Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины
Проведен анализ применения редкоземельных элементов (РЗЭ) для создания конструкционных материалов атомной промышленности Украины. Систематизированы данные по выявлению форм нахождения РЗЭ в природе в виде минералов, которые аккумулируют эти элементы в составе гранитных и щелочных пород, широко распр...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110893 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины / В.М. Ажажа, Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, Н.Д. Рыбальченко, Э.П. Шевякова // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 195-201. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860129638991265792 |
|---|---|
| author | Ажажа, В.М. Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Рыбальченко, Н.Д. Шевякова, Э.П. |
| author_facet | Ажажа, В.М. Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Рыбальченко, Н.Д. Шевякова, Э.П. |
| citation_txt | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины / В.М. Ажажа, Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, Н.Д. Рыбальченко, Э.П. Шевякова // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 195-201. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проведен анализ применения редкоземельных элементов (РЗЭ) для создания конструкционных материалов атомной промышленности Украины. Систематизированы данные по выявлению форм нахождения РЗЭ в природе в виде минералов, которые аккумулируют эти элементы в составе гранитных и щелочных пород, широко распространенных в горных массивах и месторождениях Украины. Рассмотрены основные источники получения РЗЭ. Проанализированы основные современные методы и способы получения РЗЭ. Разработаны методы получения лигатур РЗЭ для повышения радиационной стойкости металлов и сплавов.
Проведено аналіз застосування рідкісноземельних елементів (РЗЕ) для створення конструкційних матеріалів атомної промисловості України. Систематизовані дані по виявленню форм знаходження РЗЕ у природі у вигляді мінералів, які акумулюють ці елементі у складі гранітних та лужних порід, широко розповсюджених у горних масивах і родовищах України. Розглянуто основні джерела отримання РЗЕ. Проаналізовані основні сучасні методи і засоби отримання РЗЕ. Розроблено методи отримання лігатур РЗЕ для підвищення радіаційної стійкості металів і сплавів.
Analysis of the use of rear-earth elements for development of structure materials of nuclear industry of Ukraine is carried out. Data are classified on the detection of REE natural occurence as minerals, accumulating these elements in the composition of granite and alkaline rocks widely extended in rock mass and deposits of Ukraine. The main sources of REE production are considered. The main modern methods and processes of REE production are analyzed. Methods are developed for REE alloying composition fabrication for the increase of radiation resistance of metals and alloys.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:43:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 553.44.6:669.14.018
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕН-
ТОВ ПРИ СОЗДАНИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ
АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УКРАИНЫ
В.М. Ажажа, Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, Н.Д. Рыбальченко Э.П. Шевякова
ИФТТМТ Национального научного центра «Харьковский физико-технический
институт», г. Харьков, Украина; Е-mail: van@kipt.kharkov.ua
Проведен анализ применения редкоземельных элементов (РЗЭ) для создания конструкционных материа-
лов атомной промышленности Украины. Систематизированы данные по выявлению форм нахождения РЗЭ в
природе в виде минералов, которые аккумулируют эти элементы в составе гранитных и щелочных пород,
широко распространенных в горных массивах и месторождениях Украины. Рассмотрены основные источни-
ки получения РЗЭ. Проанализированы основные современные методы и способы получения РЗЭ. Разработа-
ны методы получения лигатур РЗЭ для повышения радиационной стойкости металлов и сплавов.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы возросла область использова-
ния редкоземельных элементов [1-4] при получении
специальных сталей и сплавов в атомной технике, в
микроэлектронике и радиотехнике.
Добавки РЗЭ в небольшом количестве улучшают
структуру, пластичность, прочность, ударную вяз-
кость. Примеси РЗЭ ведут к возрастанию жаропроч-
ности, остаточной красноломкости Cr-Ni-сталей и
увеличивают их пригодность к прокатке (Cr, Ni-Mo-
сталей).
В атомной технике используются РЗЭ с высоким
поперечным сечением захвата тепловых нейтронов
(Gd – 46618 барн, Sm – 6500 барн, Eu – 4500 барн)
для защиты от излучения и для управления работой
реакторов (стержни регулирования и аварийная за-
щита).
Находят применение радиоактивные изотопы Lu
в медицине, радиоэлектронике и радиотехнике. Гра-
наты РЗЭ используются в роли высокомолекуляр-
ных генераторов и усилителей (мазеров) на солях
Gd и La [3,4]. Изотопы 147Pm применяются при изго-
товлении микробатарей. РЗЭ используются при кри-
сталлизации соединений типа CаF2 и др., примени-
мых в лазерных устройствах.
Оксиды РЗЭ входят в состав оптических и фото-
чувствительных стекол, пропускающих инфракрас-
ное и поглощающих ультрафиолетовое излучения.
Легирование Cе способствует повышенной стойко-
сти стекла при солнечном и радиоактивном излуче-
нии. Сплавы РЗЭ (типа SmCo5) используются в ми-
кро- и радиоэлектронике для изготовления постоян-
ных магнитов.
