Zliatiny zirkónu: zloženie, vlastnosti, použitie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Používanie zliatiny zirkónu je v súčasnosti pomerne rozšírené v medicíne a jadrovej energetike. V iných priemyselných odvetviach sa tento materiál používa tiež, ale v menšej miere. Stojí za zmienku, že rôzne zliatiny z tejto suroviny si získali popularitu. Zirkón sa sám o sebe nestal populárnym materiálom, pretože jeho kvalita je oveľa horšia ako u zliatiny rovnakého kovu.

Všeobecné informácie

Zirkónium (Zr) je prvok periodickej tabuľky, ktorého atómové číslo je 40 a jeho atómová hmotnosť je 91,22. Za normálnych podmienok a za normálnych podmienok je tento materiál lesklý kov so striebristo bielym odtieňom. Hustota takýchto surovín dosahuje 6,45 g/cm3. Tento kov vo svojej čistej forme, ktorý neobsahuje žiadne nečistoty, sa vyznačuje tým, že má veľmi vysokú ťažnosť a je veľmi ľahko spracovateľný za studena aj za tepla. Tu stojí za zmienku, že táto surovina, podobne ako napríklad titán, prudko stratí svoje mechanické vlastnosti, ak sa skombinuje s nečistotami nekovových látok. Zirkónium a kyslík sú považované za najhoršie zlúčeniny.

Vlastnosti materiálu azliatina

Samotné zirkónium sa vyznačuje tým, že má pomerne vysokú odolnosť voči rôznym kyselinám. Táto surovina sa nerozpúšťa v prostredí, ako je kyselina dusičná a chlorovodíková alebo zásada. Táto funkcia je kľúčová. Na jeho základe sa vytvára veľa zliatin zirkónu. Napríklad, ak vezmete viaczložkové zliatiny horčíka a pridáte k nim prvok, ako je zirkónium, materiál sa stane oveľa odolnejším voči korózii. Ak vytvoríte zliatinu titánu a zirkónu, potom sa zvýši odolnosť prvého prvku voči kyselinám.

Za zmienku tiež stojí, že všetky zliatiny zirkónu s inými kovmi sa vyznačujú tým, že nestrácajú svoju húževnatosť v širokom rozsahu teplôt, odolnosť voči mechanickému nárazu zostáva na veľmi vysokej úrovni. Príkladom je zliatina horčíka s niekoľkými percentami zinku a iba niekoľkými desatinami percenta zirkónu. Výsledný kov bude takmer dvakrát pevnejší ako horčík a svoju pevnosť si bude môcť zachovať aj pri teplotách do 200 stupňov Celzia.

Popis funkcií

Zliatiny zirkónu sa najaktívnejšie používajú v takých oblastiach, ako je plášť palivových článkov, potrubia palivových kanálov a rôzne časti palivových kaziet. Samotné zirkónium je tiež charakteristické tým, že absorpčný prierez neutrónov je pomerne nízky. Podľa tohto ukazovateľa je na druhom mieste po látkach ako horčík a berýlium. Okrem toho je bod topenia zirkónu veľmi vysoký.

Zliatiny zirkónu používané v rôznych odvetviach sa vyznačujú tým, že majú veľmi vysokú odolnosť proti korózii vo vode, v zmesi pary a vody, v nasýtenej a prehriatej pare až do teploty cca 350-360 stupňov Celzia. Za zmienku tiež stojí, že sa očakáva, že tento teplotný limit sa v blízkej budúcnosti zvýši na vyššie hodnoty.

Parametre zliatiny

Vlastnosti zirkóniových zliatin z hľadiska mechanickej stability sú pomerne vysoké, čo sa nedá povedať o čistom zirkóniu. Práve legovaním sa dosahuje vysoká pevnosť materiálu. Napríklad zliatina ako niób (Nb) a 1% zirkónium (Zr) sa bude vyznačovať tým, že medza klzu materiálu pri teplotách 20, 200, 300 a 400 stupňov Celzia bude 200, 160, 120. a 90 MPa. Táto zliatina sa aktívne používa na opláštenie palivových tyčí. A napríklad, ak zmeníte zloženie zirkónovej zliatiny s nióbom, to znamená, že zvýšite obsah zirkónu na 2,5%, potom sa medza klzu zvýši na 280, 220, 200 a 180 MPa pri rovnakých teplotách.

