Ζιρκόνιο: κράματα με βάση αυτό. Ιδιότητες, εφαρμογή

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 13:52

Σπάνιο, αλλά ταυτόχρονα πολύ σημαντικό σε πολλές βιομηχανίες, το μέταλλο - ζιρκόνιο - απομονώθηκε για πρώτη φορά μόλις το 1824. Ωστόσο, εξακολουθούσε να περιέχει ένα ορισμένο ποσοστό άλλων στοιχείων. Μόνο τον 20ο αιώνα κατέστη δυνατό να ληφθεί καθαρό ζιρκόνιο, απαλλαγμένο από διάφορες ακαθαρσίες. Τα κράματα που βασίζονται σε αυτό χρησιμοποιούνται με επιτυχία για την κατασκευή πυρίμαχων υλικών, λειαντικών, κεραμικών χρωμάτων, γυαλόχαρτου, υφασμάτων, αποσμητικά και τεχνητών λίθων. Φυσικά, δεν πρέπει να ξεχνάμε την υψηλή σημασία αυτού του μετάλλου στην ιατρική. Μάθετε περισσότερα για αυτόν.

Ανάπτυξη της μεταλλουργίας

Το ζιρκόνιο είναι το κύριο συστατικό των κραμάτων για την πυρηνική μηχανική ενέργειας. Αλλά για αυτό είναι απαραίτητο να είναι όσο το δυνατόν πιο καθαρό από διάφορες ακαθαρσίες. Το γεγονός είναι ότι στα μεταλλεύματα ζιρκονίου δεν υπάρχει μόνο ένα στοιχείο σπανίων γαιών όπως το άφνιο, αλλά και άζωτο, άνθρακας και οξυγόνο. Και τέτοιες μη μεταλλικές ακαθαρσίες είναι αρκετά επικίνδυνες και μπορούν να συμπεριληφθούν στη σύνθεση των δομικών υλικών για πυρηνικούς αντιδραστήρες σε ποσότητα όχι μεγαλύτερη από το εκατομμυριοστό του τοις εκατό. Ως εκ τούτου, απόκτηση καθαρού ζιρκονίου και κραμάτωνη βάση του είναι μια μάλλον μακρά και επίπονη διαδικασία. Πρώτα ανοίγει το συμπύκνωμα, μετά εμπλουτίζεται, διαχωρίζονται οι ανεπιθύμητες ακαθαρσίες και το άφνιο.

Το καθαρό ζιρκόνιο μοιάζει με ένα τυπικό μέταλλο. Στην εμφάνιση, μοιάζει πολύ με το χάλυβα, αλλά ταυτόχρονα πιο ανθεκτικό και όλκιμο. Φυσικά, στα κράματα που βασίζονται σε αυτό, τα χαρακτηριστικά του μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με την ποσότητα των άλλων στοιχείων. Για παράδειγμα, το οξυγόνο (μεγαλύτερο από 0,6%) θα κάνει το ζιρκόνιο πιο εύθραυστο. Υπάρχει όμως και ένα μειονέκτημα: το διοξείδιο αυτού του μετάλλου (ZrO_{2) έχει σημείο τήξης 2680 °C.}

Κύριο υλικό κατασκευής

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ευρύτερη περιοχή όπου χρησιμοποιούνται το ζιρκόνιο και τα κράματά του είναι η πυρηνική βιομηχανία. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι έχουν μικρή διατομή θερμικής δέσμευσης νετρονίων (μόνο 0,18 αχυρώνα), καλές ιδιότητες διάβρωσης και υψηλό σημείο τήξης. Άρα, το TVEL είναι το κύριο εποικοδομητικό στοιχείο καυσίμου της ενεργού ζώνης ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, στην οποία τοποθετείται το πυρηνικό καύσιμο. Σε αυτό συμβαίνει η σχάση των βαρέων πυρήνων, πράγμα που σημαίνει ότι το στοιχείο καυσίμου πρέπει να είναι κατασκευασμένο από το πιο ανθεκτικό και πυρίμαχο μέταλλο και δεν πρέπει να αλλάξει τον χαρακτήρα της απορρόφησης νετρονίων στον αντιδραστήρα.

Έτσι, χρησιμοποιούνται κράματα ζιρκονίου για την κατασκευή του κελύφους του. Οι απαιτήσεις για αυτούς είναι αρκετά αυστηρές. Έτσι, τα στοιχεία κράματος δεν πρέπει να επιδεινώνουν τα χαρακτηριστικά του. Ειδικότερα, αυτό αφορά τη μικρή διατομή για τη σύλληψη θερμικών νετρονίων. Το ζιρκόνιο είναι κράμα προκειμένου νακαταστέλλουν τις βλαβερές συνέπειες του αζώτου και βελτιώνουν τις διαβρωτικές του ιδιότητες. Πολλά στοιχεία του περιοδικού συστήματος του Mendeleev δεν είναι κατάλληλα, καθώς μειώνουν ορισμένα χαρακτηριστικά.