Улучшение механических свойств сталей в ре-
зультате микролегирования РЗЭ большинство ис-
следователей относят за счет изменения формы не-
металлических включений, а повышение радиацион-
ной стойкости материалов возможно благодаря под-
бору сочетания дополнительно вводимых в стали и
сплавы элементов [1,3,5]. Так, легирование сплавов
некоторыми из редкоземельных металлов способно
существенно повышать радиационную стойкость из-
делий, находящихся в активной зоне.
В настоящее время наиболее экономически вы-
годным способом создания материалов для новой
техники, пригодных для эксплуатации в условиях
мощных тепловых и радиационных полей, является
усовершенствование технологии выплавки металлов
и сплавов, которые уже используются, а также улуч-
шение их свойств за счет микролегирования РЗЭ.
ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИКО–МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ И РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКО-
СТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
С ПОМОЩЬЮ РЗЭ
В ННЦ ХФТИ подробно исследовалось влияние
химически активных элементов Се, Y, La, Pr, Nd и
Sc на физико-механические свойства никеля. Незна-
чительно меняя общую чистоту и физические свой-
ства, химически активные элементы существенно
изменяют структуру и механические свойства ме-
таллов. Сравнивая температурные зависимости ме-
ханических свойств сплавов никеля с церием, иттри-
ем и лантаном, было определено [6], что введение
этих элементов в никель приводит к ликвидации
«провала» относительного удлинения в интервале
200…400 °С и повышению пластических характери-
стик в интервале температур 20…600 °С (рис.1).
Можно отметить, что легирование никеля цери-
ем, лантаном, неодимом, празеодимом, скандием в
количестве 0,13…0,20 мас.% оказывает существен-
ное влияние на его свойства: увеличивает прочност-
ные свойства в интервале температур 20…1000 °С,
повышает сопротивление пластической деформации
в условиях ползучести; значительно уменьшает (Се,
Y, La) или полностью ликвидирует (Pr, Nd, Sc) ано-
малию относительного удлинения в интервале
200…400 °С, характерную для чистого никеля.
Наибольшее влияние на механические свойства
никеля оказывает скандий (рис. 2).
Учитывая положительное воздействие РЗЭ на
свойства никеля, в ННЦ ХФТИ были проведены
эксперименты по изучению концентрационной,
температурной и дозной зависимости распухания
никеля при облучении ионами Ni+ с энергией 1…3 и
1 МэВ электронами [7]. Полученные результаты по-
казывают, что малые добавки Sc и Рr приводят к по-
давлению радиационного распухания никеля
(рис. 3).
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
195
Рис. 1. Температурные зависимости предела теку-
чести (1), предела прочности (2) и относительного
удлинения (3) никеля и его сплавов с 0,13 мас.%
Се (б), Nd (в,) Y (г), Рг (д), La (е) после отжига
при 750 °С в течение 20 мин
Рис. 2. Температурные зависимости предела теку-
чести (1), предела прочности (2) и относительного
удлинения (3) сплава никеля с 0,2 мас.% Sc после от-
жига: а - 750 °С в течение 20 мин,
б - 800 °С в течение 60 мин
Рис. 3. Зависимость распухания никеля от содер-
жания Sc (1) и Рr (2) после облучении ионами Ni +
с энергией 2 МэВ до дозы 40 сна при 600 °С
На основании проведенных исследований было
изучено влияние легирования скандием на структур-
но-фазовые изменения, распухание и пластичность
аустенитных сталей, применяемых в реакторострое-
нии: XI8HI0T, Х16Н15МЗБ, XI6HIIM3 и др. при
нейтронном и ионном облучении. Обнаружена
подобная приведенной на рис.3 для никеля зависи-
мость распухания сталей от концентрации скандия.
Влияние скандия на структурно-фазовые изменения,
распухание и пластичность аустенитных сталей типа
XI8HI0T, Х16Н15МЗБ, XI6HIIM3 и др. при нейтрон-
ном и ионном облучении показано на рис. 4.
Рис.4. Зависимость распухания сталей
0Х16Н15МЗБ (I) и 0Х16Н15МЗБ со скандием (2) от
дозы облучения ионами Cr+ (I МэВ) при температу-
ре 650 °С (х, - данные реакторных испытаний)
Введение в металлы и сплавы добавок редкозе-
мельных элементов, обладающих сильным
сродством к газовым и другим элементам внедре-
ния, приводит к изменению их свойств. Наличие в
твердом растворе даже малого количества иттрия,
лантана, скандия, цезия заметно изменяет диффу-
зионную подвижность атомов, упругие поля дисло-
каций и границ раздела, а следовательно, и природу,
кинетику выделений. Особый интерес представляют
исследования влияния РЗЭ на эволюцию структур-
но-фазового состояния и стойкость материалов при
облучении. Величина эффекта влияния РЗЭ на ра-
диационную стойкость зависит от их концентрации,
наличия газовых примесей в твердом растворе и
других факторов. Положительное влияние микроле-
гирования РЗЭ может быть объяснено увеличением
плотности центров зарождения вторичной фазы и
усилением распада исходного метастабильного
твердого раствора [7,8].
