Κράματα ζιρκονίου: σύνθεση, ιδιότητες, εφαρμογή

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Η χρήση του κράματος ζιρκονίου είναι επί του παρόντος αρκετά διαδεδομένη στην ιατρική και την πυρηνική ενέργεια. Σε άλλες βιομηχανίες, αυτό το υλικό χρησιμοποιείται επίσης, αλλά σε μικρότερο βαθμό. Αξίζει να σημειωθεί ότι διάφορα κράματα από αυτή την πρώτη ύλη έχουν κερδίσει δημοτικότητα. Από μόνο του, το ζιρκόνιο δεν έχει γίνει δημοφιλές υλικό, καθώς η ποιότητά του είναι πολύ χειρότερη από αυτή ενός κράματος του ίδιου μετάλλου.

Γενικές πληροφορίες

Το ζιρκόνιο (Zr) είναι ένα στοιχείο του περιοδικού πίνακα του οποίου ο ατομικός αριθμός είναι 40 και το ατομικό του βάρος είναι 91,22. Υπό κανονικές συνθήκες και υπό κανονικές συνθήκες, αυτό το υλικό είναι ένα γυαλιστερό μέταλλο με ασημί λευκή απόχρωση. Η πυκνότητα τέτοιων πρώτων υλών φτάνει τα 6,45 g/cm3. Αυτό το μέταλλο στην καθαρή του μορφή, που δεν περιέχει ακαθαρσίες, διακρίνεται από το γεγονός ότι έχει πολύ υψηλή ολκιμότητα και είναι πολύ εύκολο να επεξεργαστεί τόσο κρύο όσο και ζεστό. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι αυτή η πρώτη ύλη, όπως το τιτάνιο, για παράδειγμα, θα χάσει απότομα τις μηχανικές της ιδιότητες εάν συνδυαστεί με ακαθαρσίες μη μεταλλικών ουσιών. Το ζιρκόνιο και το οξυγόνο θεωρούνται οι χειρότερες ενώσεις.

Ιδιότητες υλικών καικράμα

Το ίδιο το ζιρκόνιο διακρίνεται από το γεγονός ότι έχει αρκετά υψηλή αντοχή σε διάφορα οξέα. Αυτή η πρώτη ύλη δεν διαλύεται σε περιβάλλον όπως νιτρικό και υδροχλωρικό οξύ ή αλκάλιο. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι βασικό. Στη βάση του, δημιουργούνται πολλά κράματα ζιρκονίου. Για παράδειγμα, εάν πάρετε κράματα μαγνησίου πολλαπλών συστατικών και προσθέσετε ένα στοιχείο όπως το ζιρκόνιο σε αυτά, το υλικό θα γίνει πολύ πιο ανθεκτικό στη διάβρωση. Εάν δημιουργήσετε ένα κράμα τιτανίου και ζιρκονίου, τότε η αντίσταση σε οξύ του πρώτου στοιχείου θα αυξηθεί.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι όλα τα κράματα ζιρκονίου με άλλα μέταλλα χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι δεν χάνουν τη σκληρότητά τους σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, η αντοχή σε μηχανικούς κραδασμούς παραμένει σε πολύ υψηλό επίπεδο. Ένα παράδειγμα είναι ένα κράμα μαγνησίου με μερικά τοις εκατό ψευδάργυρο και μόνο μερικά δέκατα του ενός τοις εκατό ζιρκόνιο. Το μέταλλο που θα προκύψει θα είναι σχεδόν διπλάσιο από το μαγνήσιο και θα μπορεί επίσης να διατηρήσει τη δύναμή του σε θερμοκρασίες έως και 200 βαθμούς Κελσίου.

Περιγραφή χαρακτηριστικών

Τα κράματα ζιρκονίου χρησιμοποιούνται πιο ενεργά σε τομείς όπως η επένδυση στοιχείων καυσίμου, οι σωλήνες καναλιών καυσίμου και διάφορα μέρη συγκροτημάτων καυσίμου. Το ίδιο το ζιρκόνιο χαρακτηρίζεται επίσης από το γεγονός ότι η διατομή απορρόφησης νετρονίων είναι μάλλον χαμηλή. Σύμφωνα με αυτόν τον δείκτη, είναι δεύτερο μόνο σε ουσίες όπως το μαγνήσιο και το βηρύλλιο. Επιπλέον, το σημείο τήξης του ζιρκονίου είναι πολύ υψηλό.

