfasta duftið samanstendur af að minnsta kosti einu Y2O3 og ZrO2 dufti. Þessi aðferð er einföld og skilvirk og mótin sem framleidd eru hafa 10 - 15 endingartíma, með mikilli framleiðsluhagkvæmni.

Samanborið við grafítsteypu hefur málmmótasteypa hærri kostnað og styttri líftíma. Þess vegna notar harða moldsteypuferlið fyrir sirkon og sirkon málmblöndur enn aðallega grafítmót. Í raunverulegri framleiðslu eru kröfurnar fyrir grafít hár hreinleiki (99,0%) og fullkomlega grafítiseraðir gervi grafít rafskautsblokkir. Fyrir stórar steypur, vegna langs áfyllingartíma og hægs kælihraða, er líklegra að yfirborðskalda lokun og flæðismerki komi fyrir. Til að leysa þessi vandamál hafa sumir fræðimenn lagt til aðferð til að steypa stóra sirkon- og sirkonblendihluti, sem felur í sér að útbúa grafítmót, útbúa keramikhúðun, setja húðunina á moldkjarnayfirborðið, herða og lofttæma afgasun og að lokum bræða og steypa efnið í lofttæmandi sjálfbræðslu{{5}. Þessi aðferð hentar fyrir stórar sirkon- og sirkonblendisteypur sem vega yfir 500 kg og getur náð sléttri, gallalausri og lítilli-mengunlagsþykkt steypu. Annar fræðimaður hefur einnig opinberlega birt steypuaðferð fyrir sirkon eða sirkon ál steypu, þar sem meginreglan er að framkvæma tvær bræðslur af sirkon eða sirkon málmblöndur, með fyrstu bræðslusvampi sirkon og sirkon álfelgur, og annar bræddur steypu sirkon ál eða zirconium steypu. Í samanburði við núverandi aðferðir getur þessi aðferð sparað tíma og kostnað, framleitt stærri-gæðasteypu og tryggt styrk mótsins. Hins vegar er nákvæmni steypunnar sem framleidd eru með þessari aðferð mun lakari en harðmótasteypa og tapaða mótsteypu og notkunartíðni þess í iðnaðarframleiðslu er ekki mikil og tengdar fræðilegar rannsóknir eru einnig sjaldgæfar.

Títan, sirkon, nikkel og málmblöndur þeirra eru steypt með sandsteyputækni. Aðferðin felur í sér að útbúa mótunarsand með því að nota efni eins og báxít og silíkatduft og búa síðan til mót byggð á steypuferlisteikningunum. Eldföst húðunin er útbúin með 30% til 40% bindiefni, 0% til 75% yttríumoxíði eða sirkonoxíði eða wolframdufti, 0,5% til 1% bleytingarefni og 0,1% til 0,5% froðueyðandi efni. Mótið er forhitað í 60 til 100 gráður áður en eldföstu efninu er úðað á yfirborðið í beinni snertingu við bráðna málminn og síðan sett í háhita-brennslu. Að lokum er það sett í lofttæmi rafskauts sjálf-uppleysandi skeljaofn til að bræða og steypa. Þessi aðferð gerir stóra-framleiðslu á ýmsum-stærðum steypu með sléttum og sléttum flötum kleift. Afsteypurnar eru ekki með flæðismerkjum, kuldalokum eða sprungum og engin rýrnunarhol eða innfellingar finnast í innréttingunni.

