Мазмұны

4.2 Титан, цирконий және гафнийдің қолдану салалары

Титанды қолдану салалары
Титан және оның негізіндегі қорытпалар. Титан мен оның негізіндегі қорытпалар өндірісі 50-ші жылдардың басында реактивті авиация мен зымыран техникасы үшін жаңа құрылымдық материалдардың қажеттілігіне байланысты пайда болды. Титан негізіндегі қорытпалар жоғары беріктікке ие (беріктік пен тығыздық қатынасы). Титан негізіндегі ең жақсы заманауи қорытпалар (\(\small \text{Al}\), \(\small \text{Cr}\), \(\small \text{V}\), \(\small \text{Mo}\), \(\small \text{Mn}\) қоспаларымен легірленген) \(\sigma_{\text{в}} = 1200-1500 \, \text{МПа}\) уақытша кедергісіне ие, бұл 270-330 меншікті беріктігіне сәйкес келеді. Уақытша кедергісі дәл осындай болатын легірленген болаттардың меншікті беріктігі 155-190 құрайды.
Титан негізіндегі қорытпалардан ұшақтардың фюзеляж бөліктері мен реактивті қозғалтқыш бөлшектері жасалады. Зымыран жасауда қозғалтқыш корпустары, сұйық сутегі контейнерлері және басқа бөлшектер легірленген титаннан жасалады. Титан негізіндегі қорытпаларды теңіз кемелерін жасауда, автомобиль және теміржол көлігінде қолдану перспективалы.
Титан мен оның негізіндегі қорытпалар химиялық машина жасауда, ЖЭО конденсациялық жүйелерінде, медициналық құралдарды өндіруде және басқа салаларда коррозияға төзімді материал ретінде кеңінен қолданылады.
Титан өндірісі саласындағы жетекші елдер - Қазақстан, АҚШ және Жапония. Титанның өнеркәсіптік өндірісі Англияда, Францияда да жүзеге асырылады. Титанның шамамен 75-80% - ы авиацияда, кеме жасауда және ғарыш техникасында, қалғаны химиялық инженерияда және басқа салаларда қолданылады.
Болаттардағы титан. Оттегі мен азотқа жоғары тартымдылығына байланысты титан болат өндірісінде тиімді тотықсыздандырғыш және деазотизатор ретінде қолданылады. Сонымен қатар, титан күкіртті байланыстырып, күшті сульфид түзеді. Осылайша болаттың сынуын тудыратын \(\small \text{Fe-FeS}\) эвтектикасының балқитын қабаттарының түзілуін жояды. Тотықсыздандыру және деазотизация үшін болатқа 0,03-тен 0,2% - ға дейін титан ферротитан түрінде енгізіледі (18-25% \(\small \text{Ti}\)). Легірлеуші қоспа ретінде титанды марганецті, хромды, хромолибденді және хром никельді коррозияға төзімді болаттарға енгізеді. Соңғысында титан кристал аралық коррозияны жояды.
Түсті металдармен қорытпасы. Мысқа, мысты және алюминий қорытпаларына қосылған титан, олардың беріктік қасиеттерін және коррозияға төзімділігін жақсартады. Мысты тотықсыздандыру үшін купротитан қолданылады (6-12% титанмен мыс қорытпасы). Алюминий қолаларына 0,5-1,55% титан алютит қорытпасы түрінде енгізіледі (40% \(\small \text{Al}\), 22-50% \(\small \text{Ti}\), 40% \(\small \text{Cu}\)).
Қатты және ыстыққа төзімді қорытпалар. Титан карбиді құрылымдық қатты қорытпалардың құрамына кіреді (10-40% \(\small \text{TiC}\), 85-50% \(\small \text{WC}\), қалғаны - кобальт). Титан карбиді болаттарды өңдеу үшін ең тиімді және экономикалық маңызы зор материал болып табылады.
Соңғы жылдары никель-молибденді цементтеу байланыстырғышы бар, карбид пен титан нитридіне негізделген вольфрам қатты қорытпалары әзірленді және өндірілді. Титан карбиді реактивті қозғалтқыштарда, газ турбиналарының бөлшектерін жасау үшін қолданылатын ыстыққа тұрақты және ыстыққа төзімді қорытпалардың құрамына кіреді.
