金属锆:锆

锆(zirconium)

元素符号Zr原子序数40，晶体结构密排六方，熔点1852℃，海绵锆是制备锆合金、锆粉的主要原料。金属锆是一种广泛用于原子能工业中的难熔金属材料。

简史1789年德国克拉普特(M．H．Klaprath)在锆石中发现了一种新的氧化物，起名叫Zir—Conia。1824年瑞典人贝采利乌斯(J．J．Bel．Zelius)用钾还原K₂ZrF₆制得金属锆，由于含杂质多，它为脆性的黑色粉末。1914年德国人莱利(D．Lely)等用高纯钠还原提纯ZrCl。，制得韧性的金属锆。1925年德国人范阿克耳(VanArkel)和德布尔(deBoer)两人解离zrI。，在热钨丝上沉积到延展性更好的金属锆。1944年美国矿务局在克劳尔(w．J．Kroll)的指导下，研究成功延性锆规模较大的生产方法。中国在1958年生产出了第一批无铪海绵锆。60年代后，逐渐建成锆的工业体系，现已能生产各种规格锆及锆合金材料。

分类 金属锆的原料为海绵锆，海绵锆分原子能级和工业级两种。原子能级海绵锆中的杂质含量列于表1。

性能  包括物理性能、力学性能和化学性质等。

力学性能纯锆的室温力学性能列于表2。

化学性质  锆是一种较活泼的金属，它在常温下带有光泽。锆在空气、水、蒸汽和无机酸、有机酸、强碱、盐溶液及熔融盐中有很好的稳定性和耐蚀性。因为，锆在这些介质的使用温度下，其表面形成一层致密的粘着力强的保护氧化膜。但是，在一定的温度下锆与上述介质便发生不同程度的反应，其情况分述如下：(1)在200℃与氧开始反应；在300lc与氢开始反应；在400℃与氮开始缓慢反应；在500℃与co₂和CO反应；高于600℃与空气急剧反应。在2MPa的氧中纯锆箔能自燃，细锆粉在空气中非常容易着火。各种气体在锆中的溶解度不一样，它们的反应产物能全部或部分溶于锆内。若氢含量达到饱和后，便形成氢化物，使锆发生脆化，可采用高温真空退火的措施使氢含量降到无害水平。热状态的锆能与氯化铵、熔融的各种氯化物、氯化锌、氯碳化氢和一般氯化试剂等很容易形成氯化物。

(2)锆很容易被含氟化物的酸溶液侵蚀，如含有3×10^-6氟化物的浓度为50％的沸腾硫酸，对锆的侵蚀率为1.25mm/a，常用硝酸和氢氟酸的混合液来清洗锆的表面。锆在处于沸腾温度以下其浓度低于70％的硫酸中很耐蚀，但焊接件的热影响区当硫酸浓度高于55％时，耐蚀性降低。在65％～75％浓度的硫酸中，二价铜离子、铁离子或氮化物离子的存在将使锆的腐蚀速率明显增大。锆在浓度达98％、温度达沸点的硝酸中是耐蚀的，但锆的焊接件在浓度高于70％的硝酸中发生应力腐蚀开裂。

(3)锆抗1000℃的熔融苛性钠的腐蚀，但抗苛性钾的腐蚀较差。

(4)锆完全抗有机酸的侵蚀。

(5)锆抗高于沸点温度所有浓度的盐酸的侵蚀。锆对溴氢酸和碘氢酸也具有优异的耐蚀性。

制备方法  包括锆材制备和锆粉制备。

锆材制备金属锆的原料为海绵锆，一般采用真空自耗电弧炉把海绵锆熔炼制成铸锭，经热锻或热挤压成板、棒和管坯、再经中间退火及冷加工，生产成管材、板材、箔材和丝材。纯锆的铸锭、无缝管、棒材和线材的中国国家标准分别为GB8767—88、GB8768—88和GB876988。

锆粉制备 制取锆粉的方法有多种，工业生产主要用氢化一脱氢法。其方法是先将金属锆在高温(约700C)下加氢使合成氢化锆，把氢化锆粉碎、分级制得氢化锆粉，继续将氢化锆粉高温真空脱氢、分级，便制得金属锆粉。锆粉是一种易燃易爆危险品，在生产过程中和搬运时要注意安全。在生产过程中尽量采用湿法操作，在脱氢后出炉时锆粉必须钝化处理后方可出炉。在贮藏和运输过程中，必须将锆粉置于塑料桶封装，加水保护。一旦锆粉着火，必须使用氩气或砂粒、盐粒灭火，决不允许使用水、CO₂类常规灭火器灭火。爆燃剂和热电池用锆粉的中国国家标准为GBl96—83。

用途 海绵锆的90％以上是作为核反应堆中结构和包壳材料的锆基合金的原料。金属锆在化工、农药、印染等行业中可用来制造耐腐蚀的反应塔、泵、热交换器、阀门、搅拌器、喷嘴、导管和容器衬里等，它还可作为炼钢过程中的脱氧：脱氮剂，铝合金的晶粒细化剂。锆丝可作为栅板支架、阴极支架和栅板材料，以及作为空气等离子切割机的电极头。锆粉主要在军火工业上用作爆燃剂，在电子器件内可作为消气剂，它也可制作雷管、引火物、烟花和闪光粉。