Цирконій: сплави на його основі. Властивості, застосування

Рідкісний, але при цьому дуже важливе у багатьох галузях метал – цирконій - вперше виділено тільки в 1824 році. При цьому він все ж містив деякий відсоток інших елементів. Тільки в 20-му столітті вдалося отримати чистий, вільний від різних домішок цирконій. Сплави на його основі успішно використовуються для виготовлення вогнетривів, абразивів, керамічних фарб, наждачного паперу, текстилю, дезодорантів і штучних каменів. Звичайно ж, не можна забути й про високу значимість цього металу в медицині. Дізнаємося про нього більш детально.

Розвиток металургії

Цирконій – це основний компонент сплавів для ядерної енергетики. Але для цього необхідно, щоб він був максимально чистим від різних домішок. Справа в тому, що в цирконієвих рудах присутні не тільки такий рідкоземельний елемент, як гафній, але і азот, вуглець і кисень. А такі домішки неметалів досить небезпечні і можуть входити до складу конструкційних матеріалів для ядерних реакторів у кількості не більше ніж мільйонні частки відсотків. Тому отримання чистого цирконію і сплавів на його основі – це досить довгий і трудомісткий процес. Спочатку роблять розтин концентрату, потім його збагачують, відокремлюють небажані домішки і гафній. Чистий цирконій виглядає як типовий метал. За зовнішнім виглядом він дуже схожий на сталь, але при цьому більш міцний і пластичний. Звичайно ж, в сплавах на його основі його характеристики можуть значно мінятися в залежності від кількості інших елементів. Наприклад, кисень (більше 06 %) зробить цирконій більш крихким. Але є і зворотна сторона медалі: двоокис цього металу (ZrO 2 ) має температуру плавлення 2680 °С.

Основний конструкційний матеріал

Як вже було сказано раніше, найбільш широкого областю, де застосовується цирконій і його сплави, є ядерна промисловість. Їх головною перевагою є те, що в них малий перетин захоплення теплових нейтронів (всього 018 барн), хороші корозійні властивості та висока температура плавлення. Так, ТВЕЛ – це головний конструктивний тепловиділяючий елемент активної зони ядерного реактора, в який поміщають ядерне паливо. Саме в ньому відбувається поділ важких ядер, а значить, ТВЕЛ повинен бути виконаний з максимально міцного і тугоплавкого металу, і він не повинен змінювати характер поглинання нейтронів у реакторі. Так, для виготовлення його оболонки використовують сплави цирконію. Вимоги до них досить жорсткі. Так, легуючі елементи не повинні погіршити його характеристик. Особливо це стосується малого перерізу захоплення теплових нейтронів. Цирконій легують для того, щоб придушити шкідливий вплив азоту і поліпшити його корозійні властивості. Багато елементів періодичної системи Менделєєва не підходять, так як знижують ті чи інші характеристики. Найвідоміший сплав, використовуваний для виготовлення Твелу, - це циркалой. Його основним легуючим елементом є олово, а допоміжними – залізо, хром і нікель. У Росії найчастіше для легування цирконію застосовують ніобій. Він також володіє малим перетином захоплення теплових нейтронів, знижує поглинання водню і утворює тільки тверді розчини. А це, в свою чергу, забезпечує високу пластичність сплавів.

Легування цирконієм

Висока корозійна стійкість цього металу пояснює, чому його так часто використовують як легуючого елемента в чорної і кольорової металургії. Крім того, він не розчиняється в соляній та азотній кислотах і лугах. Так, високою популярністю користуються багатокомпонентні сплави цирконію з магнієм. До того ж легування цим металом підвищує стійкість до дії кислот титану. Сплави цирконію з міддю володіють високою міцністю і електропровідністю. Досить часто він також використовується в якості присадки при виробництві різних марок сталі. Це дозволяє видалити сірку, азот і кисень.

Медична промисловість

Розглядаючи цирконій і його сплави, не можна не згадати і про ще одну сферу їх використання. У медичній промисловості вони займають далеко не останнє місце. Ще зовсім недавно для виготовлення імплантатів і фіксаторів застосовували сталь і титанові сплави. Проте в деяких випадках організм відторгав ці метали, на тлі чого з'являлася алергічна реакція. Сучасна медицина використовує сплави цирконію та титану для виготовлення скоб, пластин, імплантатів, зубних протезів і механізмів їх фіксації. Оскільки цей метал та його сполуки не мають подразнюючої дії на кістки і навколишні м'які тканини, його з успіхом застосовують для виготовлення ювелірних виробів. Так, наприклад, цирконієві сережки не викликають алергічної реакції і загоюють ранку на мочці вуха не гірше, ніж золото.

Електроспоживання

Сплав алюмінію і цирконію володіє багатьма позитивними характеристиками і тому з успіхом використовується в енергетичній промисловості. Справа в тому, що сталеві і мідні дроти важать досить багато, і часто старі опори не витримують такого навантаження. У 1960 році в Японії одна група вчених виготовила серію сплавів алюмінію і цирконію. Вони визначили, що такий матеріал може довго експлуатуватися при високих температурах (150-230 °С) і при цьому він буде досить легким. Це дозволяє використовувати його для виготовлення високотемпературних проводів. Це підвищує надійність і ефективність роботи електричних мереж.

Інші області застосування сполук і сплавів на основі цирконію

У багатьох антиперспірантах в складі можна зустріти такий компонент, як Aluminium Zirconium Tetrachlorohydrex. Це хімічна сполука, яка поглинає піт і його неприємний запах. Вченими було з'ясовано, що він не вбирається в шкіру, а значить, не може завдати сильної шкоди здоров'ю. Незважаючи на це, ЄС і США алюміній-цирконій-тетрахлоргидрексглицин заборонений. Оксид цирконію застосовується для виготовлення електрокорунду. Його отримують при плавці в наклоняющихся електропечах. Цирконієвий електрокорунд виходить досить міцним і дозволяє обробляти матеріали з великим зусиллям притиску. Найчастіше його застосовують при чорновому і обдирочном шліфуванні. В цілому слід зазначити, що цирконій і його сплави мають високу температуру плавлення, стійкість до хімічних впливів, малий коефіцієнт термічного розширення. Саме з цієї причини він активно використовується в найрізноманітніших областях.