Титан диоксиді. Титан диоксидін - жоғары жабу қабілеті бар титанның ақ түсті пигментін алуда маңызды рөл атқарады және ол улы емес. Олар кемелерді, машиналарды бояу үшін қолданылады, эмаль, резеңке, қағаз целлюлозасының құрамына енгізіледі.
Табиғи титан диоксиді (рутил) немесе техникалық диоксид электрмен дәнекерлеуге арналған электродтарды майлау заттарының құрамына енгізіледі. \(\small \text{TiO}\) (173-180) рутильді (сондай-ақ барий титанаты) формасының жоғары диэлектрлік тұрақтылық қасиеті, оны конденсаторлар, радиоаппаратура, жоғары жиілікті пештер өндірісінде қатты диэлектриктерді өндіру үшін қолдануға әкелді.

Цирконийді қолдану салалары
Цирконий және оның қорытпалары мен қосылыстары техниканың әртүрлі салаларында қолданылады: атом энергетикасы, электроника, пиротехника, машина жасау, түсті металдармен болаттар мен қорытпалар өндірісі, отқа төзімді заттар, керамика және эмальдар, құю өндірісі.
Атом энергетикасы. Гафнийден тазартылған цирконийдің жылу нейтрондарын ұстаудың қимасы өте кіші, отқа төзімділігі, коррозияға төзімділігі және жақсы механикалық қасиеттері бар. Осыған байланысты 50-ші жылдардың басында уранның жылу бөлетін элементтерінің қорғаныш қабықтарын, жылу бөлетін сұйықтық тасымалданатын құбырларды және ядролық реакторлардың элементтерін жасауда құрылымдық материал ретінде цирконийге баса назар аударылған.
Цирконийдің қасиеттерін жақсарту үшін ол қалайы \(\small (1,4-1,6\%)\); темір \(\small (0,1-0,15\%)\), хром \(\small (0,08 - 0,12\%)\), никель \(\small (0,04-0,06\%)\) қоспаларымен легірленеді.
Электроника. Бұл аймақта электронды құрылғыдағы жоғары вакуумды ұстап тұру үшін цирконийдің газдарды сіңіру қабілеті (геттер ретінде қызмет ету) пайдаланылады. Осы мақсатта цирконий ұнтағы анодтардың, торлардың және басқа бөлшектердің бетіне жағылады. Цирконий фольгасы молибден антикатодтары бар рентген түтіктерінде сүзгі ретінде қолданылады.
Пиротехника және оқ-дәрі өндірісі. Тұтану температурасы төмен және жану жылдамдығы жоғары цирконий ұнтақтары капсулалы детонаторларының қоспаларында, сондай-ақ фотожарқылға арналған қоспаларда тұтандырғыш ретінде қолданылады. Тотықтырғыштармен \(\small [\text{B(NO}_3\text{)}_2, \text{KClO}_3]\) қоспасында цирконий ұнтақтары түтінсіз ұнтақ түзеді.
Машина жасау. Иілгіш цирконий мен қорытпалар өндірісінің кеңеюіне байланысты, оны химиялық машина жасауда, қышқылға төзімді материал ретінде (центрифуга бөлшектері, сорғылар, конденсаторлар, буландырғыштар және т.б.), жалпы машина жасауда (поршеньдер, байланыстырушы шыбықтар, тартқыштар және т. б.) және турбоқұрылыста (турбина қалақтары және басқа бөлшектер) пайдаланады.
Түсті металдар қосылған болаттар мен қорытпалар. Цирконий - болаттың тиімді тотықсыздандырғышы және деазотизаторы. Сонымен қатар, ол бронды және мылтық болаттарының, коррозияға төзімді және ыстыққа төзімді болаттардың кейбір сорттарына енгізілетін құнды легірлеуші элемент болып табылады. Болатқа енгізу үшін ферросиликоцирконий қолданылады \(\small (40-45\% \text{Zr}, 20-24\% \text{Si}, \text{қалғаны темір})\). Цирконий түсті металдарға негізделген бірқатар қорытпалардың құрамына кіреді.