Το πιο διάσημο κράμα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ράβδων καυσίμου είναι το zircaloy. Το κύριο κράμα του είναι ο κασσίτερος και τα βοηθητικά στοιχεία είναι ο σίδηρος, το χρώμιο και το νικέλιο. Στη Ρωσία, το νιόβιο χρησιμοποιείται συχνότερα για το κράμα ζιρκονίου. Έχει επίσης διατομή χαμηλής θερμικής δέσμευσης νετρονίων, μειώνει την πρόσληψη υδρογόνου και σχηματίζει μόνο στερεά διαλύματα. Και αυτό, με τη σειρά του, παρέχει στα κράματα υψηλή ολκιμότητα.

κράμα ζιρκονίου

Η υψηλή αντοχή στη διάβρωση αυτού του μετάλλου εξηγεί γιατί χρησιμοποιείται τόσο συχνά ως στοιχείο κράματος στη σιδηρούχα και μη σιδηρούχα μεταλλουργία. Επιπλέον, είναι αδιάλυτο σε υδροχλωρικά και νιτρικά οξέα και αλκάλια. Έτσι, τα πολυσυστατικά κράματα ζιρκονίου με μαγνήσιο είναι πολύ δημοφιλή. Επιπλέον, το κράμα με αυτό το μέταλλο αυξάνει την αντίσταση του τιτανίου στα οξέα. Τα κράματα ζιρκονίου με χαλκό έχουν υψηλή αντοχή και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Αρκετά συχνά χρησιμοποιείται και ως πρόσθετο στην παραγωγή διαφόρων ποιοτήτων χάλυβα. Αυτό σας επιτρέπει να αφαιρέσετε θείο, άζωτο και οξυγόνο από αυτά.

Ιατρική βιομηχανία

Λαμβάνοντας υπόψη το ζιρκόνιο και τα κράματά του, δεν μπορούμε να παραλείψουμε να αναφέρουμε έναν ακόμη τομέα χρήσης τους. Στον ιατρικό κλάδο, καταλαμβάνουν πολύ από την τελευταία θέση. Πιο πρόσφατα, ο χάλυβας καικράματα τιτανίου. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, το σώμα απέρριψε αυτά τα μέταλλα, έναντι των οποίων εμφανίστηκε αλλεργική αντίδραση. Η σύγχρονη ιατρική χρησιμοποιεί κράματα ζιρκονίου και τιτανίου για την κατασκευή συνδετήρων, πλακών, εμφυτευμάτων, οδοντοστοιχιών και τους μηχανισμούς στερέωσής τους.

Επειδή αυτό το μέταλλο και οι ενώσεις του δεν ερεθίζουν τα οστά και τους γύρω μαλακούς ιστούς, έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στην κατασκευή κοσμημάτων. Για παράδειγμα, τα σκουλαρίκια ζιρκονίου δεν προκαλούν αλλεργική αντίδραση και θεραπεύουν μια πληγή στον λοβό του αυτιού όχι χειρότερα από χρυσό.

Κατανάλωση ενέργειας

Το κράμα αλουμινίου και ζιρκονίου έχει πολλά θετικά χαρακτηριστικά και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται με επιτυχία στην ενεργειακή βιομηχανία. Το γεγονός είναι ότι τα σύρματα από χάλυβα και χαλκό ζυγίζουν αρκετά και συχνά τα παλιά στηρίγματα δεν μπορούν να αντέξουν ένα τέτοιο φορτίο. Το 1960, στην Ιαπωνία, μια ομάδα επιστημόνων παρήγαγε μια σειρά από κράματα αλουμινίου και ζιρκονίου. Καθόρισαν ότι ένα τέτοιο υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα σε υψηλές θερμοκρασίες (150-230 ° C) και ταυτόχρονα θα είναι αρκετά ελαφρύ. Αυτό επιτρέπει τη χρήση του για την κατασκευή συρμάτων υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό αυξάνει την αξιοπιστία και την απόδοση των ηλεκτρικών δικτύων.

Άλλες εφαρμογές για ενώσεις και κράματα ζιρκονίου

Σε πολλά αντιιδρωτικά, μπορείτε να βρείτε ένα συστατικό όπως το Aluminium Zirconium Tetrachlorohydrex. Είναι μια χημική ένωση που απορροφά τον ιδρώτα και τη μυρωδιά του. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι δεν είναιαπορροφάται στο δέρμα, και ως εκ τούτου, δεν μπορεί να προκαλέσει σοβαρή βλάβη στην υγεία. Παρόλα αυτά, η αλουμίνιο-ζιρκόνιο-τετραχλωροϋδρεξγλυκίνη απαγορεύεται στην ΕΕ και τις ΗΠΑ.

Οξείδιο του ζιρκονίου χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτροκορουνδίου. Λαμβάνεται με τήξη σε ανακλινόμενους ηλεκτρικούς κλιβάνους. Το ηλεκτροκορούνδιο ζιρκονίου αποδεικνύεται αρκετά ισχυρό και επιτρέπει την επεξεργασία υλικών με μεγάλη δύναμη σύσφιξης. Τις περισσότερες φορές χρησιμοποιείται για τραχιά και τραχιά λείανση.

Γενικά, πρέπει να σημειωθεί ότι το ζιρκόνιο και τα κράματά του έχουν υψηλό σημείο τήξης, χημική αντοχή και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής. Αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιείται ενεργά σε μια μεγάλη ποικιλία πεδίων.