Cirkonijs: sakausējumi uz tā bāzes. Īpašības, pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-02 13:59

Rets, bet tajā pašā laikā ļoti nozīmīgs daudzās nozarēs metāls - cirkonijs - pirmo reizi tika izolēts tikai 1824. gadā. Tomēr tajā joprojām bija noteikts procentuālais daudzums citu elementu. Tikai 20. gadsimtā bija iespējams iegūt tīru cirkoniju, brīvu no dažādiem piemaisījumiem. Uz tā bāzes izgatavotie sakausējumi tiek veiksmīgi izmantoti ugunsizturīgo materiālu, abrazīvu, keramikas krāsu, smilšpapīra, tekstilizstrādājumu, dezodorantu un mākslīgo akmeņu ražošanā. Protams, nevajadzētu aizmirst par šī metāla lielo nozīmi medicīnā. Uzziniet vairāk par viņu.

Metalurģijas attīstība

Cirkonijs ir galvenā kodolenerģētikas sakausējumu sastāvdaļa. Bet tam ir nepieciešams, lai tas būtu pēc iespējas tīrāks no dažādiem piemaisījumiem. Fakts ir tāds, ka cirkonija rūdās ir ne tikai tāds retzemju elements kā hafnijs, bet arī slāpeklis, ogleklis un skābeklis. Un šādi nemetālu piemaisījumi ir diezgan bīstami, un tos var iekļaut kodolreaktoru strukturālo materiālu sastāvā ne vairāk kā procenta miljondaļās. Tāpēc, iegūstot tīru cirkoniju un sakausējumustā pamatā ir diezgan ilgs un darbietilpīgs process. Vispirms koncentrāts tiek atvērts, pēc tam tas tiek bagātināts, tiek atdalīti nevēlamie piemaisījumi un hafnijs.

Tīrs cirkonijs izskatās kā tipisks metāls. Pēc izskata tas ir ļoti līdzīgs tēraudam, bet tajā pašā laikā izturīgāks un elastīgāks. Protams, sakausējumos, kuru pamatā ir tas, tā īpašības var ievērojami atšķirties atkarībā no citu elementu daudzuma. Piemēram, skābeklis (vairāk nekā 0,6%) padarīs cirkoniju trauslāku. Bet ir arī mīnuss: šī metāla dioksīda (ZrO_{2) kušanas temperatūra ir 2680 °C.}

Galvenais celtniecības materiāls

Kā minēts iepriekš, visplašākā cirkonija un tā sakausējumu izmantošanas joma ir kodolrūpniecība. To galvenā priekšrocība ir tā, ka tiem ir mazs termiskās neitronu uztveršanas šķērsgriezums (tikai 0,18 šķūnis), labas korozijas īpašības un augsta kušanas temperatūra. Tātad TVEL ir kodolreaktora aktīvās zonas galvenais konstruktīvais degvielas elements, kurā tiek ievietota kodoldegviela. Tieši tajā notiek smago kodolu skaldīšanās, kas nozīmē, ka degvielas elementam jābūt izgatavotam no visizturīgākā un ugunsizturīgākā metāla, un tas nedrīkst mainīt neitronu absorbcijas raksturu reaktorā.

Tātad tā apvalka izgatavošanai tiek izmantoti cirkonija sakausējumi. Prasības tiem ir diezgan stingras. Tātad leģējošie elementi nedrīkst pasliktināt tā īpašības. Jo īpaši tas attiecas uz nelielo šķērsgriezumu termisko neitronu uztveršanai. Cirkonijs ir leģēts, lainomāc slāpekļa kaitīgo ietekmi un uzlabo tā korozijas īpašības. Daudzi Mendeļejeva periodiskās sistēmas elementi nav piemēroti, jo samazina noteiktas īpašības.

