مقاومت در برابر خوردگی زیرکونیوم در اوره، محیط های آلی و گازهای داغ

چرا زیرکونیوم در برابر خوردگی مقاومت می کند؟

زیرکونیوم مقاومت در برابر خوردگی خود را مدیون یک لایه اکسید نازک و مقاوم است که فوراً روی یک سطح تمیز تشکیل می شود و در صورت آسیب دیدگی خود را درست مانند تیتانیوم ترمیم می کند. در بیشتر محیط‌های آبی و آلی، فیلم پایدار می‌ماند، بنابراین نرخ حمله حتی در سرویس‌های شیمیایی تهاجمی ناچیز باقی می‌ماند. این فلز عمدتاً به صورت Zr702 غیرآلیاژی با محتوای هافنیوم کنترل شده و تا حدودی کمتر به صورت آلیاژی Zr705 به شکل میله، سیم و لوله عرضه می شود. میله و سیم معمولاً در برابر ASTM B550 و لوله در برابر ASTM B523 سفارش داده می شود.

سنتز اوره و محیط های آلی

در شرایط دمای بالا و فشار بالا سنتز اوره، زیرکونیوم به طور استثنایی در برابر خوردگی مقاوم است، به همین دلیل است که از آن برای آسترها، داخلی ها و لوله ها در این فرآیند استفاده می شود. همچنین پایداری شیمیایی خوبی را در بسیاری از محیط های تولید پلیمر، رنگ آزو و اتانول نشان می دهد. در آزمایش‌هایی با محیط‌های انتقال حرارت مانند مخلوط‌های بی‌فنیل کلردار و کومن، نرخ خوردگی زیرکونیوم به طور موثر صفر بود. اگر هیدروژن در محیط وجود داشته باشد، زیرکونیوم آن را جذب می کند. نگه داشتن آب در محیط باعث حفظ لایه اکسید و کاهش جذب هیدروژن می شود.

رفتار در گازها و در دمای بالا

زیرکونیوم توسط اکثر گازها در دمای 300-400 درجه مورد حمله قرار نمی گیرد، اما در بالای این محدوده تصویر به سرعت تغییر می کند و هر گاز آستانه خاص خود را دارد.

متوسط	آستانه	تاثیر روی زیرکونیوم
CO، CO2، SO2، C3H8، N2 و بخار	300-400 درجه	بدون خوردگی
هوا	حدود 425 درجه	پوسته پوسته شدن و پوسته پوسته شدن شدید
اکسیژن	حدود 540 درجه	زیرکونیای سفید روی سطح ایجاد می کند
هیدروژن	بالاتر از حدود 704 درجه	جذب سریع و شکنندگی
نیتروژن	آهسته از 400 درجه، خشونت بالای 800 درجه	تشکیل نیترید
هوا، قرار گرفتن در معرض طولانی مدت	حدود 1000 درجه	اکسیداسیون سریع و از دست دادن یکپارچگی

این محدودیت ها به روشی ساده تجمعی نیستند و هنگامی که دمای کار از حدود 400 درجه در هوا عبور می کند، خلاء یا اتمسفر خنثی با خلوص بالا بسیار قابل اعتمادتر از هر اقدام محافظتی جزئی است.

جذب هیدروژن، شکنندگی و بازپخت

هیدروژن به آسانی در زیرکونیوم محلول است و حلالیت آن با دما به شدت افزایش می یابد. جذب در حدود 300-400 درجه شروع می شود و هنگامی که هیدروژن کافی جذب شود، فلز دچار شکنندگی هیدروژنی می شود که با از دست دادن شکل پذیری و ترک خوردن نشان داده می شود. هیدروژنی که در حین کار یا در حین ترشی جمع آوری می شود را می توان با آنیل خلاء در حدود 1000 درجه حذف کرد. اکسیژن و نیتروژن رفتار متفاوتی دارند: بازپخت خلاء آنها را حذف نمی کند، بنابراین هر دو باید در حین ذوب و پردازش کنترل شوند، زیرا هر یک سختی را افزایش داده و انعطاف پذیری را به طور غیر قابل برگشتی کاهش می دهد. زیرکونیوم تمایل زیادی به اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن دارد که تقریباً با تیتانیوم قابل مقایسه است.

راهنمای طراحی و ساخت

سرویس هوای مداوم را زیر حدود 400 درجه نگه دارید و از خلاء یا گاز خنثی خشک برای هر عملیات گرمتر استفاده کنید.

از اتمسفرهای حامل هیدروژن بالاتر از حدود 300 درجه خودداری کنید، مگر اینکه برای آنیل خلاء بعدی برنامه ریزی شده باشد.

از فیلم اکسید محافظت کنید: با ابزار تمیز دسته بزنید و از ساییدگی یا انفجار غیر ضروری خودداری کنید.

برای ترشی، از مخلوط اسید هیدروفلوئوریک و نیتریک اسید استفاده کنید، سپس کاملاً بشویید و خشک کنید.

از تماس مستقیم با کربن در دمای بالا اجتناب کنید، زیرا کاربید زیرکونیوم می تواند تشکیل شود.

برای جلوگیری از اثرات گالوانیکی و انتشار، اجزای بلند را به جای فولاد روی پایه های زیرکونیوم یا سرامیک پشتیبانی کنید.

سوالات متداول

س: چرا زیرکونیوم در تجهیزات سنتز اوره استفاده می شود؟
زیرکونیوم در شرایط اوره با دمای بالا و فشار بالا به طور استثنایی در برابر خوردگی مقاوم است، بنابراین آسترها، داخلی ها و لوله ها یکپارچگی خود را در جایی که بسیاری از فلزات دیگر به سرعت از بین می روند، حفظ می کنند.

س: زیرکونیوم در چه دمایی در هوا اکسید می شود؟
حمله هوا در حدود 425 درجه شدید می شود، اکسیژن در حدود 540 درجه زیرکونیای سفید تشکیل می دهد و قرار گرفتن طولانی مدت در نزدیکی 1000 درجه فلز را از بین می برد، بنابراین کار داغ نیاز به خلاء یا گاز بی اثر دارد.

س: آیا زیرکونیوم دچار شکنندگی هیدروژنی می شود؟
بله در حدود 300-400 درجه شروع به جذب هیدروژن می کند و حلالیت با دما افزایش می یابد، بنابراین برداشت باعث شکنندگی می شود. هیدروژن را می توان با آنیل خلاء در حدود 1000 درجه حذف کرد.

س: آیا بازپخت خلاء می تواند اکسیژن و نیتروژن زیرکونیوم را حذف کند؟
نه. بازپخت خلاء فقط هیدروژن را حذف می کند. اکسیژن و نیتروژن باید در طول ذوب و فرآوری کم نگه داشته شوند زیرا هم سختی را بالا می برند و هم شکل پذیری را به طور دائم کاهش می دهند.

س: زیرکونیوم در نیتروژن چگونه عمل می کند؟
در حدود 400 درجه به آرامی شروع به واکنش می کند و در بالای 800 درجه به شدت واکنش نشان می دهد و نیترید تشکیل می دهد، بنابراین از اتمسفر نیتروژن در پردازش گرم اجتناب می شود.

س: آیا آب در یک محیط فرآیند به زیرکونیوم کمک می کند؟
بله مقدار کمی آب لایه اکسید محافظ را حفظ می کند و جذب هیدروژن را کاهش می دهد، به همین دلیل است که محیط های حامل آب نسبت به یاتاقان های هیدروژن خشک تهاجمی کمتری دارند.