Cirkonija sakausējumi: sastāvs, īpašības, pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Cirkonija sakausējuma izmantošana pašlaik ir diezgan izplatīta medicīnā un kodolenerģētikā. Arī citās nozarēs šis materiāls tiek izmantots, bet mazākā mērā. Ir vērts atzīmēt, ka dažādi sakausējumi no šī izejmateriāla ir ieguvuši popularitāti. Pats par sevi cirkonijs nav kļuvis par populāru materiālu, jo tā kvalitāte ir daudz sliktāka nekā tā paša metāla sakausējuma kvalitātei.

Vispārīga informācija

Cirkonijs (Zr) ir periodiskās tabulas elements, kura atomu skaits ir 40 un atomsvars ir 91,22. Normālos apstākļos un normālos apstākļos šis materiāls ir spīdīgs metāls ar sudrabaini b altu nokrāsu. Šādu izejvielu blīvums sasniedz 6,45 g/cm3. Šis metāls tīrā veidā, kas nesatur nekādus piemaisījumus, izceļas ar to, ka tam ir ļoti augsta elastība, un to ir ļoti viegli apstrādāt gan aukstā, gan karstā veidā. Šeit ir vērts atzīmēt, ka šī izejviela, piemēram, titāns, strauji zaudēs savas mehāniskās īpašības, ja to apvienos ar nemetālisku vielu piemaisījumiem. Cirkonijs un skābeklis tiek uzskatīti par vissliktākajiem savienojumiem.

Materiāla īpašības unsakausējums

Pats cirkonijs izceļas ar to, ka tam ir diezgan augsta izturība pret dažādām skābēm. Šī izejviela nešķīst vidē, piemēram, slāpekļskābē un sālsskābē vai sārmā. Šī funkcija ir galvenā. Uz tā pamata tiek izveidoti daudzi cirkonija sakausējumi. Piemēram, ja ņemat daudzkomponentu magnija sakausējumus un pievienojat tiem tādu elementu kā cirkonijs, materiāls kļūs daudz izturīgāks pret koroziju. Ja izveidojat titāna un cirkonija sakausējumu, palielināsies pirmā elementa skābes izturība.

Vērts arī atzīmēt, ka visiem cirkonija sakausējumiem ar citiem metāliem ir raksturīgs tas, ka tie nezaudē savu stingrību plašā temperatūras diapazonā, izturība pret mehānisko triecienu saglabājas ļoti augstā līmenī. Piemērs ir magnija sakausējums, kurā ir daži procenti cinka un tikai dažas procenta desmitdaļas cirkonija. Iegūtais metāls būs gandrīz divas reizes stiprāks par magniju, un tas arī spēs saglabāt savu izturību temperatūrā līdz 200 grādiem pēc Celsija.

Funkciju apraksts

Cirkonija sakausējumus visaktīvāk izmanto tādās jomās kā degvielas elementu apšuvums, degvielas kanālu caurules un dažādas degvielas komplektu daļas. Arī pašu cirkoniju raksturo tas, ka neitronu absorbcijas šķērsgriezums ir diezgan zems. Pēc šī rādītāja tas ir otrajā vietā aiz tādām vielām kā magnijs un berilijs. Turklāt cirkonija kušanas temperatūra ir ļoti augsta.

Cirkonija sakausējumi, ko izmanto dažādās nozarēs, raksturojas ar to, ka tiem ir ļoti augsta izturība pret koroziju ūdenī, tvaika-ūdens maisījumā, piesātinātā un pārkarsētā tvaikā līdz aptuveni 350-360 grādiem pēc Celsija. Ir arī vērts atzīmēt, ka šī temperatūras robeža tuvākajā nākotnē tiks paaugstināta līdz augstākām vērtībām.

Sakausējuma parametri

Cirkonija sakausējumu īpašības mehāniskās stabilitātes ziņā ir diezgan augstas, ko nevar teikt par tīru cirkoniju. Tieši sakausējot tiek panākta materiāla augstā izturība. Piemēram, tādu sakausējumu kā niobijs (Nb) un 1% cirkonijs (Zr) raksturo fakts, ka materiāla tecēšanas robeža 20, 200, 300 un 400 grādu temperatūrā pēc Celsija būs 200, 160, 120 un 90 MPa. Šo sakausējumu aktīvi izmanto degvielas stieņu apšuvumam. Un, piemēram, mainot cirkonija sakausējuma sastāvu ar niobiju, tas ir, palielinot cirkonija saturu līdz 2,5%, tad tecēšanas robeža palielināsies līdz 280, 220, 200 un 180 MPa, tajā pašā temperatūrā.