ГЕОХИМИЯ РЗЭ
Общее содержание РЗЭ в земной коре состав-
ляет 1,78·10-2 мас.% [9-12]. Они накапливаются при
магматических процессах породообразования глав-
ным образом в гранитах и щелочных породах (сие-
нитах и карбонатитах) [10]. Их наибольшие концен-
трации находятся в минеральных ассоциациях, свя-
занных с поздними этапами формирования кристал-
лических массивов: гидротермальным, контактово-
пневматолитовым и пегматитовым [10-12].
Геохимические особенности РЗЭ очень подобны,
часто они встречаются в виде изоморфных примесей
в составе акцессорных или полиметаллических руд-
ных минералов [10], реже образуют самостоятель-
ные соединения, которые выступают в качестве руд-
ных концентратов (табл. 1).
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
196
Таблица 1
Основные промышленные минералы, содержащие РЗМ, %
Минерал Химическая формула Группа Се Группа Y
Монацит LnPO4 c ортофосфатом Th 42,3…66,9 0,5-4,8
Бастнезит LnFCO3 73…75 Малое количе-
ство
Церит Гидратированный силикат
Ln 59,4…67,9 -"-
Лопарит Титанониобат щелочей
Ca, Ln 30,7…34,1 -"-
Ортит Гидратированный силикат
Al,Ln,Ca,Fe 13,4…27,4 -"-
Иттроцерит Гидратированный фторид
Ca,La,Y 8,5…15,5 -"-
Ксенотим Ортофосфат
Y,Ln 0,3…0,4 51,9…62,6
Гадолинит Силикат
Y,Ln,Be,Fe 2,9…7,9 30,9…46,6
Эвксенит Титанониобат
Y,Ln 0,2…4,3 18,2…28,1
Фергюсонит Ниоботитанотанталат
Y,Ln,Fe 0,9…6,2 31,2…37,7
Самарскит Пиротанталониобат Y,Ln 0,3…1,7 9,1…37,7
Тортвейтит Силикат
Sc,Y Sc2O3…42,06 Y2O3…8,89
Бритолит Водный силикат Ca,Y 10,23 46,91
Цирконит Сложный оксид Zr, Ti, Ca,
Fe, Th 2.52 0,21
МИНЕРАЛЬНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ РЗЭ
В УКРАИНЕ
В Украине присутствуют наибольшие в Европе
месторождения РЗЭ, связанные с обширной редко-
земельной провинцией в пределах Украинского кри-
сталлического щита (УКЩ), где установлено 22 ред-
коземельные формации ранне- и позднепротерозой-
ских этапов тектонической активности магматиче-
ских и метасоматических процессов [10, 22, 23].
Наиболее перспективные месторождения РЗЭ
связаны с комплексом акцессорных минералов,
представленных в щелочных гранитосиенитовых и
карбонатитовых массивах Приазовья [13-15, 19-21]:
Володарском, Октябрьском, Кременецком (табл.2) и
др.
В настоящее время разведаны и подготовлены к
промышленному освоению комплексные месторо-
ждения апатит-редкоземельно-ниобиевой минерали-
зации (Новополтавское) и флюорит-цирконий-ред-
коземельных руд (Азовское) [19].
Азовское месторождение приурочено к щелоч-
ным сиенитам и представляет собой наибольшее в
Европе. Оруденение связано с метасоматитовыми
такситовой структуры оливин-амфиболитовыми ще-
лочно-полевошпатовыми разновидностями сиенито-
вых пород. В последние годы в Криворожско-Кре-
менчугской металлогенической зоне (месторожде-
ние Желтых Вод) разведаны V-Sс-руды, среди по-
род с высокими концентрациями U и Fe. Создана
технология получения Sc из этих руд.
Геохимическая специализация месторождений
связана с повышенным содержанием Sc (7…9,5 %),
Cr (2,05…2,65 %) и кларковым содержанием Y, La,
Cr, Mo. Наиболее высокая концентрация РЗЭ уста-
новлена в породообразующих пирокеенах и амфибо-
лах (до1000 г/т) (табл. 2, 3) [15-19].
Таблица 2
Акцессорные ассоциации докембрийских пород Приазовья
Минералы
Среднее содержание минералов в породах, г/т
УЩ Приазовье Южнокальчикский
комплекс
Азовское месторо-
ждение
Циркон
ZrSO4
300 522 1600 19000
Ортит
(Ca,Ca)2(Fe,Ti,Al,Mg)3[SO4]
43,87 141,3 - 6400
Бритолит
Ce3Ca2(SO4)3·(OH) - 13 - 8800
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
197
Таблица 3
Среднее содержание акцессорных минералов, содержащих РЗМ в породах Украинского щита
Минералы
Содержание РЗМ ,% (ΣTR – суммарное, TRy – иттриевая группа).
