Цирконның қасиеттері

Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 25 бет
Таңдаулыға:

Циркон негізіндегі оңтайлы қасиеттерді қамтамасыз ететін легірлеуші кешендерді таңдау
Мазмұны

Кіріспе
1. Жалпы мәлімет
1.1.Ашылу тарихы
1.2.Кен орындары
2. Цирконның қасиеттері
2.1.Физикалық қасиеті
2.2.Химиялық қасиеті
2.3.Механикалық қасиеті
3. Легірлеуші элементтің Цирконның қасиетіне әсері
4. Цирконды өндіру және қолдану
5 . Легірлеуші элементтің қорытпаның синтезі теориясынан сипаттамасы
5.1.Күй диаграмма критерийлері
5.1.1.Ерігіштік немесе беріктену критерийі
5.1.2.Термиялық өңдеу критерийі
5.1.3.Үйлесімділік критерийі
5.1.4.Таралу немесе технологиялық илемділік критерийі
5.1.5.Кеуектілік критерийі
5.1.6.Температура критерийі
5.1.7.Іс жүзіндегі сұйықаққыштық критерийі
5.2. Циркон және оның қорытпаларының негізгі легірлеуші элементін таңдау
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
5.2.4.
5.2.5.
5.2.6.
5.2.7.
5.3. Цирконның легірлеуші элементтерін салыстырмалы түрде таңдау
Қорытынды
Қолданылған әдебиеттер тізімі

КІРІСПЕ

Жаңа техника салалары атомдық реактивтік, электрондық, космостың пайда болуына байланысты металдық материалға деген талап көп салалы және үздіксіз өсуде. Көбінесе бұл талаптарды қанағаттандыру үшін қиын балқитын және сирек кездесетін металдарды және олардың құймалары мен қоспаларын пайдалануға тура келеді.Заманауи техниканың талаптарына өмірге қиын балқитын және сирек кездесетін металдардың жаңа саласын дүниеге акелді.Сонымен қатар бұл салада құймалар мен қиын балқитын және сирек кездесетін метал құймаларын ,физикалық құрамын зерттейтін теорияның негізгі зерттеуі қарастырылған.Қиын балқитын және сирек кездесетін металдарды зерттеу және тәжірибе жұмысы металтану бөлімі жөнінде білім көлемін бірден үлкейтеді.Ғылыми техника ревалюциясы жылдары металтану ілімі көлемді болды.
Металтану-металдардың және қорытпалардың электронды құрылымы,құрылымыныңметалдың құрамымен, физикалық, химиялық,технологиялық және т.б. қасиеттермен өзарабайланысы туралы ғылым.Металтану ғылыми негіздерін Д.К.Чернов қалаған,ол болаттағы фазалықауысымдардың критикалық температурасын және олардың болаттағы көміртегі мөлшеріменбайланысын орнатқан.Осымен металтануда маңызды темір көміртекті қорытпалардың күй диаграммасыныңнегіздері қаланды.Металды зерттеуге үлкен үлес Д.И.Менделеевтің периодты заңының ашылуы болды.Металтанудың дамуына үлкен әсер еткен Н.С. Курнаков, А.М. Бочвар, А.А. Бочвар, А.А.Байков, С.С.Штейнберг, Н.Г.Гудцов, Г.В. Курдюмов еңбектері. Шет ел ғалымдары ішіндеметалтану дамуына зор үлесті Ле Шателье, Аустен, Осмонд, Юм-Розери, Кортрелл жәнет.б.қосты.Соңғы онжылдықта металтану қарқынды дамуда. Бұл космосты зерттеу, электроника,атом энергетиканың дамуына жаңа материалдардың қажеттілігінен туды. Ол үшінөнеркәсіптік материалдар санына периодтық жүйе элементтерінің барлық элементтерініңқосылуы керек болды.Жақын оңжылдықта теориялық металтану дамуының негізгі бағыттары техникалықтаза металдар қасиетінен ерекшеленетін таза және өте таза металдар өндіру әдістерін жасауболып табылады.
Қысыл таяң жағдайларда (өте төмен және өте жоғары температура мен қысым) металдарды зерттеуге үлкен көңіл бөлінеді. Осы уақытқа дейін машина құрылысының негізгі материалды базасы болат пен шойын өндіретін қара металлургия болып табылады. Бұл материалдар көп жақсы қасиеттерге иежәне ең алдымен машина бөлшектерінің жоғары конструкциялы беріктігін қамтамасыз етеді. Бірақ бұл классикалық материалдар үлкен тығыздық, төмен коррозиялы тұрақтылық сияқты кемшіліктерге ие. Болат пен шойыннан жасалған өнімдердің жылдық өндірісінің 20% коррозиядан шығыны болып табылады. Сондықтан, ғылыми зерттеулер мәліметтері бойынша 20-40 жылдан соң барлық дамыған елдер титан, алюминий, магний базасындағы металл қорытпаларды жапай қолдануға көшеді.Бұл жеңіл және берік қорытпалар машиналар мен станоктарды 2-3 есе жеңілдетеді, жөндеуге шығынды 10 есе азайтады. Машина құрылысында көптеген әр түрлі материалдар қолдағанымен, негізгі конструкциялы материал металдар болып табылады. Металтану ғылымының мақсаты элементтердің бағалық сипаттамасын ескере отырып материалдың негізін, легірлеуші элементтерді, өңдеу тәсілдерін таңдауда және қажетті құрылым мен қасиеттерді алу үшін белгілі көлемде білім алуды, іскерлікті және дағдыны игеру жатады

