Tsirkooniumisulamid: koostis, omadused, kasutusala

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Tsirkooniumisulami kasutamine on praegu meditsiinis ja tuumaenergeetikas üsna lai alt levinud. Teistes tööstusharudes kasutatakse seda materjali ka, kuid vähemal määral. Väärib märkimist, et sellest toorainest valmistatud erinevad sulamid on populaarsust kogunud. Iseenesest pole tsirkoonium muutunud populaarseks materjaliks, kuna selle kvaliteet on palju halvem kui sama metalli sulamil.

Üldine teave

Tsirkoonium (Zr) on perioodilisuse tabeli element, mille aatomnumber on 40 ja aatommass 91,22. Tavatingimustes ja tavatingimustes on see materjal hõbevalge varjundiga läikiv metall. Selliste toorainete tihedus ulatub 6,45 g/cm3. See puhtal kujul, mis ei sisalda lisandeid, eristub selle poolest, et sellel on väga kõrge elastsus ja seda on väga lihtne töödelda nii külm alt kui kuum alt. Siinkohal väärib märkimist, et see tooraine, nagu näiteks titaan, kaotab järsult oma mehaanilised omadused, kui seda kombineeritakse mittemetalliliste ainete lisanditega. Tsirkooniumi ja hapnikku peetakse halvimateks ühenditeks.

Materjali omadused jasulam

Tsirkoonium ise eristub selle poolest, et tal on üsna kõrge vastupidavus erinevatele hapetele. See tooraine ei lahustu keskkonnas, näiteks lämmastik- ja vesinikkloriidhappes ega leelis. See funktsioon on võtmetähtsusega. Selle põhjal luuakse palju tsirkooniumisulameid. Näiteks kui võtta mitmekomponendilised magneesiumsulamid ja lisada neile mõni element nagu tsirkoonium, muutub materjal korrosioonile palju vastupidavamaks. Kui loote titaani ja tsirkooniumi sulami, suureneb esimese elemendi happekindlus.

Samuti väärib märkimist, et kõiki teiste metallidega tsirkooniumisulameid iseloomustab see, et need ei kaota oma sitkust laias temperatuurivahemikus, vastupidavus mehaanilistele löökidele püsib väga kõrgel tasemel. Näiteks võib tuua magneesiumisulami, milles on paar protsenti tsinki ja vaid mõni kümnendik protsenti tsirkooniumi. Saadud metall on peaaegu kaks korda tugevam kui magneesium ja see suudab säilitada oma tugevust ka temperatuuril kuni 200 kraadi Celsiuse järgi.

Funktsioonide kirjeldus

Tsirkooniumisulameid kasutatakse kõige aktiivsem alt sellistes valdkondades nagu kütuseelementide katted, kütusekanalite torud ja erinevad kütusesõlmede osad. Tsirkooniumi ennast iseloomustab ka see, et neutronite neeldumise ristlõige on üsna madal. Selle näitaja järgi jääb see alla ainult sellistele ainetele nagu magneesium ja berüllium. Lisaks on tsirkooniumi sulamistemperatuur väga kõrge.

Erinevates tööstusharudes kasutatavaid tsirkooniumisulameid iseloomustab see, et neil on väga kõrge korrosioonikindlus vees, auru-vee segus, küllastunud ja ülekuumendatud aurus kuni temperatuurini umbes 350-360 kraadi Celsiuse järgi. Samuti väärib märkimist, et seda temperatuuripiiri oodatakse lähitulevikus kõrgematele väärtustele.

Sulami parameetrid

Tsirkooniumisulamite omadused mehaanilise stabiilsuse osas on üsna kõrged, mida ei saa öelda puhta tsirkooniumi kohta. Just legeerimisega saavutatakse materjali kõrge tugevus. Näiteks sulamit nagu nioobium (Nb) ja 1% tsirkoonium (Zr) iseloomustab asjaolu, et materjali voolavuspiir on temperatuuridel 20, 200, 300 ja 400 kraadi Celsiuse järgi 200, 160, 120 ja 90 MPa. Seda sulamit kasutatakse aktiivselt kütusevarda katteks. Ja näiteks kui muudate tsirkooniumisulami koostist nioobiumiga ehk tõstate tsirkooniumisisaldust 2,5%-ni, siis voolavuspiir tõuseb samadel temperatuuridel 280, 220, 200 ja 180 MPa-ni.