УЩ (массив) Приазовье Южнокальчикский
комплекс
Азовское место-
рождение
ΣTR TRy ΣTR TRy ΣTR TRy ΣTR TRy
Циркон
ZrSO4
0,25 0,14 0,7 0,41 0,8 0,52 1,56 0,82
Ортит
(Ca,Ca)2(Fe,Ti,Al,Mg)3[SO4]
23,02 0,34 21,14 0,21 22,8 0,27 28,98 0,83
Бритолит
Ce3Ca2(SO4)3·(OH) - - 59,6 2,39 58,04 2,32 61,65 10,7
ПОЛУЧЕНИЕ РЗЭ
Основным источником получения РЗМ цериевой
подгруппы (La – Eu) выступают минералы: монацит
(фосфат РЗЭ и Th), бастнезит (фторкарбонат РЗЭ) и
лопарит (сложный титанониобат Na, Ca и РЗЭ). При
получении РЗМ иттриевой подгруппы (Y, Gd – Lu)
используют минералы: эвксенит (сложный оксид Ti,
Ta, Y), фергюсонит (тантало-ниобат РЗЭ, Y), ксено-
тим (фосфат Y с РЗЭ, Th и U), гадолинит (силикат
Y, Fe, Be), а при получении Sc – тортвейтит (сили-
кат Sc и Y).
Для получения РЗМ бастнезитовые и монацитсо-
держащие концентраты разлагают концентрирован-
ной серной кислотой при нагревании до 200 °С с по-
следующим промыванием массы водой [10–12, 14,
17]. Из сернокислых растворов сначала выделяют
Th, а затем осаждают РЗЭ в виде оксалатов, двой-
ных сульфатов и других соединений. Бастнезитовые
концентраты прокаливают при 400…800 °С для ча-
стичного или полного разложения минерала, сопро-
вождающегося выделением CO2. Полученные про-
дукты обрабатывают соляной кислотой. Из раствора
осаждают РЗЭ в виде фторидов или двойных суль-
фатов, или получают экстракцией трибутилфосфа-
том. Сложное сырье в виде минералов эвксенита
или лопарита перерабатывают методом хлорирова-
ния.
Для получения металлического Sc используют
главным образом его галогениды, которые получают
из Sc2O3, при прокаливании Se2(C2O4)·5H2O при
400 °С. Это соединение является результатом после-
довательной переработки раздробленных Sc рудных
акцессорных минералов (тортвейтита).
Металлические РЗЭ получают также при метал-
лотермическом восстановлении галогенидов или
при электролизе расплава хлоридов в эвтектике KCl
+ ZiCl (для Sc), в солевых расплавах KCl + CaCl2
или KCl + NaCl (для других РЗЭ). В случае более ту-
гоплавких металлов (Y подгруппы) электролиз про-
водят с жидким катодом из Cd или Zn, которые за-
тем отгоняются в вакууме.
ПЕРЕРАБОТКА СКАНДИЙСОДЕРЖАЩЕ-
ГО СЫРЬЯ
Проблема промышленного получения скандия
может быть решена при использовании рассеян-
ного скандия, извлекаемого попутно из руд цвет-
ных и редких металлов. При концентрировании
скандия в отходах производства (растворах,
шламах, шлаках и пр.) создаются условия для
извлечения без нарушения основной технологии
[5,10].
Титановое сырье . В титановом сырье содер-
жится Sc2O3 (до 0,1% в ильмените, до 0,3% в сфе-
не). При обогащении ильменитовых концентратов
путем восстановительной электроплавки скандий
переходит в титановый шлак. В титановом шла-
ке, получаемом в результате восстановительной
плавки титаномагнетитов, содержится 0,005…
0,009% скандия.
Цирконийсодержащие руды. Цирконы и другие
минералы циркония содержат 0,001…0,08% Sc2O3.
При переработке цирконового концентрата спе-
канием известью и хлоридом кальция скандий
концентрируется в основном в маточниках после
выделения основного сульфата циркония.
Руды вольфрама . Содержание Sc2O3 в вольф-
рамитах 0,005…1,0%. При гидрометаллургиче-
ской переработке, включающей спекание концен-
трата с Na2CO3 и последующее выщелачивание,
скандий остается в кеке от выщелачивания, и
его содержание повышается в 2…3 раза по
сравнению с содержанием в вольфрамите.
Руды урана . Содержат 10-3…10-4 % Sc2O3. При
вскрытии урановых руд серной или азотной кис-
лотами скандий переходит вместе с ураном в
раствор. При вскрытии руд растворами Na2CO3
скандий в основном концентрируется в кеках. От-
вальные кеки гидрометаллургической переработки
содержат РЗЭ и 0,15…0,50% Sc2O3.
Руды алюминия . Бокситы содержат 0,001…
0,01% Sc2O3. Ввиду больших масштабов перера-
ботки бокситы могут стать важным источником
скандия. При переработке бокситов по способу
Байера и способу спекания скандий преимуществен-
но остается в красном шламе.
Другие источники скандия . Некоторые же-
лезные руды (содержание 0,001…0,005%
Sc2O 3), руды олова (0,02…0,22% Sc2O3), кон-
центраты берилла (0,1…0,2% Sc2O3), золы не-
которых углей (0,01 % Sc2O3), фосфориты.
ПОЛУЧЕНИЕ ЛИГАТУР СКАНДИЯ
ИЗ ЕГО ФТОРИДОВ
Скандий получают в основном металлотермиче-
ским способом путем восстановления безводного
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
198
ScF3 или ScCl3 магнием или кальцием в инерт-
ной атмосфере по реакции
2ScCl3 + ЗСа = ЗСаС12 + 2Sc. (1)
Процесс ведут в тиглях из тантала или молибде-
на. В связи с тем, что скандий и шлак разделяют
при температуре выше 1600 °С, фторид скандия
восстанавливают вначале при 850 °С, повышая в
конце процесса температуру до 1600 oС. После
отделения шлака металл переплавляют в вакууме
10–3Па для удаления остатков летучих примесей.