2.Жалпы мәлімет
1.1.Ашылу тарихы
Цирконий - баяу балқитын металл. Цирконийдің жер бетінде таралуының орташа пайызы 0,02% құрайды. Таралуы бойынша ол мыс, мырыш, қалайы, никель мен қорғасын секілді метталдардан асып түседі.
Бізге цирконий минералының 30-ға жуық түрі белгілі. Олардың ішінде цирконийдің негізгі өнеркәсіптік қайнар-көзі болып табылатын екі минерал - циркон ZrSiО4 және бадделеит ZrО2 бар.
Цирконий кенін магниттік және электростатикалық бөлінумен қоса гравитациялық әдістермен байытады. Цирконды кварцтан оңашаланған үстелдерге бөледі. Ильменит пен гранатты жай өрісті қоладана отырып магниті бөлгіш арқылы шығарады. Монацитті күшті өрісті қоладана отырып магниті бөлгіш арқылы шығарады рутил мен цирконды электрастатикалық әдістермен немесе қалқыту арқылы бөледі. Шығарылған концентраттар 65 % ZrО2 пайыздан кем емес болуы керек.
Циркондық концентраттар металлдық цирконды алудың бастапқы шикізаты қызметін атқарады, сонымен қатар химиялық қоспаларды (сульфатоцирконат, негізгі хлорид, негізгі карбонат) дайындау мен ферроқорытпа қорыту үшін пайдаланылады. Сонымен қоса, Циркондық концентраттарды қайта жасап шығару кезінде гафний мен оның қоспаларын алуға болады.
Циркондық концентраттардың негізін құрайтын циркон минералдары қышқылмен, азотпен, күкірт қышқылымен мүлдем ыдырамайды. Қоюланған көмір қышқыл газы 250 -300°С температурасының өзінде цирконмен әрекеттеспейді. Күйдіргіш сірті ерітіндісі 285 - 300°С температурада цирконосиликаттар ерегіш қышқылдар түзе отырып цирконмен әрекеттеседі. Тәжірибеде жүзеге асыру қиын болғандықтан бұл әдісті қолданбайды. Өнеркәсіпте қолданылатын барлық ыдырату әдістері пирометаллургиялыққа жатады. Олардың ішіндегі ең көп қолданылатындары - ізбеспен біріктіру, тұзбен немесе сілтімен біріктіру не қорыту, фторсиликат калия K2SiF6 біріктіру не қорыту, хлорлау.
Барлық үрдістер соңында алынған өнімдердің гидрометталлургиялық ыдырауына келетінін атап көрсеткен жөн.