Τα κράματα ζιρκονίου που χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανίες χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι έχουν πολύ υψηλή αντοχή στη διάβρωση στο νερό, στο μείγμα ατμού-νερού, σε κορεσμένο και υπέρθερμο ατμό μέχρι θερμοκρασία περίπου 350-360 βαθμούς Κελσίου. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι αυτό το όριο θερμοκρασίας αναμένεται να αυξηθεί σε υψηλότερες τιμές στο εγγύς μέλλον.

Παράμετροι κράματος

Οι ιδιότητες των κραμάτων ζιρκονίου όσον αφορά τη μηχανική σταθερότητα είναι αρκετά υψηλές, κάτι που δεν μπορεί να ειπωθεί για το καθαρό ζιρκόνιο. Με το κράμα επιτυγχάνεται η υψηλή αντοχή του υλικού. Για παράδειγμα, ένα κράμα όπως το νιόβιο (Nb) και το 1% ζιρκόνιο (Zr) θα χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η αντοχή διαρροής του υλικού σε θερμοκρασίες 20, 200, 300 και 400 βαθμών Κελσίου θα είναι 200, 160, 120 και 90 MPa. Αυτό το κράμα χρησιμοποιείται ενεργά για την επένδυση ράβδων καυσίμου. Και, για παράδειγμα, εάν αλλάξετε τη σύνθεση του κράματος ζιρκονίου με νιόβιο, δηλαδή αυξήσετε την περιεκτικότητα σε ζιρκόνιο στο 2,5%, τότε η αντοχή διαρροής θα αυξηθεί στα 280, 220, 200 και 180 MPa, στις ίδιες θερμοκρασίες.

Ωστόσο, τέτοια υλικά έχουν τα μειονεκτήματά τους. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν το γεγονός ότι το κράμα με ζιρκόνιο αποδεικνύεται πολύ ανατριχιαστικό όταν η θερμοκρασία φτάσει τους 320-350 βαθμούς Κελσίου και πάνω. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι το Zr διαλύει ενεργά το υδρογόνο, το οποίο συμβαίνει συχνά κατά τη διάβρωση. Εξαιτίας αυτού, θα σχηματιστούν ουσίες όπως τα υδρίδια του ζιρκονίου, τα οποία μειώνουν σημαντικά την ολκιμότητα της πρώτης ύλης, γεγονός που καθιστά το μέταλλο πιο εύθραυστο.

Ζιρκόνιο στην ιατρική

Τα κράματα ζιρκονίου χρησιμοποιούνται αρκετά ενεργά στην ιατρική. Οι επιστήμονες μέσα από πειράματα ανακάλυψαν ότι ακόμη και η χρήση απλών βραχιολιών ζιρκονίου μπορεί να βοηθήσει στη θεραπεία ορισμένων ασθενειών και μπορεί επίσης να αυξήσει τη συνολική ευημερία ενός ατόμου.

Σήμερα, τα εμφυτεύματα (συγκρατητές) χρησιμοποιούνται συχνά σε τομείς της ιατρικής όπως η τραυματολογία και η γναθοπροσωπική χειρουργική. Οι σταθεροποιητές χρησιμοποιούνται για κατάγματα, στερεώνοντας τα οστά έτσι ώστε να μην κινούνται. Σε αυτές τις περιπτώσεις μπορεί κανείς να διακρίνει τέτοια πλεονεκτήματα από τη χρήση κραμάτων ζιρκονίου όπως: υψηλή βιολογική συμβατότητα (που σημαίνει απουσία αλλεργικών αντιδράσεων του ανθρώπινου σώματος σε ένα τέτοιο κράμα ή απόρριψη), χαρακτηριστικά υψηλής αντοχής του κράματος, το οποίο είναι πολύ σημαντικό για σταθεροποιητές. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η απουσία απόρριψης ή αλλεργίας σε μια τέτοια ουσία οδήγησε στο γεγονός ότι δεν υπήρχε ανάγκη επανάληψης της χειρουργικής επέμβασης για την αφαίρεση του συγκρατητήρα εάν το σώμα άρχιζε ξαφνικά να απορρίπτει το εμφύτευμα.

