Cirkóniumötvözetek: összetétel, tulajdonságok, alkalmazás

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

A cirkóniumötvözet alkalmazása jelenleg meglehetősen elterjedt az orvostudományban és az atomenergiában. Más iparágakban is használják ezt az anyagot, de kisebb mértékben. Érdemes megjegyezni, hogy az ebből a nyersanyagból készült különféle ötvözetek népszerűvé váltak. Önmagában a cirkónium nem vált népszerű anyaggá, mivel minősége sokkal rosszabb, mint az azonos fém ötvözetének.

Általános információ

A cirkónium (Zr) a periódusos rendszer egyik eleme, amelynek rendszáma 40, atomtömege pedig 91,22. Normál körülmények között és normál körülmények között ez az anyag ezüstös fehér árnyalatú fényes fém. Az ilyen nyersanyagok sűrűsége eléri a 6,45 g/cm3. Ez a tiszta formában lévő fém, amely nem tartalmaz szennyeződéseket, azzal a ténnyel különbözteti meg, hogy nagyon nagy rugalmassággal rendelkezik, és nagyon könnyen feldolgozható hidegen és melegen egyaránt. Itt érdemes megjegyezni, hogy ez a nyersanyag, mint például a titán, élesen elveszíti mechanikai tulajdonságait, ha nem fémes anyagok szennyeződéseivel kombinálják. A cirkónium és az oxigén a legrosszabb vegyületek.

Anyagtulajdonságok ésötvözet

Maga a cirkónium azzal jellemezhető, hogy meglehetősen nagy ellenállással rendelkezik a különféle savakkal szemben. Ez a nyersanyag nem oldódik olyan környezetben, mint például salétromsav és sósav vagy lúg. Ez a funkció kulcsfontosságú. Ennek alapján számos cirkóniumötvözet jön létre. Például, ha többkomponensű magnéziumötvözeteket vesz, és hozzáad egy elemet, például cirkóniumot, az anyag sokkal ellenállóbbá válik a korrózióval szemben. Ha titán és cirkónium ötvözetet hoz létre, akkor az első elem savállósága megnő.

Azt is érdemes megjegyezni, hogy minden más fémekkel alkotott cirkóniumötvözetre jellemző, hogy széles hőmérsékleti tartományban sem veszítik el szívósságukat, a mechanikai ütésekkel szembeni ellenállás nagyon magas szinten marad. Ilyen például a néhány százalék cinket és csak néhány tized százaléknyi cirkóniumot tartalmazó magnéziumötvözet. A kapott fém majdnem kétszer olyan erős lesz, mint a magnézium, és akár 200 Celsius fokos hőmérsékleten is meg tudja tartani erejét.

A funkciók leírása

A cirkóniumötvözeteket legaktívabban olyan területeken használják, mint a tüzelőanyag-elemek burkolata, az üzemanyag-csatorna csövek és az üzemanyag-kazetták különböző részei. Magára a cirkóniumra is jellemző, hogy meglehetősen alacsony a neutronelnyelési keresztmetszete. E mutató szerint a második helyen áll az olyan anyagok után, mint a magnézium és a berillium. Ezenkívül a cirkónium olvadáspontja nagyon magas.

A különböző iparágakban használt cirkóniumötvözetek jellemzője, hogy nagyon magas korrózióállósággal rendelkeznek vízben, gőz-víz keverékben, telített és túlhevített gőzben körülbelül 350-360 Celsius fokig. Azt is érdemes megjegyezni, hogy ez a hőmérsékleti határ a közeljövőben várhatóan magasabb értékekre fog emelkedni.

Ötvözet paraméterei

A cirkóniumötvözetek mechanikai stabilitási tulajdonságai meglehetősen magasak, ami a tiszta cirkóniumról nem mondható el. Az ötvözéssel érhető el az anyag nagy szilárdsága. Például egy olyan ötvözetet, mint a nióbium (Nb) és az 1% cirkónium (Zr), az a tény jellemzi, hogy az anyag folyáshatára 20, 200, 300 és 400 Celsius fokos hőmérsékleten 200, 160, 120 és 90 MPa. Ezt az ötvözetet aktívan használják üzemanyagrúd burkolatára. És például, ha megváltoztatja a cirkóniumötvözet összetételét nióbiummal, azaz a cirkóniumtartalmat 2,5%-ra növeli, akkor a folyáshatár 280, 220, 200 és 180 MPa-ra nő, ugyanazon a hőmérsékleten.

