Циркониевые сплавы: состав, свойства, применение
Использование циркониевого сплава в настоящее время довольно широко распространено в медицине и атомной энергетике. В других отраслях этот материал также используется, но с меньшей долей. Стоит отметить, что популярность приобрели именно различные сплавы из этого сырья. Сам по себе цирконий не стал популярным материалом, так как его качества намного хуже, чем непосредственно у сплава из этого же металла.
Общие сведения
Цирконий (Zr) - это элемент таблицы Менделеева, атомный номер которого равен 40, а его атомный вес составляет 91,22. При нормальном состоянии и в нормальных условиях, данный материал представляет собой блестящий металл с серебристо-белым оттенком. Плотность такого сырья достигает 6,45 г/см3. Данный металл в чистом виде, не содержащий никаких примесей, отличается тем, что у него очень высокая пластичность, и он очень легко поддается обработке как холодной, так и горячей. Тут стоит отметить, что это сырье, как и титан, к примеру, резко потеряет свои механические свойства, если его соединить с примесями неметаллических веществ. Худшим соединением считается цирконий и кислород.
Свойства материала и сплава
Сам по себе цирконий выделяется тем, что у него довольно высокая устойчивость к различным кислотам. Данное сырье не растворяется в такой среде, как азотная и соляная кислота или щелочи. Эта характеристика является ключевой. На ее основе создается множество циркониевых сплавов. К примеру, если взять многокомпонентные сплавы магния и добавить к ним такой элемент, как цирконий, то материал станет намного устойчивее к воздействию коррозии. Если создать сплав титана и циркония, то повысится устойчивость к кислотам у первого элемента.
Также стоит отметить, что все циркониевые сплавы с другими металлами характеризуются тем, что они не теряют своей вязкости в широком интервале температуры, сопротивление ударным механическим нагрузкам сохраняется на очень высоком уровне. Можно привести пример сплава магния с несколькими процентами цинка и всего с несколькими десятыми процента циркония. Полученный в итоге металл будет практически вдвое прочнее, чем простой магний, а также он сможет сохранять свою прочность при температуре до 200 градусов по Цельсию.
Описание характеристик
Циркониевые сплавы наиболее активно используются в таких областях, как оболочки ТВЭлов, труб топливных каналов, различных деталей ТВС. Сам по себе цирконий характеризуется еще и тем, что сечение поглощения нейтронов довольно низкое. По этому показателю он уступает лишь таким веществам, как магний и бериллий. Кроме этого, температура плавления циркония очень высока.
Циркониевые сплавы, использующиеся в разных отраслях, характеризуются тем, что у них очень высокая коррозионная стойкость в воде, в пароводяной смеси, в насыщенном и перегретом паре до температуры примерно в 350-360 градусов по Цельсию. Также стоит отметить, что в ближайшем будущем ожидается, что этот температурный предел будет повышен до более высоких значений.
Параметры сплава
Свойства циркониевых сплавов в плане механической устойчивости довольно высоки, чего нельзя сказать о чистом цирконии. Именно легированием достигается высокая прочность материала. К примеру, такой сплав, как ниобий (Nb) и 1% циркония (Zr) будет характеризоваться тем, что предел текучести материала при температурах 20, 200, 300 и 400 градусов по Цельсию, будет равен 200, 160, 120 и 90 МПа. Такой сплав активно используется для оболочек твэлов. А, к примеру, если изменить состав циркониевого сплава с ниобием, то есть повысить содержание циркония до 2,5%, то предел текучести вырастет до 280, 220, 200 и 180 МПа, при тех же температурах.
Однако у таких материалов есть и свои недостатки. К минусам стоит отнести то, что сплав с цирконием получается слишком ползучим при достижении температуры в 320-350 градусов по Цельсию и выше. Еще одним недостатком стало то, что Zr активно растворяет водород, который часто возникает в процессе коррозии. Из-за этого будут образовываться такие вещества, как гидриды циркония, сильно снижающие пластичность сырья, что делает металл более хрупким.
Цирконий в медицине
Циркониевые сплавы в медицине используются довольно активно. Ученые путем экспериментов выяснили, что даже ношение простых циркониевых браслетов может помочь в лечении некоторых болезней, а также это может повысить общий уровень самочувствия человека.
На сегодняшний день довольно часто используются импланты (фиксаторы) в таких областях медицины, как травматология и челюстно-лицевая хирургия. Фиксаторы применяют при переломах, фиксируя кости так, чтобы они не двигались. Именно в этих случаях можно выделить такие преимущества использования циркониевых сплавов, как: высокая биологическая совместимость (имеется в виду отсутствие аллергических реакций организма человека на такой сплав или отторжение), высокие прочностные характеристики сплава, что очень важно для фиксаторов. Также стоит отметить, что отсутствие отторжения или аллергии на такое вещество привело к тому, что отпала необходимость в повторном проведении хирургической операции по извлечению фиксатора, если вдруг организм начинал отторгать имплант.
Цирконий в атомной энергетике
До 50-х годов прошлого столетия считалось, что цирконий не пригоден для использования в этой сфере. Однако именно в 50-х гг. был впервые получен материал, который полностью очищен от такой примеси, как гафний. После очистки оказалось, что чистый цирконий обладает очень малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов. Именно это качество стало основным и дало возможность использовать циркониевые сплавы в атомной энергетике.
Стоит добавить, что использовать просто очищенный цирконий не получалось из-за того, что стойкость к коррозии была слишком низкой в горячей воде. После этого было принято решение об использовании именно сплавов на основе циркония. Они отлично зарекомендовали себя при применении в реакторах с пароводяным теплоносителем, а также в других подобных агрессивных средах.
Общее применение сплавов
Очень широко используется цирконий в качестве легирующего элемента. Это обусловлено тем, что металлы, к которым добавляют это вещество, становятся более жаропрочными, кислотоупорными и т.д. То есть сплав металла и циркония сильно превышает по своим характеристикам начальное сырье.
Довольно широко используется ферроцирконий. Это сплав циркония с железом. Содержание легирующего элемента Zr достигает 20% от общей массы. Используется такое вещество в металлургии в качестве раскислителя и дегазатора для стали. Алюминиево-циркониевые сплавы, к примеру, считаются наиболее устойчивыми к коррозии и применяются в катодных сетках для электровакуумных ламп. Содержание Zr в таком сплаве не более 3% от общей массы.
В черной металлургии, кроме ферроциркония, часто используется сплав Zr и кремния. Применяют его для дегазации стали. Широко используется сплав меди и циркония для изготовления токопроводящих элементов для электротехнической аппаратуры.
Нахождение циркония
Стоит отметить, что цирконий - это довольно слабо распространенный элемент. Содержание этого вещества в земной коре не превышает 0,025% по массе. В таблице распространенности металлов цирконий занимает двенадцатую строчку. Это сырье довольно сильно распылено, а потому найти его хоть сколько-нибудь крупные залежи очень трудно. Чаще всего он встречается в качестве химического соединения, расположенного в литосфере, так как сам по себе цирконий - это литофильный элемент.