Циркониеви сплави: състав, свойства, приложение

Използването на циркониева сплав е широко разпространено в медицината и ядрената енергетика. В други отрасли този материал също се използва, но с по-малък дял. Струва си да се отбележи, че популярността е придобита от различни сплави от тази суровина. Самият цирконий не се е превърнал в популярен материал, тъй като неговите качества са много по-лоши, отколкото директно от сплав от същия метал.

Обща информация

Цирконийът (Zr) е елемент от периодичната таблица, чието атомно число е 40 и нейното атомно тегло е 91.22. При нормални условия и при нормални условия този материал е блестящ метал със сребристо-бял оттенък. Плътността на тези суровини достига 6.45 g / cm³. Този чист метал, който не съдържа никакви примеси, се отличава с факта, че има много висока пластичност и е много лесен за лечение както на студено, така и на горещо. Тук си заслужава да се отбележи това тази суровина, като например титан, ще загуби драматично своите механични свойства, ако се комбинира с примеси от неметални вещества. Най-лошото съединение е цирконий и кислород.

Материали и свойства на сплавта

Самият цирконий се отличава с факта, че има сравнително висока устойчивост към различни киселини. Тази суровина не е разтворима в среда като азотна и солна киселина или алкали. Тази характеристика е ключова. На него се създават много циркониеви сплави. Например, ако вземем многокомпонентни магнезиеви сплави и добавим към тях елемент като цирконий, материалът ще стане много по-устойчив на корозия. Ако създадете сплав от титан и цирконий, тогава съпротивлението на киселините в първия елемент ще се увеличи.

Важно е да се отбележи, че всички циркониеви сплави с други метали се характеризират с това, че те не губят своя вискозитет в широк температурен диапазон, устойчивост на удар механичен стрес е запазена на много високо ниво. Може да се даде пример за магнезиева сплав с няколко процента цинк и само няколко десети от процента цирконий. Полученият метал ще бъде почти два пъти по-силен от обикновения магнезий и ще може да поддържа силата си при температури до 200 градуса по Целзий.

Описание на характеристиките

Циркониеви сплави най-активно използвани в такива области като черупките на TVEL, тръбите на горивните канали, различни горивни монтажни възли. Самият цирконий се характеризира и с факта, че напречното сечение на неутронното поглъщане е доста ниско. На този индикатор той е на второ място само до вещества като магнезий и берилий. Освен това температурата на топене на циркония е много висока.

Цирконий сплави се използват в различни отрасли, се характеризират с това, че те имат много висока устойчивост на корозия във вода-пара смес, в наситени и прегрята пара до температура от около 350-360 градуса по Целзий. Заслужава да се отбележи, че в близко бъдеще се очаква тази температурна граница да се повиши до по-високи стойности.

Параметри на алуминия

Свойствата на циркониевите сплави по отношение на механичната стабилност са доста високи, което не може да се каже за чист цирконий. Високата трайност на материала се постига чрез допинг. Например, такава сплав като ниобий (Nb) и 1% цирконий (Zr) се характеризира с това, че якостта на добив на материала при температури от 20, 200, 300 и 400 градуса по Целзий, ще бъде равна на 200, 160, 120 и 90 МРа. Такава сплав се използва активно за облицоване на гориво. И, например, чрез промяна на състава на сплавта на цирконий с ниобий, т.е. увеличи съдържанието на цирконий до 2,5%, съдържание на добив да нарасне 280, 220, 200 и 180 МРа, при същите температури.

Тези материали обаче имат своите недостатъци. Недостатъците са фактът, че сплавта с цирконий е твърде страховита, когато температурата достигне 320-350 градуса по Целзий и по-нагоре. Друг недостатък е, че Zr активно разтваря водород, който често се среща в процеса на корозия. Поради това ще се образуват вещества като циркониеви хидриди, които значително намаляват пластичността на суровините, което прави метала по-крехък.

Цирконий в медицината

Циркониевите сплави в медицината се използват доста активно. Учените чрез експериментите са установили, че дори да носят прости циркониеви гривни може да помогне в лечението на някои заболявания, а също и да повиши общото ниво на благополучие на човек.

Днес, импланти (фиксатори) често се използват в такива области на медицината като травматология и лицево-челюстна хирургия. Фиксаторите се използват за фрактури, които закрепват костите, така че да не се движат. В тези случаи е възможно да се разпределят тези предимства на циркониеви сплави, като например: висока биосъвместимост (позовавайки се на липсата на алергични реакции към човешкото тяло като сплав или отхвърляне), високи якостни характеристики на сплавта, което е много важно за скобите. Заслужава да се отбележи е, също така, че липсата на отхвърляне или алергия към дадено вещество е довело до факта, че не е необходимо отново да извърши операцията, за да извлечете фиксатора, когато изведнъж тялото започва да отхвърля импланта.

Цирконий в ядрената енергетика

До петдесетте години на миналия век се смята, че цирконий не е подходящ за употреба в тази област. Това обаче беше през 50-те. за първи път се получава материал, който напълно се пречиства от примеси като хафний. След пречистването се оказа, че чистият цирконий притежава много малко напречно сечение за абсорбцията на топлинни неутрони. Това качество стана основно и направи възможно използването на циркониеви сплави в ядрената енергетика.

Трябва да се добави, че не е възможно да се използва просто пречистен цирконий, тъй като устойчивостта на корозия е твърде ниска в горещата вода. След това бе решено да се използват сплави на циркониева основа. Те се доказаха добре, когато се използват в реактори с охлаждаща течност с пара и вода, както и в други подобни агресивни среди.

Общо приложение на сплави

Цирконийът се използва широко като сплавен елемент. Това се дължи на факта, че металите, към които се добавя това вещество, стават по-устойчиви на топлина, киселинно устойчиви и др. Това означава, че сплавта от метал и цирконий е много по-висока в характеристиките на първоначалните суровини.

Ферозирконийът се използва широко. Това е сплав от цирконий с желязо. съдържание елемент на легиране Zr достига до 20% от общата маса. Използва се в металургията като дезоксидатор и дегазатор за стомана. Алуминиево-циркониеви сплави, например, се считат за най-устойчиви на корозия и се използват в катодни решетки за електрически вакуумни лампи. Съдържанието на Zr в такава сплав не е повече от 3% от общата маса.

В черната металургия, в допълнение към ферозирконий, често се използват Zr и силиций. Нанесете го, за да дегазирате стоманата. Широко използвана сплав от мед и цирконий за производството на проводящи елементи за електрическо оборудване.

Намиране на цирконий

Трябва да се отбележи, че циркониевият елемент е доста слабо разпространен. Съдържанието на това вещество в земната кора не надвишава 0,025% от масата. В таблицата на разпространението на металите цирконий заема дванадесетия ред. Тази суровина е доста силно напръскана и затова е много трудно да се намери дори при големи находища. Най-често се среща като химическо съединение, разположено в литосферата, тъй като самият цирконий е литофилен елемент.