1.2.Кен орындары
2. Цирконның қасиеттері
2.1.Физикалық қасиеті
Цирконий - Периодтық жүйенің қосалқы тобының IV элементі. Сыртқы түр - пішіні бойынша болатқа ұқсайды. Таза металл қақтауға төзімді және қысыммен механикалық өңдеуге оңай көнеді.
Цирконийдің кейбір физика-механикалық қасиеттері төменде келтірілген:
Атомдық нөмірі ... ... ... ... ...40
Атомдық массасы ... ... ... ... ... .91,22
Кристаллдық құрылымы:
-модификациясы ... ... ... ... ..ГПУ (до 862 °С),
а = 0,3223 нм,
с = 0,5123 нм,
-модификациясы ... ... ... ... ...ОЦ К,
а = 0,361 нм,
Тығыздығы, гсм3 (модификациясы) ... ... ... ... ... .6,52
Температурасы, °С:
Балқуы ... ... ... ... ... ... ..185 2+-10
Қайнауы ... ... ... ... ... ... ... .около 3600
Сызықтық кеңейуінің температуралық коэффициенті
:: 106,°С-1 ... ... ... ... .8,9

Цирконийдің физикалық, әсірессе механикалық қасиеттері көп жағдайда металлдың тазалығына байланысты. Металлдың мінездемелік қасиеті - оттегін, сутегін, азот пен көміртегін ерітіп жіберу мүмкіндігі. Осы элементтердің қоспалары цирконийді морт етеді.

Тетрагондық сингонияда кристалданады, жеке кристалдары төрт қырлы бипирамидалық призма, минералдық агрегаттары сеппе түріндегі түйірлі, колломорфты масса болады. [SіO4]4 мен Zr4+ төрттік ретті ось бойынша кезектесе орналасады, Zr4+ оттектің 8 ионы қоршаған. Цирконның түсі әр түрлі реңді қоңыр, қызыл сары, сары, сұрғылт, алқызыл, қызыл, жасыл. Ультракүлгін, катод сәулелерінен сарғылт, сары жарық шығарады, алмастай, шыныдай жылтыр; қатт. Моос шкаласы бойынша 7 -- 8, тығызд. 4,0 -- 5,1 гсм3, балқу температурасы t 2600°C, радиоактивтік қасиеті бар, метамиктік күйге ауысады. Қышқыл, сілтілі тау жыныстары мен олардың пегматиттерінде, альбиттерде, карбонатиттерде, шөгінді, метаморфтық тау жыныстарында, қорымдарда кездеседі.[[][5]]

2.2.Химиялық қасиеті
Ауада металл төзгіш болып келеді. 400-600°С қыздыру кезінде ол металлдың ары қарай тотығуын қиындататын оксидті қабыршақпен қапталады. Тотығу шапшаңдығын көбейте отырып температурасын жоғарылататын болсақ, металлдың созымдылығын өте қатты төмендететін өттектің ыдырауын байқауға болады.
Цирконның сутекті сіңіруін 300-400°С температурада байқалады. Ол қатты ерітінді мен ZrH1,54 -163 гидридін түзеді. Азот пен оттекке қарағанда сутегін 800-1000 °С температурасында ваккумде қыздыра отырып цирконнан алып тастауға болады. 800-900°С жоғары температураларда металл азотты тез өзіне сіңіріп алады да көмертекті газдармен (СО, СН4) әрекеттеседі. Азот пен көмертегімен ол тығыз және баяубалқитын қоспа - нитрит пен карбит түзеді. Төменде нитрит пен карбит қатарларының балқу температуралары мен миркотығыздықтары көрсетілген:
ZrC ZrN*1
Tпл,°С ... ... ... ... ..3420 2982
H МПа ... ... ... ... ...28500 15000
Цирконий жоғарғы температураларда дисульфид түзе отырып күкіртпен және күкіртті сутекпен әрекеттеседі. Галогендермен металл төмен қайнайтын немесе тезайналғыш хлорид, фторид және иодид түзе отырып 100-200°С температурада әрекеттеседі.

2.3.Механикалық қасиеті
Өңделген болаттың технологиялық қасиетіне түрлендіру кезінде 0,1% көлемдегі бора мен цирконидің негізіндегі модификатор біршама әсер етеді. Титан мен иттрияның бұл үрдіске әсер етуі дәл сол қоспалар шегінде көп емес. Ыссыға төзімді болаттың механикалық қасиеттері 104 кестеде келтірілген.

