Legura cirkonijuma: sastav, svojstva, primena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Upotreba legure cirkonijuma je trenutno prilično rasprostranjena u medicini i nuklearnoj energiji. U drugim industrijama ovaj materijal se također koristi, ali u manjoj mjeri. Vrijedi napomenuti da su razne legure iz ove sirovine stekle popularnost. Sam po sebi, cirkonijum nije postao popularan materijal, jer je njegov kvalitet mnogo lošiji od legure istog metala.

Opće informacije

Cirkonijum (Zr) je element periodnog sistema čiji je atomski broj 40 i njegova atomska težina 91,22. U normalnim uslovima i pod normalnim uslovima, ovaj materijal je sjajan metal srebrnobele nijanse. Gustina takvih sirovina dostiže 6,45 g/cm3. Ovaj metal u svom čistom obliku, koji ne sadrži nikakve nečistoće, odlikuje se činjenicom da ima vrlo visoku duktilnost, te se vrlo lako obrađuje i hladno i toplo. Ovdje je vrijedno napomenuti da će ova sirovina, poput titana, na primjer, naglo izgubiti svoja mehanička svojstva ako se kombinira s nečistoćama nemetalnih tvari. Cirkonijum i kiseonik se smatraju najgorim jedinjenjima.

Svojstva materijala ilegura

Sam cirkonijum se odlikuje činjenicom da ima prilično visoku otpornost na razne kiseline. Ova sirovina se ne otapa u okolini kao što su azotna i hlorovodonična kiselina ili alkalije. Ova karakteristika je ključna. Na njegovoj osnovi nastaju mnoge legure cirkonija. Na primjer, ako uzmete višekomponentne legure magnezija i dodate im element kao što je cirkonij, materijal će postati mnogo otporniji na koroziju. Ako napravite leguru titanijuma i cirkonijuma, tada će se otpornost na kiselinu prvog elementa povećati.

Vrijedi napomenuti da se sve legure cirkonija sa drugim metalima odlikuju činjenicom da ne gube svoju žilavost u širokom temperaturnom rasponu, otpornost na mehanički udar ostaje na vrlo visokom nivou. Primer je legura magnezijuma sa nekoliko procenata cinka i samo nekoliko desetina procenta cirkonija. Dobijeni metal će biti skoro duplo jači od magnezijuma, a moći će da održi svoju snagu na temperaturama do 200 stepeni Celzijusa.

Opis karakteristika

Legura cirkonijuma se najaktivnije koristi u oblastima kao što su obloge gorivnih elemenata, cevi kanala za gorivo i različiti delovi gorivnih sklopova. Sam cirkonijum takođe karakteriše činjenica da je presjek apsorpcije neutrona prilično nizak. Prema ovom pokazatelju, drugi je nakon supstanci kao što su magnezij i berilijum. Osim toga, tačka topljenja cirkonijuma je veoma visoka.

Legure cirkonijuma koje se koriste u raznim industrijama odlikuju se činjenicom da imaju veoma visoku otpornost na koroziju u vodi, u mešavini pare i vode, u zasićenoj i pregrejanoj pari do temperature od oko 350-360 stepeni Celzijusa. Također je vrijedno napomenuti da se očekuje da će ova temperaturna granica biti podignuta na više vrijednosti u bliskoj budućnosti.

Parametri legure

Svojstva legura cirkonijuma u pogledu mehaničke stabilnosti su prilično visoka, što se ne može reći za čisti cirkonijum. Upravo legiranjem postiže se visoka čvrstoća materijala. Na primjer, legura kao što je niobij (Nb) i 1% cirkonijum (Zr) će se odlikovati činjenicom da će granica popuštanja materijala na temperaturama od 20, 200, 300 i 400 stepeni Celzijusa biti 200, 160, 120 i 90 MPa. Ova se legura aktivno koristi za oblaganje gorivih šipki. I, na primjer, ako promijenite sastav legure cirkonija sa niobijem, odnosno povećate sadržaj cirkonija na 2,5%, tada će se granica popuštanja povećati na 280, 220, 200 i 180 MPa, na istim temperaturama.