Беріктікті жақсарту үшін мыс \(\small (0,1-5\% \text{Zr})\) циркониймен легірленеді. Ұсақ түйіршікті құрылым беру үшін магний қорытпалары да циркониймен легірленеді. Цирконий қорғасын қолаларына қосылады, бұл қорытпадағы қорғасынның бөлінуіне жол бермейді. Құрамында \(\small 0,35 \%\text{Zr}\) бар мыс-кадмий қорытпалары жоғары беріктік пен электр өткізгіштікке ие.
Соңғы жылдары құрамында цирконий бар асқын өткізгіш қорытпалар жасалды. Атап айтқанда, жоғары кернеулі магнитті аймағы бар қорытпасы \(\small 75\% \text{Nb}-25\% \text{Zr}\) электромагниттерді жасау үшін қолданылады.
Отқа төзімді материалдар, фарфор, эмаль және шыны өндірісі. Бұл салада жалпы тұтынылатын цирконийдің жартысынан көбі қолданылады. Отқа төзімді материал ретінде циркон минералы \(\small \text{ZrSiO}_4\) мен цирконий диоксиді қолданылады. Соңғысы әдетте кальций, магний немесе иттрий оксидтерінің қоспаларымен тұрақтандырылады, бұл жоғары температуралы текше модификациясының тұрақтануына байланысты қыздырылған кезде өнімдердің жарылуын болдырмайды. Цирконий мен цирконнан металлургиялық пештерге арналған кірпіш, тигельдер және басқа да бұйымдар жасалады.
Цирконий диоксиді және оның минералдары электр тасымалдау, жоғары жиілікті қондырғылар және ішкі жану қозғалтқыштарының тұтандырғыш шамдары үшін электротехникалық фарфор құрамына енгізіледі. Олар сондай-ақ эмальдардың құрамына (оларға ақ түс пен қышқылға төзімділік беру үшін) және әйнектің кейбір сорттарының құрамына (сілтілік ерітінділердің әсеріне тұрақтылығын артады) енгізіледі.
Құю өндірісі. Бұл аймақта жақсы құйма бетін алу мақсатымен, құю қалыптарын ұнтақтау үшін цирконий концентратының едәуір бөлігі қолданылады.
Басқа қолдану салалары. Басқа салалардың ішінде \(\small \text{ZrO}_2\)-ді пьезокерамикалық материалдарды синтездеуде (қорғасын цирконотитанаттары және т. б.) және оптикалық әйнекті өңдеуде қолданылуы туралы айту керек; \(\small \text{ZrO}_2\) немесе \(\small \text{ZrO}_2-\text{Y}_2\text{O}_3\) қоспасы жоғары температуралы отын элементтерінде қатты электролит ретінде қолданылады \(\small (1000 \, \text{℃} \text{және одан жоғары})\); былғары өнеркәсібінде тотықтырғыш ретінде қос цирконий сульфаттарын қолдану; тетрахлорид және цирконий оксихлориді органикалық қосылыстар синтезінде катализаторларды дайындау үшін қолданылады.
Тұтыну аймақтары бойынша цирконийдің шамамен қолданылуы келесідей, %: құю өндірісі - \(\small 42\), отқа төзімді материалдар - \(\small 30\), керамика - \(\small 12\), абразивтер - \(\small 4\), металл, қорытпалар және т.б. - \(\small 12\).

Гафнийді қолдану салалары
Гафнийдің өнеркәсіптік өндірісі 1950-1951 жылдары пайда болды. Жылу нейтрондарын ұстаудың жоғары қимасының нәтижесінде \(\small (115 \times 10^{-24} \text{ см}^2)\), метал және оның қосылыстары \(\small \text{HfO}_2\), \(\small \text{HfB}_2\) ядролық реакторларды реттейтін және қорғайтын құрылғыларда қолданылады. Екінші перспективалы сала - отқа және ыстыққа төзімді материалдар өндірісі. Сонымен, гафний карбидін \(\small (\text{балқу температурасы } 3890 \, \degree C)\), сондай-ақ \(\small (25\% \, \text{HfC} + 75\% \, \text{TaC} \, (t_{\text{балқу}} - 4200 \, \degree C)\) қатты ерітіндісін пайдалану перспективалы болып табылады. Басқа отқа төзімді металдар (тантал, ниобий, вольфрам) мен гафний қорытпалары жоғары ыстыққа төзімді.