Рис. 3,10. Жоғары температурадағы аса таза цирконий мен титанның механикалық қасиеттері [6]
="" img=""

Радиациялық химияның тәжірибеде қолданылуын қорғаныстық және шабуылдаушылық деп бөлуге болады. Ядролық өнеркәсіп дамуының бірінші кезеңінде негізінен реакторлардағы материалдардың радиациялық-химиялық қорғанысы бойынша, жалпы жоғары радиоактивтілік жағдайында (соның ішінде космоста) қорғаныстық тұрғыдағы жұмыстар жүргізілген болатын. Өте қатты сәуленену кезінде металлдар морт, тотығуға бейім болып, жағармайлары бұзылып, оқшаулағышта электроөткізгіштік көбейеді және т.б. Сәулененуге төзімді материалдарды іздеу бойынша үлкен жұмыстар жүргізілген. Сөйтіп, сеулелену жағдайында өзінің тотықпайтын және механикалық қасиеттерін жақсы сақтайтын металл цирконий мен оның қорытпасы болып табылды.

3. Легірлеуші элементтің Цирконның қасиетіне әсері
4. Цирконды өндіру және қолдану

5 . Легірлеуші элементтің қорытпаның синтезі теориясынан сипаттамасы
5.1.Күй диаграмма критерийлері
Физика − химиялық талдаудың негізгі мақсаты құрам - қасиет тәуелділігін құрастыру болып табылады, ол жалпы графикалық түрде Н.С. Курнаков заңдарында көрсетілген. Бұл тәуелділіктер тек шамамен сұлба түрінде берілген, сондықтан тәжірибеде дәлелдене бермейді. Өйткені, кейбір факторлар қатары ескерілмейді. Мысалы, түйіршік пішіні мен өлшемі, фазалардың өзара орланасуы, күйі және т.б. Дегенмен, физика−химиялық талдау және Н.С. Курнаковтың заңдары жаңа қорытпалар алуда, фазалық айналуларды зерттеуде кең қолданылады.
Қорытпалар теориясының синтезінде Б.Б. Гуляевтың құрастырған күй диаграммаларын қолданып Негізгі металл - легірленген элемент, қорытпалардың қасиеттерін болжау арқылы қажетті қасиеттерді қамтамасыз етеді.
Со
Ср
Сэ
Сс
С
Тс
Тэ
Т
То
О
a
b
c
e
f
g
d
h
а
Т
С
a
b
c
d
О
f
б
Т
С
a
b
c
d
О
в

а) эвтетикалық күй диаграммасы;
б) төмен бағытталған перитектикалық күй диаграммасы (кемімелі);
в) Жоғары бағытталған перитектикалық күй диаграммасы (өспелі).
1 - сурет. Әр түрлі күй диаграммаларының критикалық нүктелері
Бұл есептiң шешiмi өлшемсiз параметрлер мен критерийлердің арасындағы тәуелдiлiкке негiзделедi, олар құрылымдары күрт өзгеруі кезінде күй диаграммаларымен және қорытпалардың шекті қасиеттерімен анықталады. Өтеплі параметрлерге күй диаграммаларының нүктелері мен сызықтары жатады:
шекті ерігіштік сызығы;
эвтектика, перитектика және монотектиканың концетрациялары;
негізгі металдың балқу температурасы;
эвтектикалық перитектикалық, монотектикалық (нонвариантты горизонталь) айналулардың температурасы;
эвтектикалық горизонтальдың тереңдігі (негізгі компоненттің және эвтектиканың балқу температураларының айырмашылығы);
перитектикалық айналудың түрлері - жоғарғы бағытталған (өспелісі) және төмен бағытталған (кемімелі) перитектикалар.
Легірлеуші элементтердің ерекше концетрациялары (сұйық және қатты күйінде ең жоғарғы ерігіштік, эвтектиканың, перитектиканың және монотектиканың концентрациялары) қорытпалардың негізгі эпайдалану және технологиялық қасиеттерін анықтайды.
Оларға келесі қасиеттер жатады:
беріктік (деформацияға және қирауға қарсыласуы);
илемділік (илемді деформацияға қабілеттілігі);
термиялық өңдеумен беріктенуге икемділігі;
ыстыққа сынғыштық (кристаллдану кезіндегі сызаттар);
құю және кристалдану кезіндегі кеуектілікке икемділігі;
сұйық аққыштық - балқыған металдың құйма пішінінің ішкі қуыстарын толығымен толтырып, құймалардың нобайларын келтіру.
Қорытпалар синтезі теориясында критерилерді есептеу үшін қолданалады. Алынған қорытпалардың технологиялық және пайдалану қаситерін болжауға болады.