Сохраняя тот же вакуум, возгоняют скандий при
1700 °С. Выход чистого металла достигает 95%.
Чтобы уменьшить загрязнение скандия танталом,
рекомендуется добавлять металлы, образующие со
скандием сплавы и позволяющие проводить восста-
новление при более низкой температуре. При маг-
нийтермическом восстановлении берут избыток
магния для образования сплава Sc-Mg. При восста-
новлении кальцием вводят дополнительно цинк, по-
скольку сплав Sc-Ca не образуется. Для понижения
температуры плавления шлака вводят LiF. Реакция
восстановления описывется уравнением:
2ScF3 + ЗСа + 8Zn + 12LiF =
=2(Sc · 4Zn) + 3(CaF2 · 4LiF). (2)
Процесс ведут в аргоне при 1100 oС. Цинк и при-
месь кальция отгоняют в вакууме. Губку скандия
переплавляют. Известен также способ восстановле-
ния ScF3 алюминием:
ScF3 + 3A1 = Sc + 3A1F. (3)
Реакция начинается при 810oС. Полное восста-
новление скандия происходит при 930oС через 7…
8 мин. Восстанавливая хлорид скандия кальцием
при 900 °С в среде аргона, получают металл, загряз-
ненный примесями Ca, CaO, CaCl2, Si, ScCl3. При-
меси за исключением кремния отмываются водой.
Кремний отделяют обработкой 10% раствором
NaOH. Высушенный на воздухе, а затем в вакууме
(10–2 Па) металл после плавления в вакууме
(10–3…10–4 Па) при 500…600 °С имеет чистоту 97…
97,5%. Содержание основного редкоземельного
элемента технической чистоты, который, как прави-
ло, получают методом металлотермии, обычно ко-
леблется в пределах 80…98%. Поэтому возникает
необходимость очистки РЗЭ в металлическом со-
стоянии от примесей металлов и неметаллов.
В ННЦ ХФТИ на протяжении многих лет про-
водятся исследования процессов рафинирования
РЗМ (лантана, церия, иттрия, диспрозия, скандия и
др.). Среди методов, применяемых для очистки ме-
таллов, используются наиболее прогрессивные ме-
тоды: вакуумная плавка, дистилляция, зонная плав-
ка, зонная плавка в сочетании с электропереносом
[24], при этом происходит дегазация, испарение и
поглощение избыточных примесей. Существуют
оптимальные условия, обеспечивающие наиболее
высокую степень очистки редкоземельных метал-
лов. Так, при проведении дистилляции в вакууме
происходит существенное рафинирование скандия
(табл. 4).
Таблица 4
Содержание примесей в скандии
Материал
Концентрация примеси 10-3, мас.%
С О2 F А1 Si Са Мп Fe Ni
Исходный
Дистиллят
2,3
0,35
110
81
1,3
0,002
1,5
0,47
1,2
0,71
1,1
0,3
1,1
0,23
1,4
0,27
1,9
0,3
Исследования механических свойств скандия
различной чистоты показали, что повышение степе-
ни чистоты скандия до 99,9 мас.% снижает его проч-
ностные свойства и увеличивает пластичность,
причём дистиллированный скандий высокой чисто-
ты можно прокатывать при комнатной температуре
без промежуточных отжигов с деформацией 60…
65% [25].
Следует отметить, что чистые РЗЭ являются
дорогостоящими, кроме того, при легировании ра-
диационно-стойких сталей и сплавов возникают
технологические трудности обеспечения их равно-
мерного распределения в твердом растворе, где их
действие на радиационную стойкость оптимально
[7,8]. При выплавке сплавов РЗЭ из-за высокой хи-
мической активности взаимодействует со шлаком,
покрывающим расплав, и практически не поступает
в металл. Кроме того, РЗЭ имеют высокую упру-
гость паров [5], а скандий, кроме того, имеет низ-
кую плотность, поэтому при введении в чистом
виде (даже в защитной атмосфере) их расход необ-
основанно велик. Более экономически оправдано
получить лигатуры РЗЭ из их химических соедине-
ний, применяя методы металлотермического
восстановления.
Для получения скандий-содержащей лигатуры из
фторида скандия была выбрана система Fe-Sc. Она
(рис. 4) характеризуется наличием двух соединений:
Fe2Sc и FeSc3. Соединение Fe2Sc конгруэнтно пла-
вится при 1600 оС, FeSc3 образуется по перитектиче-
ской реакции при 800 °С. Две эвтектические реак-
ции: Ж↔ Fe2Sc+γ и Ж↔β-Sc+Fe2Sc протекают соот-
ветственно при 1200 и 910 °С, эвтектоидная
β-Sc↔α-Sc + FeSc3 – при 750 °С. Растворимость
скандия в α-Fe ниже 0,5·10–2 ат.д., железа в α-Sc та-
кая же при 20 °С и примерно 0,008 ат.д. при 700 °С.
