Cyrkon: stopy na jego bazie. Właściwości, zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Rzadki, ale jednocześnie bardzo ważny w wielu gałęziach przemysłu metal - cyrkon - został po raz pierwszy wyizolowany dopiero w 1824 roku. Wciąż jednak zawierał pewien procent innych pierwiastków. Dopiero w XX wieku udało się uzyskać czysty cyrkon, wolny od różnych zanieczyszczeń. Oparte na nim stopy są z powodzeniem wykorzystywane do produkcji materiałów ogniotrwałych, materiałów ściernych, farb ceramicznych, papieru ściernego, tekstyliów, dezodorantów i sztucznych kamieni. Oczywiście nie należy zapominać o dużym znaczeniu tego metalu w medycynie. Dowiedz się o nim więcej.

Rozwój metalurgii

Cyrkon jest głównym składnikiem stopów stosowanych w energetyce jądrowej. Ale do tego konieczne jest, aby był jak najczystszy z różnych zanieczyszczeń. Faktem jest, że w rudach cyrkonu występuje nie tylko pierwiastek ziem rzadkich jak hafn, ale także azot, węgiel i tlen. A takie niemetaliczne zanieczyszczenia są dość niebezpieczne i mogą być zawarte w składzie materiałów konstrukcyjnych reaktorów jądrowych w ilości nie większej niż milionowe części procenta. Dlatego otrzymywanie czystego cyrkonu i stopów dalejjego podstawą jest dość długi i pracochłonny proces. Koncentrat jest najpierw otwierany, następnie wzbogacany, oddzielane są niepożądane zanieczyszczenia i hafn.

Czysty cyrkon wygląda jak typowy metal. Z wyglądu jest bardzo podobny do stali, ale jednocześnie bardziej wytrzymały i plastyczny. Oczywiście w opartych na nim stopach jego właściwości mogą się znacznie różnić w zależności od ilości innych pierwiastków. Na przykład tlen (powyżej 0,6%) sprawi, że cyrkon będzie bardziej kruchy. Ale jest też wada: dwutlenek tego metalu (ZrO_{2) ma temperaturę topnienia 2680 °C.}

Główny materiał konstrukcyjny

Jak wspomniano wcześniej, najszerszym obszarem zastosowania cyrkonu i jego stopów jest przemysł jądrowy. Ich główną zaletą jest to, że mają mały przekrój wychwytywania neutronów termicznych (tylko 0,18 barna), dobre właściwości korozyjne i wysoką temperaturę topnienia. Tak więc TVEL jest głównym konstruktywnym elementem paliwowym strefy aktywnej reaktora jądrowego, w którym umieszczane jest paliwo jądrowe. To w nim następuje rozszczepienie ciężkich jąder, co oznacza, że element paliwowy musi być wykonany z najtrwalszego i najbardziej ogniotrwałego metalu oraz nie może zmieniać charakteru absorpcji neutronów w reaktorze.

Tak więc, do jego wykonania używa się stopów cyrkonu. Wymagania dla nich są dość surowe. Tak więc pierwiastki stopowe nie powinny pogarszać jego właściwości. W szczególności dotyczy to małego przekroju do wychwytywania neutronów termicznych. Cyrkon jest stapiany, abytłumią szkodliwe działanie azotu i poprawiają jego właściwości korozyjne. Wiele elementów układu okresowego Mendelejewa nie jest odpowiednich, ponieważ zmniejszają pewne cechy.

Najbardziej znanym stopem używanym do produkcji prętów paliwowych jest cyrkal. Jego głównym pierwiastkiem stopowym jest cyna, a pierwiastkami pomocniczymi są żelazo, chrom i nikiel. W Rosji niob jest najczęściej używany do stopowania cyrkonu. Ma również niski przekrój wychwytywania neutronów termicznych, zmniejsza pobór wodoru i tworzy tylko stałe roztwory. A to z kolei zapewnia stopom wysoką ciągliwość.

Stop cyrkonu

Wysoka odporność na korozję tego metalu wyjaśnia, dlaczego jest on tak często stosowany jako pierwiastek stopowy w metalurgii metali żelaznych i nieżelaznych. Ponadto jest nierozpuszczalny w kwasach chlorowodorowych i azotowych oraz zasadach. Stąd dużą popularnością cieszą się wieloskładnikowe stopy cyrkonu z magnezem. Ponadto stopowanie z tym metalem zwiększa kwasoodporność tytanu. Stopy cyrkonu z miedzią charakteryzują się wysoką wytrzymałością i przewodnością elektryczną. Dość często stosowany jest również jako dodatek przy produkcji różnych gatunków stali. Pozwala to na usunięcie z nich siarki, azotu i tlenu.

Branża medyczna

Biorąc pod uwagę cyrkon i jego stopy, nie można nie wspomnieć o jeszcze jednym obszarze ich zastosowania. W branży medycznej zajmują daleko od ostatniego miejsca. Ostatnio stal istopy tytanu. Jednak w niektórych przypadkach organizm odrzucił te metale, na które pojawiła się reakcja alergiczna. Współczesna medycyna wykorzystuje stopy cyrkonu i tytanu do produkcji zszywek, płytek, implantów, protez i mechanizmów ich mocowania.

Ponieważ metal ten i jego związki nie podrażniają kości i otaczających tkanek miękkich, jest z powodzeniem stosowany w produkcji biżuterii. Na przykład kolczyki z cyrkonu nie wywołują reakcji alergicznej i goją ranę na płatku ucha nie gorzej niż złoto.

Pobór mocy

Stop aluminium i cyrkonu ma wiele pozytywnych właściwości i dlatego jest z powodzeniem stosowany w przemyśle energetycznym. Faktem jest, że druty stalowe i miedziane ważą dość dużo, a często stare podpory nie są w stanie wytrzymać takiego obciążenia. W 1960 roku w Japonii grupa naukowców wyprodukowała serię stopów aluminium i cyrkonu. Ustalili, że taki materiał może być używany przez długi czas w wysokich temperaturach (150-230°C), a przy tym będzie dość lekki. Pozwala to na wykorzystanie go do produkcji drutów wysokotemperaturowych. Zwiększa to niezawodność i wydajność sieci elektrycznych.

Inne zastosowania dla związków i stopów cyrkonu

W wielu antyperspirantach można znaleźć taki składnik jak Aluminium Zirconium Tetrachlorohydrex. Jest związkiem chemicznym pochłaniającym pot i jego zapach. Naukowcy odkryli, że tak nie jestwchłania się w skórę, a zatem nie może powodować poważnego uszczerbku na zdrowiu. Mimo to tetrachlorohydreksglicyna glinowo-cyrkonowa jest zakazana w UE i USA.

Tlenek cyrkonu jest używany do wytwarzania elektrokorundu. Uzyskuje się go przez wytapianie w przechylnych piecach elektrycznych. Elektrokorund cyrkonowy okazuje się dość mocny i umożliwia obróbkę materiałów z dużą siłą zwarcia. Najczęściej jest używany do szlifowania zgrubnego i zgrubnego.

Ogólnie należy zauważyć, że cyrkon i jego stopy mają wysoką temperaturę topnienia, odporność chemiczną i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Z tego powodu jest aktywnie wykorzystywany w wielu różnych dziedzinach.