5.1.1.Ерігіштік немесе беріктену критерийі
Ерігіштік немесе беріктену критерийі α = cd перитектика, монотектика немесе эвтектика температураларында негізгі фазада легірлеуші элементердің (ЛЭ) шекті ерігіштігін көрсетеді.
Аталған қорытпаның беріктік қасиеттерінің критеринің физикалық мағынасы легірлеуші элементтердің құрамына байланысты болуында. Қорытпалардың беріктігінің өсуі легірлеуші элементтер құрамының қатты ерітінділер аймағында нақты байқалады. Ол легірлеуші компоненттің өзбетінше бөлінген морт фазаның бөлінуіне дейін байқалады. Эвтектикадан кейінгі силуминдерде кремний күйінде - өздігінше морт фаза легірлеуші компонент ретінде, Al-Fe қорытпаларында FeAl3 эвтектикадан кейінгі болаттарда цементит күйінде, содан кейін беріктік күрт төмендейді.
Шекті ерігіштік - атомдық пайызбен өлшенетін қорытпаның негізгі компоненті жаңа фаза түзбей легірлеуші элементтердің қай мөлшерін өз торында ұстай алатынын көрсетеді. Басқаша айтқанда, α критерийі қатты ерітіндінің максимальді легірленуін және таңдалған қоспанының қатты ерітіндіні беріктендіру мүмкіндігін көрсетеді. Жуықтап айтқанда қатты ерітінділерүшін легірлеу мен беріктендіру арасында келесі тәуелділіктер байқалады:
σв = АxС - орын басу қатты ерітінділері;
σв = ВxC0,5 - ену қатты ерітінділері;
А және В - негізгі компоненттердің табиғатына тәуелді коэффициенттер.
С - атомдық пайызбен көрсетілген легірлеуші қоспаның концентрациясы.

2-сурет. α критерийін анықтау сұлбасы
ҚОРЫТЫНДЫ: α критерийінің шамасы көп болған сайын, онда легірлеуші қоспаның қатты ерітініндімен беріктену мүмкіндігіде көп болады. Сонымен қатар қатты ерітінділер үшін беріктендіру шамасы келесі факторларға тәуелді :
қатты ерітінді түріне - орын басу, ену;
негізгі және легірлеуші элементтердің атомдарының өлшемі;
кристалдық тор түріде ;
валенттілктерінің айырмашылығы;
серпімділік модулінің шамалары және т.б.
Қорытпаның негізі мен легірлеуші элементтердің сипаттамаларының айырмашылығы көп болуы керек.

5.1.2.Термиялық өңдеу критерийі
γ = cf:hg термиялық өңдеу критерийі, шынықтыру, босату ескіру нәтижесінде қорытпаның беріктенуін және эвтектикалық пен бөлме температураларында, легірлеуші элементтердің ерігіштік айырмашылығын сипаттау мүмкіндігін көрсетеді.

3. -сурет. Термиялық өңдеу критерийлерінің сұлбасы:

а - ескірген; б - шынықтырылған
4- сурет .Түрлі күйдегі Al-Cu қорытпаларының микроқұрылымы