Ζιρκόνιο στη βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας

Μέχρι τη δεκαετία του '50 του περασμένου αιώνα, πίστευαν ότι το ζιρκόνιο δεν ήταν κατάλληλο για χρήση σε αυτόν τον τομέα. Ωστόσο, ήταν στη δεκαετία του '50. Για πρώτη φορά, ελήφθη ένα υλικό που καθαρίστηκε πλήρως από μια τέτοια ακαθαρσία όπως το άφνιο. Μετά τον καθαρισμό, αποδείχθηκε ότι το καθαρό ζιρκόνιο έχει πολύ μικρή διατομή θερμικής απορρόφησης νετρονίων. Ήταν αυτή η ποιότητα που έγινε η κύρια και κατέστησε δυνατή τη χρήση κραμάτων ζιρκονίου στη βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας.

Πρέπει να προστεθεί ότι απλά καθαρισμένο ζιρκόνιο δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί επειδή η αντίσταση στη διάβρωση ήταν πολύ χαμηλή στο ζεστό νερό. Μετά από αυτό, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν κράματα με βάση το ζιρκόνιο. Έχουν αποδείξει την αξία τους σε αντιδραστήρες που ψύχονται με ατμό και παρόμοια διαβρωτικά περιβάλλοντα.

Γενικές εφαρμογές κραμάτων

Το ζιρκόνιο χρησιμοποιείται ευρέως ως στοιχείο κράματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μέταλλα στα οποία προστίθεται αυτή η ουσία γίνονται πιο ανθεκτικά στη θερμότητα, ανθεκτικά στα οξέα κ.λπ. Δηλαδή, το κράμα μετάλλου και ζιρκονίου υπερβαίνει κατά πολύ την αρχική πρώτη ύλη στα χαρακτηριστικά του.

Το Το σιδηροζιρκόνιο χρησιμοποιείται αρκετά ευρέως. Είναι ένα κράμα ζιρκονίου και σιδήρου. Η περιεκτικότητα του στοιχείου κράματος Zr φτάνει το 20% της συνολικής μάζας. Μια τέτοια ουσία χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία ως αποοξειδωτή και απαερωτή για χάλυβα. Τα κράματα αλουμινίου-ζιρκόνιου, για παράδειγμα, θεωρούνται τα πιο ανθεκτικά στη διάβρωση και χρησιμοποιούνται σε πλέγματα καθόδου για σωλήνες κενού. Η περιεκτικότητα σε Zr σε ένα τέτοιο κράμα δεν είναι μεγαλύτερη από το 3% της συνολικής μάζας.

Στη σιδηρούχα μεταλλουργία, εκτός από το σιδηροζιρκόνιο, χρησιμοποιείται συχνά ένα κράμα Zr και πυριτίου. Χρησιμοποιείται για την απαέρωση χάλυβα. Ένα κράμα χαλκού και ζιρκονίου χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή αγώγιμων στοιχείων για ηλεκτρικό εξοπλισμό.

Εύρεση ζιρκονίου

Αξίζει να σημειωθεί ότι το ζιρκόνιο είναι ένα αρκετά σπάνιο στοιχείο. Η περιεκτικότητα αυτής της ουσίας στον φλοιό της γης δεν υπερβαίνει0,025% κατά βάρος. Το ζιρκόνιο καταλαμβάνει τη δωδέκατη γραμμή στον πίνακα επικράτησης των μετάλλων. Αυτή η πρώτη ύλη είναι αρκετά διασκορπισμένη και επομένως είναι πολύ δύσκολο να βρεθούν μεγάλα αποθέματά της. Βρίσκεται πιο συχνά ως χημική ένωση που βρίσκεται στη λιθόσφαιρα, καθώς το ίδιο το ζιρκόνιο είναι λιθόφιλο στοιχείο.