Siiski on sellistel materjalidel omad puudused. Puuduste hulka kuulub asjaolu, et tsirkooniumiga sulam osutub liiga jubedaks, kui temperatuur jõuab 320–350 kraadini Celsiuse järgi. Veel üks puudus on see, et Zr lahustab aktiivselt vesinikku, mis korrosiooni ajal sageli esineb. Seetõttu tekivad sellised ained nagu tsirkooniumhüdriidid, mis vähendavad oluliselt toormaterjali elastsust, mis muudab metalli rabedamaks.

Tsirkoonium meditsiinis

Tsirkooniumisulameid kasutatakse meditsiinis üsna aktiivselt. Teadlased on katsetega avastanud, et isegi lihtsate tsirkooniumkäevõrude kandmine võib aidata ravida teatud haigusi ja see võib samuti parandada inimese üldist heaolu.

Tänapäeval kasutatakse implantaate (retainereid) sageli sellistes meditsiinivaldkondades nagu traumatoloogia ja näo-lõualuukirurgia. Luumurdude puhul kasutatakse fiksaatoreid, millega luud fikseeritakse nii, et need ei liiguks. Just nendel juhtudel saab eristada selliseid tsirkooniumisulamite kasutamise eeliseid nagu: kõrge bioloogiline ühilduvus (see tähendab inimkeha allergiliste reaktsioonide puudumist sellisele sulamile või tagasilükkamist), sulami kõrge tugevusomadused, mis on väga oluline. fiksaatorite jaoks. Samuti väärib märkimist, et äratõukereaktsiooni või allergia puudumine sellise aine suhtes tõi kaasa asjaolu, et kui keha hakkas ootamatult implantaati tagasi lükkama, ei olnud vaja fiksaatori eemaldamiseks kirurgilist operatsiooni korrata.

Tsirkoonium tuumaenergiatööstuses

Kuni eelmise sajandi 50. aastateni arvati, et tsirkoonium ei sobi selles piirkonnas kasutamiseks. See oli aga 50ndatel. Esimest korda saadi materjal, mis puhastati täielikult sellisest lisandist nagu hafnium. Pärast puhastamist selgus, et puhtal tsirkooniumil on väga väike termilise neutronite neeldumise ristlõige. Just sellest kvaliteedist sai peamine ja see võimaldas kasutada tsirkooniumisulameid tuumaenergiatööstuses.

Tuleb lisada, et lihts alt puhastatud tsirkooniumi ei saanud kasutada, kuna kuumas vees oli korrosioonikindlus liiga madal. Pärast seda otsustati kasutada tsirkooniumipõhiseid sulameid. Need on end auruga jahutatavates reaktorites ja sarnastes söövitavates keskkondades tõestanud.

Sulamite üldised kasutusalad

Tsirkooniumi kasutatakse laialdaselt legeeriva elemendina. See on tingitud asjaolust, et metallid, millele seda ainet lisatakse, muutuvad kuumakindlamaks, happekindlamaks jne. See tähendab, et metalli ja tsirkooniumi sulam ületab oma omaduste poolest oluliselt algse tooraine.

Ferrotsirkooniumi kasutatakse üsna laialdaselt. See on tsirkooniumi ja raua sulam. Legeeriva elemendi Zr sisaldus ulatub 20% kogumassist. Sellist ainet kasutatakse metallurgias terase deoksüdeerijana ja degasaatorina. Näiteks alumiinium-tsirkooniumisulameid peetakse kõige korrosioonikindlamaks ja neid kasutatakse vaakumtorude katoodvõredes. Zr-i sisaldus sellises sulamis ei ületa 3% kogumassist.

Mustmetallurgias kasutatakse sageli lisaks ferrotsirkooniumile Zr-i ja räni sulamit. Seda kasutatakse terase degaseerimiseks. Vase ja tsirkooniumi sulamit kasutatakse laialdaselt elektriseadmete juhtivate elementide valmistamiseks.

Tsirkooniumi leidmine

Väärib märkimist, et tsirkoonium on üsna haruldane element. Selle aine sisaldus maakoores ei ületa0,025 massiprotsenti. Tsirkoonium on metallide levimuse tabelis kaheteistkümnendal real. See tooraine on üsna hajutatud ja seetõttu on selle suuri ladestusi väga raske leida. Seda leidub kõige sagedamini litosfääris paikneva keemilise ühendina, kuna tsirkoonium ise on litofiilne element.