Az ilyen anyagoknak azonban megvannak a hátrányai. A hátrányok közé tartozik az a tény, hogy a cirkóniumötvözet túlságosan hátborzongatónak bizonyul, amikor a hőmérséklet eléri a 320-350 Celsius-fokot vagy magasabb. További hátránya, hogy a Zr aktívan oldja a hidrogént, ami gyakran előfordul a korrózió során. Emiatt olyan anyagok képződnek, mint például a cirkónium-hidridek, amelyek nagymértékben csökkentik a nyersanyag rugalmasságát, ami a fémet törékennyé teszi.

Cirkónium az orvostudományban

A cirkóniumötvözeteket meglehetősen aktívan használják az orvostudományban. A tudósok kísérletekkel megállapították, hogy még az egyszerű cirkónium karkötők viselése is segíthet bizonyos betegségek kezelésében, és javíthatja az ember általános jólétét.

Ma az implantátumokat (retainereket) gyakran használják az orvostudomány olyan területein, mint a traumatológia és a maxillofacialis sebészet. Rögzítőket használnak töréseknél, rögzítik a csontokat, hogy ne mozduljanak el. Ezekben az esetekben lehet megkülönböztetni a cirkóniumötvözetek használatának előnyeit: nagy biológiai kompatibilitás (az emberi szervezet allergiás reakcióinak hiánya egy ilyen ötvözetre vagy elutasításra), az ötvözet nagy szilárdsági jellemzői, ami nagyon fontos. rögzítőkhöz. Azt is érdemes megjegyezni, hogy az ilyen anyagokkal szembeni kilökődés vagy allergia hiánya ahhoz a tényhez vezetett, hogy nem kellett megismételni a sebészeti beavatkozást a rögzítő eltávolításához, ha a szervezet hirtelen elkezdte kilökni az implantátumot.

Cirkónium az atomenergia-iparban

A múlt század 50-es éveiig úgy tartották, hogy a cirkónium nem alkalmas ezen a területen való használatra. Ez azonban az 50-es években volt. Először olyan anyagot kaptak, amelyet teljesen megtisztítottak egy olyan szennyeződéstől, mint a hafnium. A tisztítás után kiderült, hogy a tiszta cirkóniumnak nagyon kicsi a termikus neutronelnyelési keresztmetszete. Ez a minőség vált a fő jellemzővé, és lehetővé tette a cirkóniumötvözetek használatát az atomenergia-iparban.

Hozzá kell tenni, hogy egyszerűen tisztított cirkóniumot nem lehetett használni, mert túl alacsony volt a korrózióállósága forró vízben. Ezt követően a cirkónium alapú ötvözetek alkalmazása mellett döntöttek. Gőzhűtéses reaktorokban és hasonló korrozív környezetben beváltak.

Az ötvözetek általános alkalmazásai

A cirkóniumot széles körben használják ötvözőelemként. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a fémek, amelyekhez ezt az anyagot adják, hőállóbbak, savállóbbak stb. Vagyis a fém és cirkónium ötvözete jellemzőiben nagymértékben meghaladja az eredeti nyersanyagot.

A ferrozirkóniumot meglehetősen széles körben használják. Ez cirkónium és vas ötvözete. A Zr ötvözőelem tartalma eléri a teljes tömeg 20%-át. Az ilyen anyagot a kohászatban dezoxidálóként és gáztalanítóként használják acélhoz. Az alumínium-cirkónium ötvözetek például a legellenállóbbak a korrózióval szemben, és vákuumcsövek katódrácsaiban használatosak. A Zr-tartalom egy ilyen ötvözetben nem haladja meg a teljes tömeg 3%-át.

A vaskohászatban a ferrozirkónium mellett gyakran alkalmaznak Zr és szilícium ötvözetét is. Acél gáztalanítására szolgál. A réz és cirkónium ötvözetét széles körben használják elektromos berendezések vezetőképes elemeinek gyártásához.

Cirkónium keresése

Érdemes megjegyezni, hogy a cirkónium meglehetősen ritka elem. Ennek az anyagnak a tartalma a földkéregben nem haladja meg0,025 tömeg%. A cirkónium a fémek előfordulási gyakoriságának táblázatában a tizenkettedik sort foglalja el. Ez a nyersanyag meglehetősen szétszórt, ezért nagyon nehéz nagy lerakódásokat találni belőle. Leggyakrabban a litoszférában található kémiai vegyületként található meg, mivel maga a cirkónium egy litofil elem.