Цирконий: сплавы на его основе, свойства и применение

Редкий, но при этом очень важный во многих отраслях металл – цирконий - был впервые выделен только в 1824 году. При этом он все же содержал некоторый процент других элементов. Только в 20-м столетии удалось получить чистый, свободный от различных примесей цирконий. Сплавы на его основе успешно используются для изготовления огнеупоров, абразивов, керамических красок, наждачной бумаги, текстиля, дезодорантов и искусственных камней. Конечно же, нельзя забыть и о высокой значимости этого металла в медицине. Узнаем о нем более детально.

Развитие металлургии

Цирконий – это основной компонент сплавов для ядерной энергетики. Но для этого необходимо, чтобы он был максимально чист от различных примесей. Дело в том, что в циркониевых рудах присутствует не только такой редкоземельный элемент, как гафний, но и азот, углерод и кислород. А такие примеси неметаллов достаточно опасны и могут входить в состав конструкционных материалов для ядерных реакторов в количестве не более чем миллионные доли процентов. Поэтому получение чистого циркония и сплавов на его основе – это достаточно долгий и трудоёмкий процесс. Сначала производят вскрытие концентрата, затем его обогащают, отделяют нежелательные примеси и гафний.

Чистый цирконий выглядит как типичный металл. По внешнему виду он очень похож на сталь, но при этом более прочный и пластичный. Конечно же, в сплавах на его основе его характеристики могут значительно меняться в зависимости от количества других элементов. Например, кислород (больше 0,6 %) сделает цирконий более хрупким. Но есть и обратная сторона медали: двуокись этого металла (ZrO₂) имеет температуру плавления 2680 °С.

Основной конструкционный материал

Как уже было сказано ранее, самой широкою областью, где применяется цирконий и его сплавы, является ядерная промышленность. Их главным преимуществом является то, что у них малое сечение захвата тепловых нейтронов (всего 0,18 барн), хорошие коррозионные свойства и высокая температура плавления. Так, ТВЭЛ – это главный конструктивный тепловыделяющий элемент активной зоны ядерного реактора, в который помещают ядерное топливо. Именно в нем происходит деление тяжелых ядер, а значит, ТВЭЛ должен быть выполнен из максимально прочного и тугоплавкого металла, и он не должен изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Так, для изготовления его оболочки используют сплавы циркония. Требования к ним достаточно жесткие. Так, легирующие элементы не должны ухудшить его характеристик. В особенности это касается малого сечения захвата тепловых нейтронов. Цирконий легируют для того, чтобы подавить вредное влияние азота и улучшить его коррозионные свойства. Многие элементы периодической системы Менделеева не подходят, так как снижают те или иные характеристики.

Самый известный сплав, используемый для изготовления ТВЭЛа, - это циркалой. Его основным легирующим элементом является олово, а вспомогательными – железо, хром и никель. В России чаще всего для легирования циркония применяют ниобий. Он также обладает малым сечением захвата тепловых нейтронов, снижает поглощение водорода и образует только твердые растворы. А это, в свою очередь, обеспечивает сплавам высокую пластичность.

Легирование цирконием

Высокая коррозионная стойкость этого металла объясняет, почему его так часто используют в качестве легирующего элемента в черной и цветной металлургии. Кроме того, он нерастворим в соляной и азотной кислотах и щелочах. Так, высокой популярностью пользуются многокомпонентные сплавы циркония с магнием. К тому же легирование этим металлом повышает стойкость к действию кислот титана. Сплавы циркония с медью обладают высокой прочностью и электропроводностью. Достаточно часто он также используется в качестве присадки при производстве различных марок стали. Это позволяет удалить из них серу, азот и кислород.

Медицинская промышленность

Рассматривая цирконий и его сплавы, нельзя не упомянуть и о еще одной сфере их использования. В медицинской промышленности они занимают далеко не последнее место. Еще совсем недавно для изготовления имплантатов и фиксаторов применяли сталь и титановые сплавы. Однако в некоторых случаях организм отторгал эти металлы, на фоне чего появлялась аллергическая реакция. Современная медицина использует сплавы циркония и титана для изготовления скоб, пластин, имплантатов, зубных протезов и механизмов их фиксации.

Поскольку этот металл и его соединения не оказывают раздражающего действия на кости и окружающие мягкие ткани, его с успехом применяют для изготовления ювелирных изделий. Так, например, циркониевые сережки не вызывают аллергической реакции и заживляют ранку на мочке уха не хуже, чем золото.

Электропотребление

Сплав алюминия и циркония обладает многими положительными характеристиками и поэтому с успехом используется в энергетической промышленности. Дело в том, что стальные и медные провода весят достаточно много, и часто старые опоры не выдерживают такой нагрузки. В 1960 году в Японии одна группа ученых изготовила серию сплавов алюминия и циркония. Они определили, что такой материал может длительно эксплуатироваться при высоких температурах (150-230 °С) и при этом он будет достаточно легким. Это позволяет использовать его для изготовления высокотемпературных проводов. Это повышает надежность и эффективность работы электрических сетей.

Другие области применения соединений и сплавов на основе циркония

В многих антиперспирантах в составе можно встретить такой компонент, как Aluminium Zirconium Tetrachlorohydrex. Это химическое соединение, которое поглощает пот и его неприятный запах. Учеными было выяснено, что он не впитывается в кожу, а значит, не может принести сильного вреда здоровью. Несмотря на это, в ЕС и США алюминий-цирконий-тетрахлоргидрексглицин запрещен.

Оксид циркония применяется для изготовления электрокорунда. Его получают при плавке в наклоняющихся электропечах. Циркониевый электрокорунд получается достаточно прочным и позволяет обрабатывать материалы с большим усилием прижима. Чаще всего его применяют при черновом и обдирочном шлифовании.

В целом следует отметить, что цирконий и его сплавы имеют высокую температуру плавления, стойкость к химическим воздействиям, малый коэффициент термического расширения. Именно по этой причине он активно используется в самых разнообразных областях.