Эксперименты проводились в ННЦ ХФТИ. В ка-
честве материала–основы было выбрано чистое же-
лезо марки 008ЖР. Железоскандиевая лигатура по-
лучалась методом кальциетермического восстанов-
ления фторида скандия с добавлением порошка же-
леза из расчета эвтектического состава сплава (91%
железа).
Продукты реакции подвергались вакуумному ра-
финирующему переплаву, в результате которого об-
разовавшиеся фториды кальция и скандия, а также
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
199
непрореагировавший кальций (в силу своей малой
плотности и несмачиваемости расплавом железо-
скандиевой эвтектики) всплывали на поверхность
расплава, легко отделяясь при остывании слитка.
Металлографические исследования показали на-
личие железоскандиевой эвтектики в матрице из чи-
стого α-железа (рис. 5).
Рис. 4. Диаграмма состояния системы Fe-Sc [5]
Рис. 5. Микроструктура железоскандиевой лига-
туры, х 200
Эвтектика имеет вид дендритов, размеры кото-
рых увеличиваются от краев слитка к середине, что
обусловлено термическими условиями кристаллиза-
ции. У края слитка длина главной ветви дендритов
составляет 100…200 мкм, ширина - около 5 мкм, а в
середине – 350…400 мкм и 30 мкм соответственно.
Плотность железоскандиевой лигатуры, содержа-
щей 7,62% скандия, составила 7,46 г/см3. Лигатура
легко измельчалась механическим способом.
Эксперименты по легированию радиационно-
стойких сталей и сплавов железоскандиевой лига-
турой показали хорошую усваеваемость скандия - от
55 до 70% от введенного, причем скандий и осталь-
ные компоненты лигатуры успевают полностью
раствориться в объеме расплава до его слива в из-
ложницу. Это можно объяснить высокой удельной
поверхностью составляющих лигатуру частиц и сла-
бым сцеплением отдельных частиц порошка между
собой (но достаточным для механической устойчи-
вости при термоударе в момент введения на зеркало
расплава).
Использование разработанных в ННЦ ХФТИ ме-
тодов получения РЗЭ и их лигатур позволяет повы-
сить радиационную стойкость металлов и сплавов за
счёт равномерного твердорастворного легирования
с одновременным обеспечением чистоты границ
зёрен по неметаллическим примесям внедрения.
ВЫВОДЫ
Анализ кристаллохимических, геохимических и
минералогических особенностей РЗМ позволяет вы-
соко оценивать перспективы получения и использо-
вания наиболее продуктивных цирконовых, ортито-
вых и бритолитовых руд, которые разрабатываются
на основных месторождениях Украины: Азовском и
Желтых Вод, в частности для создания конструкци-
онных материалов атомной промышленности Укра-
ины. Запасы РЗМ на этих месторождениях достига-
ют по оценкам 7309,5 г/т, что делает их наибольши-
ми в Европе [5,20].
Разработаны экономически оправданные мето-
ды получения РЗЭ и железоскандиевых лигатур
для создания новых радиационно-стойких
конструкционных материалов для атомной промыш-
ленности Украины.
ЛИТЕРАТУРА
1. М.П.Браун Микролегирование стали. Киев:
«Наукова думка», 1982, 303 с.
2. Я.Е.Гольдатейн, В.Г.Мизин. Модифицирование
и микролегирование чугуна и стали. М.: «Метал-
лургия», 1986, 272 с.
3. Н.М. Бескоровайный, Б.А. Калинин, П.А. Пла-
тонов, И.И. Чернов. Конструкционные матери-
алы ядерных реакторов. М.:
«Энергоатомиздат», 1995, 704 с.
4. Д.М.Скоров, Ю. Ф.Бычков, A.M.Дашковский.
Реакторное материаловедение. М.: «Атомиз-
дат», 1979, 344 с.
5. Е.М.Савицкий, Г.С. Бурханов. Редкие металлы
и сплавы. Физико-химический анализ и матери-
аловедение. М.: «Наука», 1980, 255 с.
6. В.М Ажажа, М.П. Зейдлиц, С.В. Шевченко,
В.М.Амоненко. Влияние химически активных
элементов на свойства никеля электронно-луче-
вой плавки // Металлы. № 4, 1973, с. 157-159.
7. В.Ф. Зеленский, И.М. Неклюдов Влияние редко-
земельных элементов на радиационную стой-
кость материалов Радиационное материаловеде-
ние // Труды Международной конфереренции
Харьков, 1991, т.2, с. 45-57.
8. A.S.Bakaj, V.V.Gann, V.F.Zelensky, I.M.Heklyu-
dov. Alternative polarity recombination centers of
Point Defects // Effects of Radiation on materials.
1990, vol.1, p.623-631.
9. Атлас. Геологія і корисні копалини України.
Київ. 2001, 168 с.
10. В.В.Серебреников. Химия редкоземельных эле-
ментов. Томск: Изд. Томск. ин-та, 1959, т.1, 2.,
115 с.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
200
11. Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон. Современная неорга-
ническая химия. М.: «Мир», 1969, 590 с.
12. Р.Рипан, И.Чептяну. Неорганическая химия. М.:
«Мир», 1972, т.2, 871 с.
