Aliaje de zirconiu: compoziție, proprietăți, aplicare

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Utilizarea aliajului de zirconiu este în prezent destul de răspândită în medicină și energia nucleară. În alte industrii se folosește și acest material, dar într-o măsură mai mică. Este de remarcat faptul că diferite aliaje din această materie primă au câștigat popularitate. În sine, zirconiul nu a devenit un material popular, deoarece calitatea sa este mult mai proastă decât cea a unui aliaj din același metal.

Informații generale

Zirconiul (Zr) este un element al tabelului periodic al cărui număr atomic este 40 și greutatea sa atomică este 91,22. În condiții normale și în condiții normale, acest material este un metal strălucitor cu o tentă alb-argintiu. Densitatea acestor materii prime ajunge la 6,45 g/cm3. Acest metal în forma sa pură, care nu conține impurități, se remarcă prin faptul că are o ductilitate foarte mare și este foarte ușor de prelucrat atât la rece, cât și la cald. Este demn de remarcat aici că această materie primă, cum ar fi titanul, de exemplu, își va pierde brusc proprietățile mecanice dacă este combinată cu impurități de substanțe nemetalice. Zirconiul și oxigenul sunt considerați cei mai răi compuși.

Proprietățile materialelor șialiaj

Zirconiul în sine se remarcă prin faptul că are o rezistență destul de mare la diverși acizi. Această materie primă nu se dizolvă într-un mediu precum acidul azotic și clorhidric sau alcalii. Această caracteristică este cheia. Pe baza sa, sunt create multe aliaje de zirconiu. De exemplu, dacă luați aliaje de magneziu multicomponente și adăugați acestora un element precum zirconiu, materialul va deveni mult mai rezistent la coroziune. Dacă creați un aliaj de titan și zirconiu, atunci rezistența la acid a primului element va crește.

De asemenea, este de remarcat faptul că toate aliajele de zirconiu cu alte metale se caracterizează prin faptul că nu își pierd duritatea într-un interval larg de temperatură, rezistența la șoc mecanic rămâne la un nivel foarte ridicat. Un exemplu este un aliaj de magneziu cu câteva procente de zinc și doar câteva zecimi de zirconiu la sută. Metalul rezultat va fi aproape de două ori mai puternic decât magneziul și, de asemenea, își va putea menține rezistența la temperaturi de până la 200 de grade Celsius.

Descrierea caracteristicilor

Aliajele de zirconiu sunt utilizate cel mai activ în domenii precum placarea elementelor de combustibil, țevile canalelor de combustibil și diverse părți ale ansamblurilor de combustibil. Zirconiul în sine se caracterizează și prin faptul că secțiunea transversală de absorbție a neutronilor este destul de scăzută. Potrivit acestui indicator, este al doilea după substanțe precum magneziu și beriliu. În plus, punctul de topire al zirconiului este foarte ridicat.

Aliajele de zirconiu folosite in diverse industrii se caracterizeaza prin faptul ca au rezistenta foarte mare la coroziune in apa, in amestec abur-apa, in abur saturat si supraincalzit pana la o temperatura de aproximativ 350-360 de grade Celsius. De asemenea, este de remarcat faptul că această limită de temperatură este de așteptat să fie ridicată la valori mai mari în viitorul apropiat.

Parametrii aliajului

Proprietățile aliajelor de zirconiu în ceea ce privește stabilitatea mecanică sunt destul de ridicate, ceea ce nu se poate spune despre zirconiu pur. Prin aliere se obține rezistența ridicată a materialului. De exemplu, un aliaj precum niobiul (Nb) și 1% zirconiu (Zr) va fi caracterizat prin faptul că limita de curgere a materialului la temperaturi de 20, 200, 300 și 400 de grade Celsius va fi de 200, 160, 120. și 90 MPa. Acest aliaj este utilizat în mod activ pentru placarea barelor de combustibil. Și, de exemplu, dacă modificați compoziția aliajului de zirconiu cu niobiu, adică creșteți conținutul de zirconiu la 2,5%, atunci limita de curgere va crește la 280, 220, 200 și 180 MPa, la aceleași temperaturi.