Tomēr šādiem materiāliem ir savi trūkumi. Trūkumi ietver faktu, ka sakausējums ar cirkoniju izrādās pārāk rāpojošs, kad temperatūra sasniedz 320-350 grādus pēc Celsija un augstāk. Vēl viens trūkums ir tas, ka Zr aktīvi šķīdina ūdeņradi, kas bieži rodas korozijas laikā. Sakarā ar to veidosies tādas vielas kā cirkonija hidrīdi, kas ievērojami samazina izejmateriāla elastību, kas padara metālu trauslāku.

Cirkonijs medicīnā

Cirkonija sakausējumus medicīnā izmanto diezgan aktīvi. Zinātnieki, veicot eksperimentus, ir atklājuši, ka pat vienkāršu cirkonija aproces var palīdzēt ārstēt noteiktas slimības, kā arī uzlabot cilvēka vispārējo labsajūtu.

Mūsdienās implantus (retaineri) bieži izmanto tādās medicīnas jomās kā traumatoloģija un sejas žokļu ķirurģija. Fiksatorus izmanto lūzumiem, fiksējot kaulus, lai tie nekustētos. Šādos gadījumos var atšķirt tādas cirkonija sakausējumu izmantošanas priekšrocības kā: augsta bioloģiskā saderība (tas nozīmē, ka cilvēka ķermenim nav alerģisku reakciju pret šādu sakausējumu vai noraidīšana), sakausējuma augstas stiprības īpašības, kas ir ļoti svarīgi. fiksatoriem. Ir arī vērts atzīmēt, ka atgrūšanas vai alerģijas neesamība pret šādu vielu noveda pie tā, ka nebija vajadzības atkārtot fiksatora noņemšanas ķirurģisko operāciju, ja ķermenis pēkšņi sāka noraidīt implantu.

Cirkonijs kodolenerģētikas nozarē

Līdz pagājušā gadsimta 50. gadiem tika uzskatīts, ka cirkonijs nav piemērots izmantošanai šajā jomā. Tomēr tas bija 50. gados. Pirmo reizi tika iegūts materiāls, kas tika pilnībā attīrīts no tāda piemaisījuma kā hafnijs. Pēc attīrīšanas izrādījās, ka tīram cirkonim ir ļoti mazs termiskās neitronu absorbcijas šķērsgriezums. Tieši šī kvalitāte kļuva par galveno un ļāva izmantot cirkonija sakausējumus kodolenerģētikas nozarē.

Jāpiebilst, ka vienkārši attīrītu cirkoniju nevarēja izmantot, jo karstā ūdenī bija pārāk zema izturība pret koroziju. Pēc tam tika nolemts izmantot cirkonija bāzes sakausējumus. Tie ir pierādījuši savu vērtību ar tvaiku dzesējamos reaktoros un līdzīgās kodīgās vidēs.

Sakausējumu vispārīgi pielietojumi

Cirkonijs tiek plaši izmantots kā leģējošais elements. Tas ir saistīts ar to, ka metāli, kuriem pievienota šī viela, kļūst karstumizturīgāki, izturīgāki pret skābēm utt. Tas nozīmē, ka metāla un cirkonija sakausējums pēc tā īpašībām ievērojami pārsniedz sākotnējo izejmateriālu.

Ferrozirkonijs tiek izmantots diezgan plaši. Tas ir cirkonija un dzelzs sakausējums. Leģējošā elementa Zr saturs sasniedz 20% no kopējās masas. Šāda viela tiek izmantota metalurģijā kā tērauda deoksidētājs un degazētājs. Piemēram, alumīnija-cirkonija sakausējumi tiek uzskatīti par visizturīgākajiem pret koroziju un tiek izmantoti vakuuma lampu katodu režģos. Zr saturs šādā sakausējumā ir ne vairāk kā 3% no kopējās masas.

Melnajā metalurģijā papildus ferocirkonijam bieži izmanto Zr un silīcija sakausējumu. To izmanto tērauda degazēšanai. Vara un cirkonija sakausējumu plaši izmanto elektrisko iekārtu vadošu elementu ražošanā.

Cirkonija atrašana

Ir vērts atzīmēt, ka cirkonijs ir diezgan rets elements. Šīs vielas saturs zemes garozā nepārsniedz0,025% no svara. Cirkonijs ieņem divpadsmito rindu metālu izplatības tabulā. Šī izejviela ir diezgan izkliedēta, un tāpēc ir ļoti grūti atrast lielas tā nogulsnes. Visbiežāk tas ir atrodams kā ķīmisks savienojums, kas atrodas litosfērā, jo pats cirkonijs ir litofils elements.