Цирконієві сплави: склад, властивості, застосування

Використання цирконієвого сплаву в даний час досить широко поширене в медицині та атомній енергетиці. В інших галузях цей матеріал також використовується, але з меншою часткою. Варто відзначити, що популярність придбали саме різні сплави з цієї сировини. Сам по собі цирконій не став популярним матеріалом, так як його якості набагато гірше, ніж у сплаву з цього ж металу.

Загальні відомості

Цирконій (Zr) - це елемент таблиці Менделєєва, атомний номер якого дорівнює 40 а його атомна вага становить 9122. При нормальному стані і в нормальних умовах, даний матеріал являє собою блискучий метал з сріблясто-білим відтінком. Щільність такої сировини досягає 645 г/см 3 . Даний метал у чистому вигляді, не містить ніяких домішок, відрізняється тим, що у нього дуже висока пластичність, і він дуже легко піддається обробці як холодної, так і гарячої. Тут варто відзначити, що це сировина, як і титан, наприклад, різко втратить свої механічні властивості, якщо його з'єднати з домішками неметалевих речовин. Найгіршим з'єднанням вважається цирконій і кисень.

Властивості матеріалу і сплаву

Сам по собі цирконій виділяється тим, що у нього досить висока стійкість до різних кислот. Дана сировина не розчиняється в такому середовищі, як азотна і соляна кислота або луг. Ця характеристика є ключовою. На її основі створюється безліч цирконієвих сплавів. Наприклад, якщо взяти багатокомпонентні сплави магнію і додати до них такий елемент, як цирконій, то матеріал стане набагато стійкішими до впливу корозії. Якщо створити сплав титану і цирконію, то підвищиться стійкість до кислот у першого елемента.


Також варто відзначити, що всі цирконієві сплави з іншими металами характеризуються тим, що вони не втрачають своєї в'язкості в широкому інтервалі температури, опір ударним механічних навантажень зберігається на дуже високому рівні. Можна привести приклад сплаву магнію з кількома відсотками цинку і всього з декількома десятими відсотка цирконію. Отриманий в результаті метал практично вдвічі міцніше, ніж простий магній, а також він зможе зберігати свою міцність при температурі до 200 градусів за Цельсієм.

Опис характеристик

Цирконієві сплави найбільш активно використовуються в таких областях, як оболонки Твелів, труб паливних каналів, різних деталей ТВЗ. Сам по собі цирконій характеризується ще й тим, що переріз поглинання нейтронів досить низька. За цим показником він поступається лише таким речовини, як магній і берилій. Крім цього, температура плавлення цирконію дуже висока. Цирконієві сплави, які використовуються в різних галузях, характеризуються тим, що у них дуже висока корозійна стійкість у воді, в пароводяної суміші, в насиченому і перегрітому парі до температури приблизно в 350-360 градусів за Цельсієм. Також варто відзначити, що в найближчому майбутньому очікується, що цей температурний межа буде підвищений до більш високих значень.

Параметри сплаву

Властивості цирконієвих сплавів в плані механічної стійкості досить високі, чого не можна сказати про чистому цирконії. Саме легуванням досягається висока міцність матеріалу. Приміром, такий сплав, як ніобій (Nb) і 1% цирконію (Zr) буде характеризуватися тим, що межа текучості матеріалу при температурах 20200300 і 400 градусів за Цельсієм, буде дорівнює 200160120 і 90 МПа. Такий сплав активно використовується для оболонок твелів. А, приміром, якщо змінити склад цирконієвого сплаву з ніобієм, тобто підвищити вміст цирконію до 25%, то межа плинності зросте до 280220200 180 МПа, при тих же температурах.
Однак у таких матеріалів є і свої недоліки. До мінусів варто віднести те, що сплав з цирконієм виходить занадто повзучим при досягненні температури в 320-350 градусів за Цельсієм і вище. Ще одним недоліком стало те, що Zr активно розчиняє водень, який часто виникає у процесі корозії. З-за цього будуть утворюватися такі речовини, як гідриди цирконію, сильно знижують пластичність сировини, що робить метал більш крихким.

Цирконій в медицині

Цирконієві сплави в медицині використовуються досить активно. Вчені шляхом експериментів з'ясували, що навіть носіння простих цирконієвих браслетів може допомогти в лікуванні деяких хвороб, а також це може підвищити загальний рівень самопочуття людини. На сьогоднішній день досить часто використовуються імпланти (фіксатори) в таких областях медицини, як травматологія та щелепно-лицьова хірургія. Фіксатори застосовують при переломах, фіксуючи кістки так, щоб вони не рухалися. Саме в цих випадках можна виділити такі переваги використання цирконієвих сплавів, як: висока біологічна сумісність (мається на увазі відсутність алергічних реакцій організму людини на такий сплав або відторгнення), високі міцнісні характеристики сплаву, що дуже важливо для фіксаторів. Також варто відзначити, що відсутність відторгнення або алергії на таку речовину призвело до того, що відпала необхідність у повторному проведенні хірургічної операції по вилученню фіксатора, якщо раптом організм починав відторгати імплант.

Цирконій в атомній енергетиці

До 50-х років минулого століття вважалося, що цирконій не придатний для використання в цій сфері. Однак саме в 50-х рр. був вперше отриманий матеріал, який повністю очищений від такої домішки, як гафній. Після очищення виявилося, що чистий цирконій має дуже малим поперечним перерізом поглинання теплових нейтронів. Саме це стало основним і дало можливість використовувати цирконієві сплави в атомній енергетиці. Варто додати, що просто використовувати очищений цирконій не виходило з-за того, що стійкість до корозії була надто низькою в гарячій воді. Після цього було прийнято рішення про використання саме сплавів на основі цирконію. Вони відмінно зарекомендували себе при застосуванні в реакторах з пароводяним теплоносієм, а також в інших подібних агресивних середовищах.

Загальне застосування сплавів

Дуже широко використовується цирконій як легуючого елемента. Це обумовлено тим, що метали, до яких додають це речовина, стають більш жароміцні, кислотоупорными і т. д. тобто сплав металу і цирконію сильно перевищує за своїми характеристиками початкову сировину. Досить широко використовується ферроцирконий. Це сплав цирконію з залізом. Зміст легуючого елемента Zr досягає 20% від загальної маси. Використовується таке речовина в металургії в якості розкислювача і дегазатора для сталі. Алюмінієво-цирконієві сплави, наприклад, вважаються найбільш стійкими до корозії і застосовуються в катодних сітках для електровакуумних ламп. Зміст Zr в такому сплаві не більше 3% від загальної маси. У чорній металургії, крім ферроциркония, часто використовується сплав Zr і кремнію. Застосовують його для дегазації сталі. Широко використовується сплав міді і цирконію для виготовлення струмопровідних елементів електротехнічної апаратури.

Знаходження цирконію

Варто відзначити, що цирконій - це досить слабо розповсюджений елемент. Вміст цієї речовини в земній корі не перевищує 0025% по масі. В таблиці поширеності металів цирконій займає дванадцяту сходинку. Це сировина досить сильно розпорошено, а тому знайти його хоч скільки-небудь великі поклади дуже важко. Найчастіше він зустрічається в якості хімічної сполуки, розташованого в літосфері, так як сам по собі цирконій - це литофильный елемент.