13. Петрология, геохимия и рудоносность гранито-
идов Украинского щита. Киев: «Наукова
думка», 1990, 235 с.
14. Ю.Ю.Юрк. Редкие минералы пегматитов При-
азовья. Киев.: «Наукова думка», 1956, 68 с.
15. В.С.Мельников, Д.К.Возняк, Е.Е. Гречановская
и др. Азовское цирконий-редкоземельное место-
рождение: минералогические и генетические
особенности // Мінер. журн. 2000, №1, с. 42–61.
16. Геохимия, минералогия и генетические типы
месторождений редких элементов. М.:
«Наука», т. 1, 2, 1964, 687с, 321 с.
17. Свойства и применение РЗМ / Материалы
конф. по РЗМ. Чикаго. М.: Изд. иностр. лит.,
1960, 540 с.
18. Акцессорные минералы Украинского щита. Ки-
ев.: «Наукова думка», 1976, 260 с.
19. Г.П.Воякова, С.Н.Стрекозов. Минерало-геохи-
мические критерии редкоземельной специализа-
ции докембрийских комплексов Приазовья //
Труды Дон. ТУ, серия: Горно-геол. 2001, вып. 24,
с. 120-124.
20. Е К.Есипчук. Петрология, геохимия и рудо-
носность интрузивных гранитоидов Укра-
инского щита. Киев.: «Наукова думка», 1990.
21. С.Н. Стрекозов. Геологическое строение и ха-
рактер оруденения Азовского месторождения //
Минер. ресурсы Украины. 1998, №3, с. 6–9.
22. Р.М.Полуновский, К.И.Роданов. Акцессорные
минералы докембрия Приазовья // Акцессорные
минералы докембрия. М.: «Наука», 1986, с. 88–
95.
23. Ю.Ю.Юрк, Е.Я.Марченко, А.И.Чешка. Акцес-
сорные минералы и элементы гранитоидов до-
кембрия Приазовья. Киев: «Наук. думка», 1973,
160 с.
24. В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, С.Д. Лавриненко,
B.C. Павлов, Н.Н. Пилипенко, Г.Ф. Тихииский.
Рафинирование редкоземельных металлов физи-
ческими методами // Высокочистые вещества.
1993, № 2, с. 5-12 .
25. В.М Ажажа, Г.И.Волокита, С.Д.Лавриненко,
П.Н.Вьюгов, Т.Г.Емлянинова. Механические
свойства скандия различной чистоты // ВАНТ. Се-
рия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводни-
ки», 2002, № 1, с. 44-46.
МОЖЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ РІДКІСНО-ЗЕМЕЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТІВ
ПРИ СТВОРЕННІ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ АТОМНОЇ
ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ
В.М. Ажажа, Б.В. Борц, О.Ф. Ванжа, Н.Д. Рибальченко, Е.П. Шевякова
Проведено аналіз застосування рідкісноземельних елементів (РЗЕ) для створення конструкційних матеріалів атомної
промисловості України. Систематизовані дані по виявленню форм знаходження РЗЕ у природі у вигляді мінералів, які
акумулюють ці елементі у складі гранітних та лужних порід, широко розповсюджених у горних масивах і родовищах
України. Розглянуто основні джерела отримання РЗЕ. Проаналізовані основні сучасні методи і засоби отримання РЗЕ.
Розроблено методи отримання лігатур РЗЕ для підвищення радіаційної стійкості металів і сплавів.
POSSIBILITY OF THE USE OF REAR-EARTH ELEMENTS FOR DEVELOPMENT
OF STRUCTURAL MATERIALS FOR NUCLEAR INDUSTRY OF UKRAINE
V.M. Azhazha, B.V. Borts, A.F. Vanzha, N.D. Ribaltchenko, E.P. Shevyakova.
Analysis of the use of rear-earth elements for development of structure materials of nuclear industry of Ukraine is carried out.
Data are classified on the detection of REE natural occurence as minerals, accumulating these elements in the composition of
granite and alkaline rocks widely extended in rock mass and deposits of Ukraine. The main sources of REE production are con-
sidered. The main modern methods and processes of REE production are analyzed. Methods are developed for REE alloying
composition fabrication for the increase of radiation resistance of metals and alloys.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.195 – 201.
