Cirkonij: zlitine na njegovi osnovi. Lastnosti, uporaba

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Redka, a hkrati zelo pomembna v številnih panogah kovina - cirkonij - je bila prvič izolirana šele leta 1824. Vendar pa je še vedno vseboval določen odstotek drugih elementov. Šele v 20. stoletju je bilo mogoče dobiti čisti cirkonij, brez različnih nečistoč. Zlitine na njegovi osnovi se uspešno uporabljajo za izdelavo ognjevzdržnih materialov, abrazivov, keramičnih barv, brusnega papirja, tekstila, dezodorantov in umetnih kamnov. Seveda ne smemo pozabiti na velik pomen te kovine v medicini. Izvedite več o njem.

Razvoj metalurgije

Cirkonij je glavna sestavina zlitin za jedrsko energetiko. Toda za to je potrebno, da je čim bolj čist od različnih nečistoč. Dejstvo je, da v cirkonijevih rudah ni le tako redki zemeljski element, kot je hafnij, ampak tudi dušik, ogljik in kisik. In takšne nekovinske nečistoče so precej nevarne in jih je mogoče vključiti v sestavo konstrukcijskih materialov za jedrske reaktorje v količini, ki ne presega milijonink odstotka. Zato pridobivanje čistega cirkonija in zlitin nanjegova osnova je precej dolg in naporen proces. Najprej odpremo koncentrat, nato ga obogatimo, ločimo nezaželene nečistoče in hafnij.

Čisti cirkonij izgleda kot tipična kovina. Po videzu je zelo podoben jeklu, a hkrati bolj trpežen in duktilen. Seveda se v zlitinah na njegovi osnovi lahko njegove lastnosti močno razlikujejo glede na količino drugih elementov. Na primer, kisik (več kot 0,6%) bo naredil cirkonij bolj krhek. Obstaja pa tudi slaba stran: dioksid te kovine (ZrO_{2) ima tališče 2680 °C.}

Glavni gradbeni material

Kot že omenjeno, je najširše področje uporabe cirkonija in njegovih zlitin jedrska industrija. Njihova glavna prednost je, da imajo majhen prerez zajetja toplotnih nevtronov (le 0,18 barn), dobre korozijske lastnosti in visoko tališče. Torej je TVEL glavni konstruktivni goriv element aktivne cone jedrskega reaktorja, v katerega je nameščeno jedrsko gorivo. Prav v njem pride do cepitve težkih jeder, kar pomeni, da mora biti gorivni element izdelan iz najbolj trpežne in ognjevzdržne kovine in ne sme spremeniti značaja absorpcije nevtronov v reaktorju.

Za izdelavo njegove lupine se torej uporabljajo cirkonijeve zlitine. Zahteve zanje so precej stroge. Torej legirni elementi ne smejo poslabšati njegovih lastnosti. Zlasti to zadeva majhen presek za zajemanje toplotnih nevtronov. Cirkonij je legiran, da bizavirajo škodljive učinke dušika in izboljšajo njegove korozijske lastnosti. Številni elementi periodnega sistema Mendelejeva niso primerni, saj zmanjšujejo določene značilnosti.

Najbolj znana zlitina, ki se uporablja za izdelavo gorivnih palic, je cirkaloj. Njegov glavni legirni element je kositer, pomožni elementi pa železo, krom in nikelj. V Rusiji se niobij najpogosteje uporablja za legiranje cirkonija. Ima tudi nizek presek zajetja toplotnih nevtronov, zmanjšuje privzem vodika in tvori samo trdne raztopine. To pa zagotavlja zlitine z visoko duktilnostjo.

Zlitina cirkonija

Visoka odpornost te kovine proti koroziji pojasnjuje, zakaj se tako pogosto uporablja kot legirni element v črni in barvni metalurgiji. Poleg tega je netopen v klorovodikovi in dušikovi kislini ter alkalijah. Tako so zelo priljubljene večkomponentne zlitine cirkonija z magnezijem. Poleg tega legiranje s to kovino poveča kislinsko odpornost titana. Zlitine cirkonija z bakrom imajo visoko trdnost in električno prevodnost. Pogosto se uporablja tudi kot dodatek pri proizvodnji različnih vrst jekla. To vam omogoča, da iz njih odstranite žveplo, dušik in kisik.

Medicinska industrija

Glede na cirkonij in njegove zlitine ne moremo omeniti še enega področja njihove uporabe. V medicinski industriji zasedajo daleč od zadnjega mesta. V zadnjem času jeklo intitanove zlitine. Vendar pa je telo v nekaterih primerih zavrnilo te kovine, na katere se je pojavila alergijska reakcija. Sodobna medicina uporablja cirkonijeve in titanove zlitine za izdelavo sponk, ploščic, vsadkov, protez in njihovih mehanizmov za pritrditev.

Ker ta kovina in njene spojine ne dražijo kosti in okoliških mehkih tkiv, jo uspešno uporabljajo pri izdelavi nakita. Na primer, cirkonijevi uhani ne povzročajo alergijske reakcije in zacelijo rano na ušesnem mečku nič slabše od zlata.

Poraba energije

Zlitina aluminija in cirkonija ima številne pozitivne lastnosti in se zato uspešno uporablja v energetski industriji. Dejstvo je, da jeklene in bakrene žice tehtajo precej in pogosto stari nosilci ne prenesejo takšne obremenitve. Leta 1960 je na Japonskem skupina znanstvenikov izdelala vrsto zlitin aluminija in cirkonija. Ugotovili so, da se tak material lahko uporablja dolgo časa pri visokih temperaturah (150-230 ° C), hkrati pa bo precej lahek. To omogoča, da se uporablja za izdelavo visokotemperaturnih žic. To povečuje zanesljivost in učinkovitost električnih omrežij.

Druge aplikacije za cirkonijeve spojine in zlitine

V mnogih antiperspirantih lahko najdete takšno komponento, kot je aluminijev cirkonijev tetraklorohidroksid. Je kemična spojina, ki absorbira znoj in njegov vonj. Znanstveniki so ugotovili, da niabsorbira v kožo, zato ne more povzročiti resne škode zdravju. Kljub temu je aluminij-cirkonij-tetraklorohidreksglicin prepovedan v EU in ZDA.

Cirkonijev oksid se uporablja za izdelavo elektrokorunda. Pridobiva se s taljenjem v nagibnih električnih pečeh. Cirkonijev elektrokorund se izkaže za precej močnega in omogoča obdelavo materialov z veliko vpenjalno silo. Najpogosteje se uporablja za grobo in grobo brušenje.

Na splošno je treba opozoriti, da imajo cirkonij in njegove zlitine visoko tališče, kemično odpornost in nizek koeficient toplotnega raztezanja. Prav zaradi tega se aktivno uporablja na najrazličnejših področjih.