Legura cirkonija: sastav, svojstva, primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Upotreba legure cirkonija trenutno je prilično raširena 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, cirkonij nije postao popularan materijal, jer je njegova kvaliteta mnogo lošija od legure istog metala.

Opće informacije

Cirkonij (Zr) je element periodnog sustava čiji je atomski broj 40 i njegova atomska težina 91,22. U normalnim uvjetima i pod normalnim uvjetima, ovaj materijal je sjajan metal srebrnobijele boje. Gustoća takvih sirovina doseže 6,45 g/cm3. Ovaj metal u svom čistom obliku, koji ne sadrži nikakve nečistoće, razlikuje se po tome što ima vrlo visoku duktilnost i vrlo ga je lako obraditi i hladno i vruće. Ovdje je vrijedno napomenuti da će ova sirovina, poput titana, na primjer, naglo izgubiti svoja mehanička svojstva ako se kombinira s nečistoćama nemetalnih tvari. Cirkonij i kisik smatraju se najgorim spojevima.

Svojstva materijala ilegura

Sam cirkonij se odlikuje činjenicom da ima prilično visoku otpornost na razne kiseline. Ova sirovina se ne otapa u okolini kao što su dušična i klorovodična kiselina ili lužine. Ova značajka je ključna. Na njegovoj osnovi nastaju mnoge legure cirkonija. Na primjer, ako uzmete višekomponentne magnezijeve legure i dodate im element poput cirkonija, materijal će postati mnogo otporniji na koroziju. Ako stvorite leguru titana i cirkonija, tada će se otpornost na kiselinu prvog elementa povećati.

Vrijedi napomenuti da sve legure cirkonija s drugim metalima karakterizira činjenica da ne gube svoju žilavost u širokom temperaturnom rasponu, otpornost na mehanički udar ostaje na vrlo visokoj razini. Primjer je legura magnezija s nekoliko postotaka cinka i samo nekoliko desetinki postotka cirkonija. Dobiveni metal bit će gotovo dvostruko jači od magnezija, a moći će održati i svoju čvrstoću na temperaturama do 200 stupnjeva Celzija.

Opis značajki

Cirkonijeve legure se najaktivnije koriste u područjima kao što su obloge gorivnih elemenata, cijevi kanala za gorivo i razni dijelovi gorivih sklopova. Sam cirkonij također karakterizira činjenica da je presjek apsorpcije neutrona prilično nizak. Prema ovom pokazatelju, drugi je nakon tvari kao što su magnezij i berilij. Osim toga, točka taljenja cirkonija je vrlo visoka.

Cirkonijeve legure koje se koriste u raznim industrijama odlikuju se činjenicom da imaju vrlo visoku otpornost na koroziju u vodi, u mješavini pare i vode, u zasićenoj i pregrijanoj pari do temperature od oko 350-360 stupnjeva Celzija. Također je vrijedno napomenuti da se očekuje da će ovo temperaturno ograničenje biti podignuto na više vrijednosti u bliskoj budućnosti.

Parametri legure

Svojstva cirkonijevih legura u smislu mehaničke stabilnosti su prilično visoka, što se ne može reći za čisti cirkonij. Upravo se legiranjem postiže visoka čvrstoća materijala. Na primjer, legura poput niobija (Nb) i 1% cirkonija (Zr) bit će karakterizirana činjenicom da će granica popuštanja materijala na temperaturama od 20, 200, 300 i 400 stupnjeva Celzija biti 200, 160, 120 i 90 MPa. Ova se legura aktivno koristi za oblaganje gorivih šipki. I, na primjer, ako promijenite sastav legure cirkonija s 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 s cirkonijem ispostavlja previše jezivom kada temperatura dosegne 320-350 stupnjeva Celzija i više. Drugi nedostatak je što Zr aktivno otapa vodik, što se često događa tijekom korozije. Zbog toga će nastati tvari poput cirkonijevih hidrida, koji uvelike smanjuju duktilnost sirovine, što metal čini krhkim.

Cirkonij u medicini

Legura cirkonija se vrlo aktivno koristi u medicini. Znanstvenici su eksperimentima otkrili da čak i nošenje jednostavnih narukvica od cirkonija može pomoći u liječenju određenih bolesti, a također može poboljšati opću dobrobit osobe.

Danas se implantati (retaineri) često koriste u područjima medicine kao što su traumatologija i maksilofacijalna kirurgija. Za prijelome se koriste fiksatori koji učvršćuju kosti tako da se ne pomiču. Upravo u tim slučajevima mogu se razlikovati takve prednosti korištenja cirkonijevih legura kao što su: visoka biološka kompatibilnost (što znači odsutnost 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 odsutnost odbacivanja ili alergije na takvu tvar dovela do činjenice da nije bilo potrebe za ponavljanjem kirurške operacije uklanjanja retainera ako tijelo iznenada počne odbijati implantat..

Cirkonij u industriji nuklearne energije

Do 50-ih godina prošlog stoljeća vjerovalo se da cirkonij nije prikladan za korištenje 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 cirkonij ima vrlo mali presjek apsorpcije toplinskih neutrona. Upravo je ta kvaliteta postala glavna i omogućila korištenje legura cirkonija u industriji nuklearne energije.

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

Opće primjene legura

Cirkonij 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 cirkonija po svojim karakteristikama uvelike premašuje početnu sirovinu.

Ferrozirkonij se dosta koristi. To je legura cirkonija i željeza. Sadržaj legirajućeg elementa Zr doseže 20% ukupne mase. Takva se tvar koristi u metalurgiji kao deoksidator i degasser 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, osim ferozirkonija, često se koristi i legura Zr i silicija. Koristi se za otplinjavanje čelika. Legura bakra i cirkonija naširoko se koristi za proizvodnju vodljivih elemenata za električnu opremu.

Pronalaženje cirkonija

Vrijedi napomenuti da je cirkonij prilično rijedak element. Sadržaj ove tvari u zemljinoj kori ne prelazi0,025% težinski. Cirkonij zauzima dvanaesti redak u tablici prevalencije metala. Ova sirovina je prilično raspršena, te je stoga vrlo teško pronaći bilo kakve njezine velike naslage. Najčešće se nalazi kao kemijski spoj koji se nalazi u litosferi, budući da je sam cirkonij litofilni element.