Циркониеви сплави: състав, свойства, приложение

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Използването на циркониева сплав в момента е доста широко разпространено в медицината и ядрената енергетика. В други индустрии този материал също се използва, но в по-малка степен. Струва си да се отбележи, че различни сплави от тази суровина са придобили популярност. Сам по себе си цирконият не се е превърнал в популярен материал, тъй като качеството му е много по-лошо от това на сплав от същия метал.

Обща информация

Цирконий (Zr) е елемент от периодичната таблица, чийто атомен номер е 40 и атомното му тегло е 91,22. При нормални условия и при нормални условия този материал е лъскав метал със сребристо бял оттенък. Плътността на такива суровини достига 6,45 g/cm3. Този метал в чиста форма, който не съдържа никакви примеси, се отличава с това, че има много висока пластичност и е много лесен за обработка както студено, така и горещо. Тук си струва да се отбележи, че тази суровина, като титан, например, ще загуби рязко механичните си свойства, ако се комбинира с примеси от неметални вещества. Цирконият и кислородът се считат за най-лошите съединения.

Свойства на материалите исплав

Самият цирконий се отличава с това, че има доста висока устойчивост на различни киселини. Тази суровина не се разтваря в среда като азотна и солна киселина или алкали. Тази функция е ключова. На негова основа се създават много циркониеви сплави. Например, ако вземете многокомпонентни магнезиеви сплави и добавите към тях елемент като цирконий, материалът ще стане много по-устойчив на корозия. Ако създадете сплав от титан и цирконий, тогава киселинната устойчивост на първия елемент ще се увеличи.

Заслужава да се отбележи, че всички циркониеви сплави с други метали се характеризират с това, че не губят якостта си в широк температурен диапазон, устойчивостта на механичен удар остава на много високо ниво. Пример е магнезиева сплав с няколко процента цинк и само няколко десети от процента цирконий. Полученият метал ще бъде почти два пъти по-здрав от магнезия и също така ще може да поддържа здравината си при температури до 200 градуса по Целзий.

Описание на функциите

Циркониеви сплави се използват най-активно в области като облицовка на горивни елементи, тръби на горивния канал и различни части на горивни касети. Самият цирконий също се характеризира с факта, че напречното сечение на абсорбция на неутрони е доста ниско. По този показател той е на второ място след такива вещества като магнезий и берилий. В допълнение, точката на топене на циркония е много висока.

Циркониеви сплави, използвани в различни индустрии, се характеризират с това, че имат много висока устойчивост на корозия във вода, в смес пара-вода, в наситена и прегрята пара до температура от около 350-360 градуса по Целзий. Също така си струва да се отбележи, че тази температурна граница се очаква да бъде повишена до по-високи стойности в близко бъдеще.

Параметри на сплав

Свойствата на циркониевите сплави по отношение на механичната стабилност са доста високи, което не може да се каже за чистия цирконий. Именно чрез легирането се постига висока якост на материала. Например, сплав като ниобий (Nb) и 1% цирконий (Zr) ще се характеризира с факта, че границата на провлачване на материала при температури от 20, 200, 300 и 400 градуса по Целзий ще бъде 200, 160, 120 и 90 MPa. Тази сплав се използва активно за облицовка на горивни пръти. И, например, ако промените състава на циркониевата сплав с ниобий, тоест увеличите съдържанието на цирконий до 2,5%, тогава границата на провлачване ще се увеличи до 280, 220, 200 и 180 MPa при същите температури.

Такива материали обаче имат своите недостатъци. Недостатъците включват факта, че сплавта с цирконий се оказва твърде страховита, когато температурата достигне 320-350 градуса по Целзий и повече. Друг недостатък е, че Zr активно разтваря водорода, което често се случва по време на корозия. Поради това ще се образуват вещества като циркониеви хидриди, които значително намаляват пластичността на суровината, което прави метала по-крехък.

Цирконий в медицината

Циркониеви сплави се използват доста активно в медицината. Учените чрез експерименти са открили, че дори носенето на обикновени циркониеви гривни може да помогне за лечение на определени заболявания, а също така може да подобри общото благосъстояние на човека.

Днес имплантите (фиксаторите) често се използват в такива области на медицината като травматология и лицево-челюстна хирургия. При фрактури се използват фиксатори, фиксиращи костите, така че да не се движат. Именно в тези случаи могат да се разграничат такива предимства на използването на циркониеви сплави като: висока биологична съвместимост (което означава липса на алергични реакции на човешкото тяло към такава сплав или отхвърляне), високи якостни характеристики на сплавта, което е много важно за фиксатори. Заслужава да се отбележи също, че липсата на отхвърляне или алергия към такова вещество доведе до факта, че не е било необходимо да се повтаря хирургичната операция за отстраняване на фиксатора, ако тялото внезапно започне да отхвърля импланта..

Цирконий в ядрената енергетика

До 50-те години на миналия век се смяташе, че цирконият не е подходящ за използване в тази област. Това обаче беше през 50-те години. За първи път беше получен материал, който беше напълно пречистен от такъв примес като хафний. След пречистване се оказа, че чистият цирконий има много малко напречно сечение на абсорбция на топлинни неутрони. Именно това качество стана основното и направи възможно използването на циркониеви сплави в ядрената енергетика.

Трябва да се добави, че просто пречистеният цирконий не може да се използва, тъй като устойчивостта на корозия е твърде ниска в гореща вода. След това беше решено да се използват сплави на базата на цирконий. Те са доказали своята стойност в реактори с парно охлаждане и подобни корозивни среди.

Общи приложения на сплави

Цирконият е широко използван като легиращ елемент. Това се дължи на факта, че металите, към които се добавя това вещество, стават по-устойчиви на топлина, киселини и т.н. Тоест сплавта от метал и цирконий значително надвишава първоначалната суровина по своите характеристики.

Фероцирконий е доста широко използван. Това е сплав от цирконий и желязо. Съдържанието на легиращия елемент Zr достига 20% от общата маса. Такова вещество се използва в металургията като деоксидант и дегазатор за стомана. Алуминиево-циркониевите сплави, например, се считат за най-устойчиви на корозия и се използват в катодни решетки за вакуумни тръби. Съдържанието на Zr в такава сплав е не повече от 3% от общата маса.

В черната металургия, в допълнение към ферозиркония, често се използва сплав от Zr и силиций. Използва се за дегазиране на стомана. Сплав от мед и цирконий се използва широко за производството на проводими елементи за електрическо оборудване.

Намиране на цирконий

Заслужава да се отбележи, че цирконият е доста рядък елемент. Съдържанието на това вещество в земната кора не надвишава0,025% тегловни. Цирконият заема дванадесетия ред в таблицата за разпространение на металите. Тази суровина е доста разпръсната и затова е много трудно да се намерят големи залежи от нея. Най-често се среща като химично съединение, разположено в литосферата, тъй като самият цирконий е литофилен елемент.