Takéto materiály však majú svoje nevýhody. Nevýhody zahŕňajú skutočnosť, že zliatina so zirkónom sa ukáže byť príliš strašidelná, keď teplota dosiahne 320-350 stupňov Celzia a viac. Ďalšou nevýhodou je, že Zr aktívne rozpúšťa vodík, ku ktorému často dochádza pri korózii. Z tohto dôvodu sa budú tvoriť látky, ako sú hydridy zirkónia, ktoré výrazne znižujú ťažnosť suroviny, čím sa kov stáva krehkejším.

Zirkónium v medicíne

Zliatiny zirkónu sa v medicíne používajú pomerne aktívne. Vedci prostredníctvom experimentov zistili, že aj nosenie jednoduchých zirkónových náramkov môže pomôcť pri liečbe určitých chorôb a môže tiež zvýšiť celkovú pohodu človeka.

V súčasnosti sa implantáty (držiaky) často používajú v takých oblastiach medicíny, ako je traumatológia a maxilofaciálna chirurgia. Pri zlomeninách sa používajú fixátory, ktoré fixujú kosti tak, aby sa nehýbali. Práve v týchto prípadoch je možné rozlíšiť také výhody použitia zliatin zirkónia, ako sú: vysoká biologická kompatibilita (to znamená absencia alergických reakcií ľudského tela na takúto zliatinu alebo odmietnutie), vysoké pevnostné charakteristiky zliatiny, čo je veľmi dôležité pre fixátory. Za zmienku tiež stojí, že absencia odmietnutia alebo alergie na takúto látku viedla k tomu, že nebolo potrebné opakovať chirurgický zákrok na odstránenie držiaka, ak telo náhle začalo odmietať implantát.

Zirkónium v jadrovej energetike

Do 50. rokov minulého storočia sa verilo, že zirkónium nie je vhodné na použitie v tejto oblasti. Bolo to však v 50-tych rokoch. Prvýkrát bol získaný materiál, ktorý bol úplne vyčistený od takej nečistoty, ako je hafnium. Po vyčistení sa ukázalo, že čistý zirkónium má veľmi malý absorpčný prierez tepelných neutrónov. Práve táto kvalita sa stala hlavnou a umožnila použitie zliatin zirkónu v jadrovej energetike.

Je potrebné dodať, že jednoducho vyčistené zirkónium nebolo možné použiť, pretože odolnosť proti korózii bola v horúcej vode príliš nízka. Potom sa rozhodlo o použití zliatin na báze zirkónu. Osvedčili sa v parou chladených reaktoroch a podobných korozívnych prostrediach.

Všeobecné aplikácie zliatin

Zirkónium je široko používané ako legovací prvok. Je to spôsobené tým, že kovy, do ktorých sa táto látka pridáva, sa stávajú žiaruvzdornejšie, odolnejšie voči kyselinám atď. To znamená, že zliatina kovu a zirkónu svojimi charakteristikami výrazne prevyšuje pôvodnú surovinu.

Ferozirkónium je pomerne široko používané. Ide o zliatinu zirkónu a železa. Obsah legujúceho prvku Zr dosahuje 20 % z celkovej hmoty. Takáto látka sa používa v metalurgii ako dezoxidátor a odplyňovač ocele. Napríklad zliatiny hliníka a zirkónu sa považujú za najodolnejšie voči korózii a používajú sa v katódových mriežkach pre vákuové trubice. Obsah Zr v takejto zliatine nie je väčší ako 3 % celkovej hmotnosti.

V metalurgii železa sa okrem ferozirkónu často používa zliatina Zr a kremíka. Používa sa na odplynenie ocele. Zliatina medi a zirkónu sa široko používa na výrobu vodivých prvkov pre elektrické zariadenia.

Hľadá sa zirkón

Za zmienku stojí, že zirkónium je pomerne vzácny prvok. Obsah tejto látky v zemskej kôre nepresahuje0,025 % hmotn. Zirkónium zaberá v tabuľke prevalencie kovov dvanásty riadok. Táto surovina je značne rozptýlená, a preto je veľmi ťažké nájsť jej veľké ložiská. Najčastejšie sa vyskytuje ako chemická zlúčenina nachádzajúca sa v litosfére, keďže samotné zirkónium je litofilný prvok.