Međutim, takvi materijali imaju svoje nedostatke. Nedostaci uključuju činjenicu da se legura sa cirkonijumom ispostavlja previše jezivom kada temperatura dostigne 320-350 stepeni Celzijusa i više. Još jedan nedostatak je što Zr aktivno otapa vodonik, što se često javlja tokom korozije. Zbog toga će se formirati supstance kao što su cirkonijum hidridi, koji u velikoj meri smanjuju duktilnost sirovine, što metal čini krhkim.

Cirkonijum u medicini

Legura cirkonijuma se prilično aktivno koristi u medicini. Naučnici su kroz eksperimente otkrili da čak i nošenje jednostavnih cirkonijumskih narukvica može pomoći u liječenju određenih bolesti, a također može poboljšati cjelokupno blagostanje osobe.

Danas se implantati (retaineri) često koriste u oblastima medicine kao što su traumatologija i maksilofacijalna hirurgija. Fiksatori se koriste kod prijeloma, fiksirajući kosti tako da se ne pomiču. Upravo u tim slučajevima mogu se razlikovati takve prednosti upotrebe legura cirkonija kao što su: visoka biološka kompatibilnost (što znači odsustvo alergijskih reakcija ljudskog tijela na takvu leguru ili odbacivanje), visoke karakteristike čvrstoće legure, što je vrlo važno za fiksatore. Također je vrijedno napomenuti da je odsustvo odbacivanja ili alergije na takvu supstancu dovelo do činjenice da nije bilo potrebe za ponavljanjem hirurške operacije uklanjanja retainera ako bi tijelo iznenada počelo odbacivati implantat..

Cirkonijum u industriji nuklearne energije

Sve do 50-ih godina prošlog veka verovalo se da cirkonijum nije pogodan za upotrebu na ovim prostorima. Međutim, bilo je to 50-ih godina. Po prvi put je dobiven materijal koji je potpuno pročišćen od takve nečistoće kao što je hafnij. Nakon pročišćavanja, pokazalo se da čisti cirkonijum ima vrlo mali presjek apsorpcije termičkih neutrona. Upravo je ta kvaliteta postala glavna i omogućila korištenje legura cirkonija u industriji nuklearne energije.

Treba dodati da se jednostavno pročišćeni cirkonijum nije mogao koristiti jer je otpornost na koroziju bila preniska u vrućoj vodi. Nakon toga je odlučeno da se koriste legure na bazi cirkonija. Oni su dokazali svoju vrijednost u reaktorima hlađenim parom i sličnim korozivnim okruženjima.

Opća primjena legura

Cirkonijum se široko koristi kao legirajući element. To je zbog činjenice da metali kojima se ova tvar dodaje postaju otporniji na toplinu, kiselinu itd. Odnosno, legura metala i cirkonijuma uveliko prevazilazi početnu sirovinu po svojim karakteristikama.

Ferozirkonijum je prilično široko rasprostranjen. To je legura cirkonijuma i gvožđa. Sadržaj legirajućeg elementa Zr dostiže 20% ukupne mase. Takva se tvar koristi u metalurgiji kao deoksidator i degasator za čelik. Na primjer, legure aluminija i cirkonija smatraju se najotpornijim na koroziju i koriste se u katodnim rešetkama za vakuumske cijevi. Sadržaj Zr u takvoj leguri nije veći od 3% ukupne mase.

U crnoj metalurgiji, pored ferozirkonija, često se koristi legura Zr i silicijuma. Koristi se za otplinjavanje čelika. Legura bakra i cirkonijuma se široko koristi za proizvodnju provodnih elemenata za električnu opremu.

Pronalaženje cirkonija

Vrijedi napomenuti da je cirkonij prilično rijedak element. Sadržaj ove supstance u zemljinoj kori ne prelazi0,025% po težini. Cirkonijum zauzima dvanaesti red u tabeli rasprostranjenosti metala. Ova sirovina je prilično raspršena i stoga je vrlo teško pronaći bilo koje veće naslage iste. Najčešće se nalazi kao hemijsko jedinjenje koje se nalazi u litosferi, pošto je sam cirkonijum litofilni element.