Гафний

Гафний: свойства, сортамент и применение в промышленности

Гафний тугоплавкий металл серебристо-серого цвета с плотностью 13,31 г/см и температурой плавления 2233 C. Относится к группе переходных металлов IVB группы периодической системы. В атомной и химической промышленности востребован благодаря уникальному сочетанию ядерных и коррозионных характеристик. Сечение захвата тепловых нейтронов у гафния составляет 115 барн, что в сотни раз выше, чем у циркония. Это свойство определяет его применение в системах регулирования ядерных реакторов.

Основные физико-механические параметры

Гафний демонстрирует высокую температуру плавления (2233 C) и температуру кипения 5400 C. Теплопроводность при 20 C составляет 23 Вт/(мК). Модуль упругости от 78 до 140 ГПа в зависимости от направления кристаллической решётки. Предел прочности при растяжении для деформированного металла достигает от 450 до 550 МПа, относительное удлинение от 15 до 25 %. Твёрдость по Бринеллю от 170 до 200 HB. Гафний устойчив к коррозии в воде и водяном паре при температурах до 350 C, а также в расплавах щелочных металлов.

Сортамент и формы поставки

Металлопрокат из гафния выпускается в нескольких формах, каждая из которых ориентирована на конкретные технологические задачи:

• Прутки калиброванные диаметром от 5 до 50 мм для изготовления регулирующих стержней и крепежа.
• Листы и плиты толщиной от 0,5 до 20 мм для футеровки и деталей химической аппаратуры.
• Трубы бесшовные с наружным диаметром от 10 до 100 мм для теплообменников и трубопроводов.
• Фольга толщиной от 0,05 до 0,5 мм для мишеней ионного распыления и вакуумной металлизации.
• Проволока диаметром от 0,5 до 5 мм для электродов и термопар.

Химический состав и примеси

Технический гафний марок ГФ-1 и ГФ-2 содержит основного металла не менее 99,5 %. Основные контролируемые примеси: цирконий (не более 0,5 %), титан (до 0,05 %), железо (до 0,05 %), кремний (до 0,02 %). Для ядерных применений нормируется содержание гафния в цирконии не более 0,01 %. В жаропрочных сплавах на основе никеля гафний вводят в количестве от 0,5 до 2,0 % для повышения стойкости к окислению.

Области применения

Гафний используется в отраслях, где требуются высокая температура плавления, коррозионная стойкость и способность поглощать нейтроны:

• Ядерная энергетика регулирующие стержни для реакторов типа ВВЭР, PWR и CANDU. Стержни из гафния обеспечивают плавное регулирование мощности и аварийную защиту.
• Химическая промышленность теплообменники, реакторы и трубопроводы для работы с соляной и серной кислотами при температурах до 200 C.
• Металлургия легирующая добавка в жаропрочные никелевые сплавы (ЖС6У, ЖС32) для газотурбинных двигателей. Содержание гафния от 0,5 до 2,0 % повышает жаростойкость и сопротивление термической усталости.
• Электронная промышленность мишени для магнетронного распыления при производстве тонкоплёночных покрытий и затворов МОП-транзисторов.
• Вакуумная техника геттеры и электроды для мощных генераторных ламп.

Особенности обработки и сварки

Гафний пластичен в деформированном состоянии, но склонен к охрупчиванию при насыщении водородом. Горячая деформация выполняется при температурах от 800 до 1100 C в инертной атмосфере или вакууме. Сварка гафния возможна методами TIG и электронно-лучевой сварки в среде аргона высокой чистоты (99,998 %). При сварке необходимо исключить контакт с азотом и кислородом образование нитридов и оксидов снижает пластичность шва. Рекомендуемая скорость охлаждения после сварки не более 50 C/мин для предотвращения растрескивания.

Вопросы и ответы