構成とグレードの識別
UNS R60702 と指定される Zr702 は、約 99.2 パーセントのジルコニウムを含む非合金ジルコニウムで、スズ、鉄、クロムを少量制御して添加し、ハフニウム含有量は通常 4.5 パーセントに制限されています。 UNS R60705 と呼ばれる Zr705 は、約 2.0 ～ 3.0 パーセントのニオブで合金化されており、延性や耐食性を大きく損なうことなく、非合金グレードよりも大幅に高い強度が得られます。どちらも、プレート、シート、ストリップについては ASTM B550、棒、ワイヤー、鍛造品については ASTM B551 によってカバーされており、化学的性質、機械的特性、および許容差が設定されています。ハフニウムは化学的にジルコニウムに似ており、分離にはコストがかかるため、許容されるハフニウムのレベルは仕様とそのコストへの影響の重要な部分となります。
強度と機械的挙動
2 つのグレードの主な実際的な違いは強度です。合金化されていない Zr702 の降伏強度は焼きなまし状態で約 200 メガパスカルですが、Zr705 は製品の形状と熱処理に応じて約 500 メガパスカル以上に達します。この違いにより、Zr705 をより薄いセクションまたはより高い設計圧力で使用することが可能になり、多くの容器では肉厚の減少により 1 キログラムあたりの材料コストの上昇が相殺されます。どちらのグレードも有用な延性を保持しており、成形や溶接が可能ですが、Zr705 は強度が高いほど熱処理や溶接手順に対する感度が高いため、より慎重な製造制御が必要です。設計は、単一の値を想定するのではなく、特定の製品の形状と状態に適用されるコードの許容値に従う必要があります。
プロセス媒体の耐食性
どちらのグレードも、塩酸や硫酸溶液、酢酸やギ酸などの有機酸、過酸化水素、海水、多くの塩化物を含む環境など、幅広い攻撃的な媒体に耐性があり、損傷したときに自己修復する保護酸化膜を形成します。これらの媒体のほとんどでは、2 つのグレードは非常によく似た挙動を示すため、耐食性だけで選択を決定することはほとんどありません。違いは、合金元素が挙動に影響を与える可能性がある特定の環境および高温で、またジルコニウムが水素を吸収して脆い水素化物を形成する可能性がある水素含有サービスで現れます。水素の吸着量は媒体、温度、表面状態、助触媒の有無などに依存するため、グレード名から推測するのではなく実際のプロセスに応じて評価する必要があります。
代表的なサービスと選択基準
Zr702 は、プロセスが腐食性であるが機械的負荷が中程度であり、簡単な製造で最大限の耐食性が優先される熱交換器、配管、容器、カラム、バルブに一般的に使用されます。 Zr705 は、圧力容器、高圧配管、撹拌機、機械的負荷や浸食を受けるコンポーネントなど、同じ耐食性とより高い強度を組み合わせる必要がある場合や、壁が薄いことで重量の節約やプロセス上の利点が得られる場合に選択されます。選択プロセスでは、キログラムあたりの価格ではなく、材料、厚さ、溶接、検査、溶接後の熱処理のコストを含む総設置コストを比較する必要があります。これは、高圧設計では薄い Zr705 セクションの方が全体的に安価になる可能性があるためです。
製作・溶接・検査
ジルコニウムは高温で酸素、窒素、水素、炭素と容易に反応し、その結果生じる汚染により材料が脆化するため、製造中の汚染から保護する必要があります。溶接は、慎重にシールドし、必要に応じてトレーリング シールドとパージを備えた不活性雰囲気中で行われます。また、溶接および熱影響を受ける部分は明るく、変色していない必要があります。鉄の汚染は局所的な腐食を引き起こすため、切断、研削、成形ツールはジルコニウム専用にするか、徹底的に洗浄する必要があります。検査には、染料浸透剤またはその他の表面検査、および指定されている場合には溶接部の X 線検査または超音波検査と、納入された製品の化学的検証が含まれます。熱数、製品の形状、溶接手順の記録は、機器の耐用年数が続くまで保存する必要があります。
よくある質問
Q: Zr702とZr705の違いは何ですか?
Zr702 は非合金のジルコニウムですが、Zr705 は約 2.0 ～ 3.0 パーセントのニオブで合金化されており、降伏強さは Zr702 の約 200 メガパスカルに対して約 500 メガパスカル以上に上昇します。
Q: 耐食性が優れているグレードはどれですか?
ほとんどの化学プロセス媒体では、この 2 つの性能は非常に似ているため、耐食性だけで選択が決まることはほとんどなく、通常は強度、圧力、温度によって選択が決まります。
Q: Zr705 はどのような場合に選択すればよいですか?
圧力容器、高圧配管、機械的負荷がかかるコンポーネントなど、ジルコニウムの耐食性と高い強度を組み合わせる必要がある場合、多くの場合、薄肉化が可能になります。
Q: ジルコニウムのプレートとバーを対象とする規格はどれですか?
ASTM B550 はジルコニウムのプレート、シート、ストリップをカバーし、ASTM B551 は棒、ワイヤー、鍛造品をカバーし、両方とも化学、機械的特性、および許容差を設定します。
Q: ハフニウムの含有量が指定されているのはなぜですか?
ハフニウムは化学的にジルコニウムに似ており、分離するのに費用がかかるため、ハフニウムの最大含有量は仕様で管理されており、特性と材料コストの両方に影響します。
Q: ジルコニウムの主な製造リスクは何ですか?
高温での酸素、窒素、水素、炭素、鉄による汚染は脆化と局部腐食を引き起こすため、溶接には完全な不活性ガス保護と清潔な専用工具が必要です。