Slavenākais sakausējums, ko izmanto degvielas stieņu izgatavošanai, ir cirkola sakausējums. Tās galvenais leģējošais elements ir alva, bet palīgelementi ir dzelzs, hroms un niķelis. Krievijā cirkonija leģēšanai visbiežāk izmanto niobiju. Tam ir arī zems termiskās neitronu uztveršanas šķērsgriezums, tas samazina ūdeņraža uzņemšanu un veido tikai cietus šķīdumus. Un tas, savukārt, nodrošina sakausējumus ar augstu elastību.

Cirkonija sakausējums

Šī metāla augstā izturība pret koroziju izskaidro, kāpēc to tik bieži izmanto kā leģējošu elementu melno un krāsaino metālu metalurģijā. Turklāt tas nešķīst sālsskābē un slāpekļskābē un sārmos. Tādējādi daudzkomponentu cirkonija sakausējumi ar magniju ir ļoti populāri. Turklāt sakausēšana ar šo metālu palielina titāna skābes izturību. Cirkonija sakausējumiem ar varu ir augsta izturība un elektriskā vadītspēja. Diezgan bieži to izmanto arī kā piedevu dažādu tērauda marku ražošanā. Tas ļauj noņemt no tiem sēru, slāpekli un skābekli.

Medicīnas nozare

Ņemot vērā cirkoniju un tā sakausējumus, nevar nepieminēt vēl vienu to izmantošanas jomu. Medicīnas nozarē tie ieņem tālu no pēdējās vietas. Pavisam nesen tērauda untitāna sakausējumi. Tomēr dažos gadījumos organisms noraidīja šos metālus, pret kuriem parādījās alerģiska reakcija. Mūsdienu medicīna izmanto cirkonija un titāna sakausējumus skavu, plākšņu, implantu, protēžu un to fiksācijas mehānismu ražošanai.

Tā kā šis metāls un tā savienojumi nekairina kaulus un apkārtējos mīkstos audus, tas ir veiksmīgi izmantots juvelierizstrādājumu ražošanā. Piemēram, cirkonija auskari neizraisa alerģisku reakciju un dziedē brūci auss ļipiņā ne sliktāk kā zelts.

Enerģijas patēriņš

Alumīnija un cirkonija sakausējumam ir daudz pozitīvu īpašību, un tāpēc to veiksmīgi izmanto enerģētikas nozarē. Fakts ir tāds, ka tērauda un vara stieples sver diezgan daudz, un bieži vien vecie balsti nevar izturēt šādu slodzi. 1960. gadā Japānā zinātnieku grupa izgatavoja alumīnija un cirkonija sakausējumu sēriju. Viņi noteica, ka šādu materiālu var ilgstoši izmantot augstā temperatūrā (150-230 ° C) un tajā pašā laikā tas būs diezgan viegls. Tas ļauj to izmantot augstas temperatūras vadu ražošanai. Tas palielina elektrisko tīklu uzticamību un efektivitāti.

Citi pielietojumi cirkonija savienojumiem un sakausējumiem

Daudzos pretsviedru līdzekļos var atrast tādu sastāvdaļu kā alumīnija cirkonija tetrahlorhidroks. Tas ir ķīmisks savienojums, kas absorbē sviedru un to smaku. Zinātnieki ir atklājuši, ka tā navuzsūcas ādā, un tāpēc nevar radīt nopietnu kaitējumu veselībai. Neskatoties uz to, alumīnija-cirkonija-tetrahlorhidroksglicīns ir aizliegts ES un ASV.

Cirkonija oksīdu izmanto elektrokorunda ražošanai. To iegūst, kausējot noliecamās elektriskās krāsnīs. Cirkonija elektrokorunds izrādās diezgan izturīgs un ļauj apstrādāt materiālus ar lielu saspiešanas spēku. Visbiežāk to izmanto rupjai un rupjai slīpēšanai.

Kopumā jāatzīmē, ka cirkonijam un tā sakausējumiem ir augsta kušanas temperatūra, ķīmiskā izturība un zems termiskās izplešanās koeficients. Šī iemesla dēļ to aktīvi izmanto dažādās jomās.