Қатты күйде ерігіштік байқалмаған кезде (қисық сызық 1) cf және gh кесінділер өзара тең (қатты ерітінді аймағы жоқ күй диаграммасы), критерийдің шамасы γ = 1 б. Бұл жағдайда термиялық өңдеумен беріктендіру мүмкін емес, себебі қаныққан қатты ерітінді алуға болмайды.Сонымен қатар, қисық сызық 3 шекті ерігіштіктің шын мәнінде вертикаль сызықта тиімді емес, өйткені қанығудың жоғарғы деңгейін сақтау (салқындату температуралық аралығында ол жеткілікті деңгейде тұрақты) қиынға соғады. Мұндай күй диаграммасының қарапайым мысалы: Al-Si және Al-Mn жүйелері.
Егер γ 1-ден әлде қайда кіші болса, онда шынықтырудан кейін қатты ерітіндінің аса қанығу деңгейі жылдам өседі (hc1 кесіндісі), сондай - ақ ескірудің нәтижесінде дисперсті түрде беріктендіруші фазалар бөліну мүмкіндігі артады. Сонымен, эвтектикалық алаңның енінің концентрация аралығына қатынасы арқылы беріктендірудің тиімділігі анықталды және бөлме температурасында артық фазаның бөлінуі мүмкін. 4-суретте термиялық өңдеумен беріктендіру мысалы ретінде Al-4 қорытпаның шағын құрылымы шынықтырылған қорытпаны ескірту нәтижесінде көрсетілген.
ҚОРЫТЫНДЫ: γ критерийінің шамасы термиялық өңдеу жоғарғы беріктікті алу үшін аз болуы керек.

5.1.3.Үйлесімділік критерийі
1) β = bd үйлесімділік критерийі (немесе теориялық сұйықаққыштық), бірінші эвтектиканың немесе перетектиканың атомдық пайызбен сипатталатын, негізгі компоненттің сұйық фазадағы (ЛЭ) қосындының шекті еруін концентрациясын сипаттайды. Эвтектикалық немесе перитектикалық температуралық горизонтальдан жоғары (қатты- сұйық күйдегі аумақ) өз құрамына байланысты abcd аймағында β критериі концентрация-температура кристалдану аралығында сұйық және қатты фазалар арасындағы қатынасты анықтайды, демек, соған жанама түрде құймалардың сұйық аққыштығын (эвтектика үшін ол максимал мәнге тең) сұйық және қатты фазалар аралығында екі параметр арқылы және ΔТкр ені арқылы сипаттайды.
5-суретінен Х концентрациялы құймасы үшін эвтектикалық нүктенің үш белгісінде b1, b, b2 тұтқа ережесі бойынша mx кесіндісі сұйық фазаның құрамына, ал xn1, xn және xn2 кесінділері қатты фазаның құрамына пропорционал. Сонымен қатар эвтектиканың концентрациясы неғұрлым жоғары болған сайын, қатты фазалардың кристалдану мөлшері температура-концентрация аралығында көп болады, осыған орай, қорытпаның теориялық сұйықаққыштығы эвтектиканың концентрациясы жоғары болған кезде жоғары концентрациялы концентрацияланған эвтектикаға қарағанда, төмен болады.

5-сурет. β критерийін сипаттай сұлбасы
ҚОРЫТЫНДЫ: құймалы қорытпалар үшін β критерийінің шамасы төмен болу керек.
Кристалдану температурасының аралығы үшін (ΔТкр.) сұйықаққыштық өзгеруі үйлесімділік критерийіне ұқсас өзгереді, мысалы: эвтектика неғұрлым конценрациялы болса, кристалдану температуратурасының аралығы соғұрлым кең болады, қорытпалардың сұйықаққыштық және құюлу қасиеттері нашарлайды.

5.1.4.Таралу немесе технологиялық илемділік критерийі
ω = cd:bd таралу немесе технологиялық илемділік критерийі - қорытпа негізіндегі қатты және сұйық фазалардағы легірлеуші компоненттердің қатынасын және қатты ерітінді мөлшері мен эвтектика және перитектиканың арасындағы қатынасын сипаттайды.

6-сурет. Эвтектикалар үшін ω критерийінің сұлбасы

7-сурет. Перитектикалар үшін ω критерийінің сұлбасы
α және β критерийлерінің ара қатынасынан эвтектикалық қорытпалар үшін ω өлшемі 1 - ден төмен, ал перитектикалық (өспелі перитектика) үшін 1 ден жоғары болады. Қатты күйде ерігіштік жоқ болғанда c -- d ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.