Stopy cyrkonu: skład, właściwości, zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Zastosowanie stopu cyrkonu jest obecnie dość szeroko rozpowszechnione w medycynie i energetyce jądrowej. W innych branżach również ten materiał jest wykorzystywany, ale w mniejszym stopniu. Warto zauważyć, że popularność zyskały różne stopy z tego surowca. Cyrkon sam w sobie nie stał się popularnym materiałem, ponieważ jego jakość jest znacznie gorsza niż stopu tego samego metalu.

Informacje ogólne

Cyrkon (Zr) jest elementem układu okresowego pierwiastków, którego liczba atomowa wynosi 40, a masa atomowa 91,22. W normalnych warunkach iw normalnych warunkach materiał ten jest błyszczącym metalem o srebrzystobiałym odcieniu. Gęstość takich surowców sięga 6,45 g/cm3. Metal ten w czystej postaci, która nie zawiera żadnych zanieczyszczeń, wyróżnia się bardzo dużą ciągliwością i bardzo łatwym do obróbki zarówno na zimno, jak i na gorąco. Warto w tym miejscu zauważyć, że ten surowiec, podobnie jak np. tytan, gwałtownie straci swoje właściwości mechaniczne, jeśli zostanie połączony z zanieczyszczeniami substancji niemetalicznych. Cyrkon i tlen są uważane za najgorsze związki.

Właściwości materiałów istop

Cyrkon sam w sobie wyróżnia się tym, że ma dość wysoką odporność na różne kwasy. Surowiec ten nie rozpuszcza się w środowisku takim jak kwas azotowy i solny czy zasady. Ta funkcja jest kluczowa. Na jego podstawie powstaje wiele stopów cyrkonu. Na przykład, jeśli weźmiesz wieloskładnikowe stopy magnezu i dodasz do nich pierwiastek, taki jak cyrkon, materiał stanie się znacznie bardziej odporny na korozję. Jeśli stworzysz stop tytanu i cyrkonu, zwiększy się kwasoodporność pierwszego pierwiastka.

Warto również zauważyć, że wszystkie stopy cyrkonu z innymi metalami charakteryzują się tym, że nie tracą wytrzymałości w szerokim zakresie temperatur, odporność na wstrząsy mechaniczne pozostaje na bardzo wysokim poziomie. Przykładem jest stop magnezu z kilkoma procentami cynku i zaledwie kilkoma dziesiątymi procentami cyrkonu. Otrzymany metal będzie prawie dwa razy mocniejszy niż magnez, a także będzie w stanie utrzymać swoją wytrzymałość w temperaturach do 200 stopni Celsjusza.

Opis funkcji

Stopy cyrkonu są najaktywniej wykorzystywane w takich obszarach, jak okładziny elementów paliwowych, rury kanału paliwowego i różne części zespołów paliwowych. Sam cyrkon charakteryzuje się również tym, że przekrój absorpcji neutronów jest raczej niski. Według tego wskaźnika ustępuje tylko takim substancjom, jak magnez i beryl. Ponadto temperatura topnienia cyrkonu jest bardzo wysoka.

Stopy cyrkonu stosowane w różnych gałęziach przemysłu charakteryzują się bardzo wysoką odpornością na korozję w wodzie, mieszaninie parowo-wodnej, parze nasyconej i przegrzanej do temperatury ok. 350-360 stopni Celsjusza. Warto również zauważyć, że ten limit temperatury ma zostać podniesiony do wyższych wartości w najbliższej przyszłości.

Parametry stopu

Właściwości stopów cyrkonu pod względem stabilności mechanicznej są dość wysokie, czego nie można powiedzieć o czystym cyrkonie. To dzięki stopowaniu uzyskuje się wysoką wytrzymałość materiału. Np. stop taki jak niob (Nb) i 1% cyrkon (Zr) będzie charakteryzował się tym, że granica plastyczności materiału w temperaturach 20, 200, 300 i 400 stopni Celsjusza będzie wynosić 200, 160, 120 i 90 MPa. Ten stop jest aktywnie wykorzystywany do okładzin prętów paliwowych. I np. jeśli zmienisz skład stopu cyrkonu z niobem, czyli zwiększysz zawartość cyrkonu do 2,5%, to granica plastyczności wzrośnie do 280, 220, 200 i 180 MPa, w tych samych temperaturach.