Cu toate acestea, astfel de materiale au dezavantajele lor. Dezavantajele includ faptul că aliajul cu zirconiu se dovedește a fi prea înfiorător atunci când temperatura ajunge la 320-350 de grade Celsius și peste. Un alt dezavantaj este că Zr dizolvă activ hidrogenul, care apare adesea în timpul coroziunii. Din această cauză, se vor forma substanțe precum hidruri de zirconiu, care reduc foarte mult ductilitatea materiei prime, ceea ce face metalul mai fragil.

Zirconiul în medicină

Aliajele de zirconiu sunt folosite destul de activ în medicină. Prin experimente, oamenii de știință au descoperit că chiar și purtarea unor brățări simple de zirconiu poate ajuta la tratarea anumitor boli și, de asemenea, poate crește bunăstarea generală a unei persoane.

Astăzi, implanturile (de reținere) sunt adesea folosite în domenii precum traumatologie și chirurgie maxilo-facială. Fixatorii sunt folosiți pentru fracturi, fixând oasele astfel încât să nu se miște. În aceste cazuri se pot distinge astfel de avantaje ale utilizării aliajelor de zirconiu ca: compatibilitate biologică ridicată (adică absența reacțiilor alergice ale corpului uman la un astfel de aliaj sau respingere), caracteristicile de rezistență ridicată ale aliajului, ceea ce este foarte important. pentru fixatori. De asemenea, este de remarcat faptul că absența respingerii sau a alergiei la o astfel de substanță a dus la faptul că nu era nevoie de repetarea operației chirurgicale de îndepărtare a retenerului dacă organismul începea brusc să respingă implantul.

Zirconiul în industria nucleară

Până în anii 50 ai secolului trecut, se credea că zirconiul nu este potrivit pentru utilizare în acest domeniu. Cu toate acestea, a fost în anii 50. Pentru prima dată, a fost obținut un material care a fost complet purificat dintr-o astfel de impuritate precum hafniul. După purificare, sa dovedit că zirconiul pur are o secțiune transversală foarte mică de absorbție a neutronilor termici. Această calitate a devenit principala și a făcut posibilă utilizarea aliajelor de zirconiu în industria nucleară.

Ar trebui adăugat că zirconiul pur și simplu purificat nu a putut fi folosit deoarece rezistența la coroziune era prea scăzută în apă fierbinte. După aceea, s-a decis să se utilizeze aliaje pe bază de zirconiu. Și-au dovedit valoarea în reactoare răcite cu abur și în medii corozive similare.

Aplicații generale ale aliajelor

Zirconiul este utilizat pe scară largă ca element de aliere. Acest lucru se datorează faptului că metalele la care se adaugă această substanță devin mai rezistente la căldură, la acizi etc. Adică, aliajul de metal și zirconiu depășește cu mult materia primă inițială în caracteristicile sale.

Ferrozirconiul este folosit pe scară largă. Este un aliaj de zirconiu și fier. Conținutul elementului de aliere Zr atinge 20% din masa totală. O astfel de substanță este folosită în metalurgie ca dezoxidant și degazant pentru oțel. Aliajele de aluminiu-zirconiu, de exemplu, sunt considerate cele mai rezistente la coroziune și sunt folosite în grilele catodice pentru tuburile vidate. Conținutul de Zr într-un astfel de aliaj nu este mai mare de 3% din masa totală.

În metalurgia feroasă, pe lângă ferozirconiu, este adesea folosit un aliaj de Zr și siliciu. Este folosit pentru degazarea oțelului. Un aliaj de cupru și zirconiu este utilizat pe scară largă pentru fabricarea elementelor conductoare pentru echipamente electrice.

Găsirea zirconiului

Este de remarcat faptul că zirconiul este un element destul de rar. Conținutul acestei substanțe în scoarța terestră nu depășește0,025% în greutate. Zirconiul ocupă a douăsprezecea linie în tabelul de prevalență a metalelor. Această materie primă este destul de dispersată și, prin urmare, este foarte dificil să găsești depozite mari ale acesteia. Se găsește cel mai frecvent ca un compus chimic situat în litosferă, deoarece zirconiul în sine este un element litofil.