201
В.М. Ажажа, Б.В. Борц, О.Ф. Ванжа, Н.Д. Рибальченко, Е.П. Шевякова
Проведено аналіз застосування рідкісноземельних елементів (РЗЕ) для створення конструкційних матеріалів атомної промисловості України. Систематизовані дані по виявленню форм знаходження РЗЕ у природі у вигляді мінералів, які акумулюють ці елементі у складі гранітних та лужних порід, широко розповсюджених у горних масивах і родовищах України. Розглянуто основні джерела отримання РЗЕ. Проаналізовані основні сучасні методи і засоби отримання РЗЕ. Розроблено методи отримання лігатур РЗЕ для підвищення радіаційної стійкості металів і сплавів.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110893 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:43:49Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ажажа, В.М. Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Рыбальченко, Н.Д. Шевякова, Э.П. 2017-01-06T17:15:06Z 2017-01-06T17:15:06Z 2008 Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины / В.М. Ажажа, Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, Н.Д. Рыбальченко, Э.П. Шевякова // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 195-201. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110893 553.44.6:669.14.018 Проведен анализ применения редкоземельных элементов (РЗЭ) для создания конструкционных материалов атомной промышленности Украины. Систематизированы данные по выявлению форм нахождения РЗЭ в природе в виде минералов, которые аккумулируют эти элементы в составе гранитных и щелочных пород, широко распространенных в горных массивах и месторождениях Украины. Рассмотрены основные источники получения РЗЭ. Проанализированы основные современные методы и способы получения РЗЭ. Разработаны методы получения лигатур РЗЭ для повышения радиационной стойкости металлов и сплавов. Проведено аналіз застосування рідкісноземельних елементів (РЗЕ) для створення конструкційних матеріалів атомної промисловості України. Систематизовані дані по виявленню форм знаходження РЗЕ у природі у вигляді мінералів, які акумулюють ці елементі у складі гранітних та лужних порід, широко розповсюджених у горних масивах і родовищах України. Розглянуто основні джерела отримання РЗЕ. Проаналізовані основні сучасні методи і засоби отримання РЗЕ. Розроблено методи отримання лігатур РЗЕ для підвищення радіаційної стійкості металів і сплавів. Analysis of the use of rear-earth elements for development of structure materials of nuclear industry of Ukraine is carried out. Data are classified on the detection of REE natural occurence as minerals, accumulating these elements in the composition of granite and alkaline rocks widely extended in rock mass and deposits of Ukraine. The main sources of REE production are considered. The main modern methods and processes of REE production are analyzed. Methods are developed for REE alloying composition fabrication for the increase of radiation resistance of metals and alloys. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины Можливості застосування рідкісно-земельних елементів при створенні конструкційних матеріалів для атомної промисловості України Possibility of the use of rear-earth elements for development of structural materials for nuclear industry of Ukraine Article published earlier |
| spellingShingle | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины Ажажа, В.М. Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Рыбальченко, Н.Д. Шевякова, Э.П. Физика и технология конструкционных материалов |
| title | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины |
| title_alt | Можливості застосування рідкісно-земельних елементів при створенні конструкційних матеріалів для атомної промисловості України Possibility of the use of rear-earth elements for development of structural materials for nuclear industry of Ukraine |
| title_full | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины |
| title_fullStr | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины |
| title_full_unstemmed | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины |
| title_short | Возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности Украины |
| title_sort | возможности применения редкоземельных элементов при создании конструкционных материалов для атомной промышленности украины |
| topic | Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet | Физика и технология конструкционных материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110893 |
| work_keys_str_mv | AT ažažavm vozmožnostiprimeneniâredkozemelʹnyhélementovprisozdaniikonstrukcionnyhmaterialovdlâatomnoipromyšlennostiukrainy AT borcbv vozmožnostiprimeneniâredkozemelʹnyhélementovprisozdaniikonstrukcionnyhmaterialovdlâatomnoipromyšlennostiukrainy AT vanžaaf vozmožnostiprimeneniâredkozemelʹnyhélementovprisozdaniikonstrukcionnyhmaterialovdlâatomnoipromyšlennostiukrainy AT rybalʹčenkond vozmožnostiprimeneniâredkozemelʹnyhélementovprisozdaniikonstrukcionnyhmaterialovdlâatomnoipromyšlennostiukrainy AT ševâkovaép vozmožnostiprimeneniâredkozemelʹnyhélementovprisozdaniikonstrukcionnyhmaterialovdlâatomnoipromyšlennostiukrainy AT ažažavm možlivostízastosuvannârídkísnozemelʹnihelementívpristvorenníkonstrukcíinihmateríalívdlâatomnoípromislovostíukraíni AT borcbv možlivostízastosuvannârídkísnozemelʹnihelementívpristvorenníkonstrukcíinihmateríalívdlâatomnoípromislovostíukraíni AT vanžaaf možlivostízastosuvannârídkísnozemelʹnihelementívpristvorenníkonstrukcíinihmateríalívdlâatomnoípromislovostíukraíni AT rybalʹčenkond možlivostízastosuvannârídkísnozemelʹnihelementívpristvorenníkonstrukcíinihmateríalívdlâatomnoípromislovostíukraíni AT ševâkovaép možlivostízastosuvannârídkísnozemelʹnihelementívpristvorenníkonstrukcíinihmateríalívdlâatomnoípromislovostíukraíni AT ažažavm possibilityoftheuseofrearearthelementsfordevelopmentofstructuralmaterialsfornuclearindustryofukraine AT borcbv possibilityoftheuseofrearearthelementsfordevelopmentofstructuralmaterialsfornuclearindustryofukraine AT vanžaaf possibilityoftheuseofrearearthelementsfordevelopmentofstructuralmaterialsfornuclearindustryofukraine AT rybalʹčenkond possibilityoftheuseofrearearthelementsfordevelopmentofstructuralmaterialsfornuclearindustryofukraine AT ševâkovaép possibilityoftheuseofrearearthelementsfordevelopmentofstructuralmaterialsfornuclearindustryofukraine |