Jednak takie materiały mają swoje wady. Wadą jest to, że stop z cyrkonem okazuje się zbyt przerażający, gdy temperatura sięga 320-350 stopni Celsjusza i więcej. Inną wadą jest to, że Zr aktywnie rozpuszcza wodór, który często pojawia się podczas korozji. Z tego powodu powstaną substancje, takie jak wodorki cyrkonu, które znacznie zmniejszają ciągliwość surowca, co powoduje, że metal jest bardziej kruchy.

Cyrkon w medycynie

Stopy cyrkonu są dość aktywnie wykorzystywane w medycynie. Naukowcy poprzez eksperymenty odkryli, że nawet noszenie prostych bransoletek z cyrkonu może pomóc w leczeniu niektórych chorób, a także może poprawić ogólne samopoczucie.

Obecnie implanty (uchwyty) są często stosowane w takich dziedzinach medycyny jak traumatologia i chirurgia szczękowo-twarzowa. Stabilizatory służą do złamań, mocując kości tak, aby się nie poruszały. To właśnie w tych przypadkach można wyróżnić takie zalety stosowania stopów cyrkonu jak: wysoka zgodność biologiczna (oznaczająca brak reakcji alergicznych organizmu na taki stop lub odrzucenie), wysokie właściwości wytrzymałościowe stopu, co jest bardzo ważne do utrwalaczy. Warto również zauważyć, że brak odrzucenia lub uczulenia na taką substancję doprowadził do tego, że nie było potrzeby powtarzania operacji usunięcia aparatu retencyjnego, jeśli organizm nagle zaczął odrzucać implant.

Cyrkon w energetyce jądrowej

Do lat 50. ubiegłego wieku uważano, że cyrkon nie nadaje się do stosowania w tym obszarze. Było to jednak w latach 50-tych. Po raz pierwszy uzyskano materiał całkowicie oczyszczony z takich zanieczyszczeń jak hafn. Po oczyszczeniu okazało się, że czysty cyrkon ma bardzo mały przekrój absorpcji neutronów termicznych. To właśnie ta jakość stała się najważniejsza i umożliwiła wykorzystanie stopów cyrkonu w energetyce jądrowej.

Należy dodać, że po prostu oczyszczony cyrkon nie mógł być użyty, ponieważ odporność na korozję była zbyt niska w gorącej wodzie. Następnie zdecydowano się na użycie stopów na bazie cyrkonu. Udowodniły swoją wartość w reaktorach chłodzonych parą i podobnych środowiskach korozyjnych.

Ogólne zastosowania stopów

Cyrkon jest szeroko stosowany jako pierwiastek stopowy. Wynika to z faktu, że metale, do których dodaje się tę substancję, stają się bardziej odporne na ciepło, kwasy itp. Oznacza to, że stop metalu i cyrkonu znacznie przewyższa pierwotny surowiec pod względem swoich właściwości.

Żelazocyrkon jest dość szeroko stosowany. Jest stopem cyrkonu i żelaza. Zawartość pierwiastka stopowego Zr sięga 20% masy całkowitej. Taka substancja stosowana jest w metalurgii jako odtleniacz i odgazowywacz stali. Na przykład stopy aluminiowo-cyrkonowe są uważane za najbardziej odporne na korozję i są stosowane w siatkach katodowych do lamp próżniowych. Zawartość Zr w takim stopie nie przekracza 3% masy całkowitej.

W metalurgii żelaza, oprócz żelazocyrkonu, często stosuje się stop Zr i krzemu. Służy do odgazowywania stali. Stop miedzi i cyrkonu jest szeroko stosowany do produkcji elementów przewodzących do urządzeń elektrycznych.

Znalezienie cyrkonu

Warto zauważyć, że cyrkon jest dość rzadkim pierwiastkiem. Zawartość tej substancji w skorupie ziemskiej nie przekracza0,025% wagowo. Cyrkon zajmuje dwunastą linię w tabeli rozpowszechnienia metali. Surowiec ten jest dość rozproszony, dlatego bardzo trudno jest znaleźć jego duże złoża. Najczęściej występuje jako związek chemiczny znajdujący się w litosferze, ponieważ sam cyrkon jest pierwiastkiem litofilnym.