  2.2.3 Lost froðusteypa

Lost froðusteypa er einnig þekkt sem nákvæmnissteypa eða vaxsteypa. Það getur framleitt flóknar -laga steypu og steypurnar eftir mótun hafa einstaklega mikla víddarnákvæmni og yfirborðsáferð, sem gerir það hentugt til framleiðslu á sirkon og sirkon ál steypu. Þar sem eldföst efni í moldholinu hefur bein snertingu við bráðna málminn við steypu, er sú staðreynd að sirkon og sirkon álfelgur bráðnar ekki hvarfast við moldskeljarefnið einn af lykilþáttunum sem tryggja gæði steypunnar. Þess vegna ræður því að velja viðeigandi eldföst efni að miklu leyti endanleg gæði steypunnar. Val á eldföstum efnum fyrir týnda froðusteypu fer aðallega eftir því hvort þau þola háan hita, hvort þau bregðast við sirkon- og sirkonbræðslubræðslunni, hvort þau séu auðveld í vinnslu og einnig með hliðsjón af þáttum eins og kostnaði og erfiðleikum ferlisins. Eins og er, eru eldföst efni sem henta fyrir sirkon og sirkon álfelgur týnd froðu nákvæmni steypu aðallega grafít, eldföst málma, eldföst efnasambönd, oxíð osfrv.

Grafít er efni með mikinn hitastöðugleika og er almennt ekki hvarfgjarnt við sirkon og sirkon málmblöndur við háan hita. Hins vegar, mikil hitaleiðni þess gerir það að verkum að það er viðkvæmt fyrir hraðri kælingu, sem getur valdið örsprungum og kuldalokum á yfirborði steypunnar. Í týndum froðusteypu er grafítdufti blandað saman við lífræn eða ólífræn bindiefni eins og kísilsól og tilbúið plastefni til að mynda mygluskel. Þessi mótskel hefur betri sveigjanleika og lakari hitaleiðni en grafítmót í harðri mótsteypu. Að auki getur frumefni C haft áhrif á tæringarþol málmblöndunnar, þannig að grafít er almennt ekki notað sem moldskeljarefni fyrir sirkon álfelgur glatað froðu steypu.

Eldföst efnasambönd innihalda karbíð, bóríð, nítríð, súlfíð osfrv. Þessi efni hafa háan framleiðslukostnað og flest þurfa handvirka myndun. Þar að auki er virkni þeirra sem moldskeljarefni fyrir tapað froðusteypu úr sirkonblendi ekki eins góð og önnur efni. Þess vegna eru þau almennt aðeins notuð í tilraunarannsóknum.

Oxíð eru mest notuð yfirborðseldföst efni í fjárfestingarsteypu, sérstaklega sem moldskeljarefni fyrir sirkon og sirkon ál fjárfestingarsteypu, sem hefur verulega kosti. Í fyrsta lagi oxast oxíð ekki við sintun, sem sparar kostnað við að nota lofttæmi eða verndandi andrúmsloft, og þau gleypa ekki lofttegundir. Í öðru lagi hafa oxíð góða hitaeinangrunareiginleika, sem getur í raun dregið úr kælihraða málmvökvans og tryggt betri fyllingu. Í iðnaðarframleiðslu á sirkonblendi eru Y2O3 og ZrO2 algengustu moldefnin og flest önnur oxíðefni sem notuð eru í öðrum atvinnugreinum henta ekki sem moldefni fyrir hvarfgjarna málma eins og sirkon.

Aðferð til að útbúa oxíð keramik moldskeljar fyrir sirkon og sirkon álfelgur nákvæmni steypu, felur í sér að húða yfirborðslag keramik moldskeljarnar með rafbræddu Y2O3 dufti, fylgt eftir með ferlum eins og afkolun og sintrun til að framleiða mótskel sem hentar til steypu. Með þessari aðferð er hægt að framleiða sirkon og sirkon ál steypu með háum heildargæðum, hárri yfirborðsáferð og yfirborðsmengunarþykkt minni en 100 μm, sem hægt er að nota til að framleiða flóknar sirkon og sirkon ál steypu með veggþykkt minni en 3 mm. Nákvæmni steypuaðferð til að útbúa títan-sirkon ál steypur felur í sér að nota blöndu af duftformi W eða efnasambandi þess og Y2O3 dufti sem yfirborðslagsefni. Eftir að moldskelin er búin til er miðflóttasteypa eða þyngdarsteypa framkvæmd undir lofttæmi. Þessi aðferð gerir sér grein fyrir næstum-nettómyndun títan-sirkon-blendis og dregur úr vinnslukostnaði og efnistapi.