Slitiny zirkonia: složení, vlastnosti, použití

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Použití slitiny zirkonia je v současnosti v medicíně a jaderné energetice poměrně rozšířené. V jiných průmyslových odvětvích se tento materiál také používá, ale v menší míře. Stojí za zmínku, že různé slitiny z této suroviny si získaly oblibu. Zirkonium se samo o sobě nestalo oblíbeným materiálem, protože jeho kvalita je mnohem horší než u slitiny stejného kovu.

Obecné informace

Zirkonium (Zr) je prvek periodické tabulky, jehož atomové číslo je 40 a jeho atomová hmotnost je 91,22. Za normálních podmínek a za normálních podmínek je tento materiál lesklý kov se stříbřitě bílým nádechem. Hustota takových surovin dosahuje 6,45 g/cm3. Tento kov ve své čisté formě, který neobsahuje žádné nečistoty, vyniká tím, že má velmi vysokou tažnost a je velmi snadno zpracovatelný za studena i za tepla. Zde stojí za zmínku, že tato surovina, stejně jako např. titan, prudce ztratí své mechanické vlastnosti, pokud se spojí s nečistotami nekovových látek. Zirkonium a kyslík jsou považovány za nejhorší sloučeniny.

Vlastnosti materiálu aslitina

Samotné zirkonium se vyznačuje tím, že má poměrně vysokou odolnost vůči různým kyselinám. Tato surovina se nerozpouští v prostředí, jako je kyselina dusičná a chlorovodíková nebo alkálie. Tato funkce je klíčová. Na jeho základě vzniká mnoho slitin zirkonia. Pokud například vezmete vícesložkové slitiny hořčíku a přidáte k nim prvek, jako je zirkonium, materiál se stane mnohem odolnějším vůči korozi. Pokud vytvoříte slitinu titanu a zirkonia, zvýší se odolnost prvního prvku vůči kyselinám.

Za zmínku také stojí, že všechny slitiny zirkonia s jinými kovy se vyznačují tím, že neztrácejí svou houževnatost v širokém teplotním rozsahu, odolnost proti mechanickému rázu zůstává na velmi vysoké úrovni. Příkladem je slitina hořčíku s několika procenty zinku a pouze několika desetiny procenta zirkonia. Výsledný kov bude téměř dvakrát tak pevný než hořčík a bude si také schopen udržet svou pevnost při teplotách až 200 stupňů Celsia.

Popis funkcí

Slitiny zirkonia se nejaktivněji používají v oblastech, jako je opláštění palivových článků, potrubí palivových kanálů a různé části palivových souborů. Samotné zirkonium je také charakteristické tím, že absorpční průřez neutronů je poměrně nízký. Podle tohoto ukazatele je na druhém místě po látkách, jako je hořčík a berylium. Kromě toho je bod tání zirkonia velmi vysoký.

Slitiny zirkonia používané v různých průmyslových odvětvích se vyznačují tím, že mají velmi vysokou odolnost proti korozi ve vodě, ve směsi páry a vody, v nasycené a přehřáté páře až do teploty cca 350-360 stupňů Celsia. Za zmínku také stojí, že se očekává, že tento teplotní limit bude v blízké budoucnosti zvýšen na vyšší hodnoty.

Parametry slitiny

Vlastnosti slitin zirkonia z hlediska mechanické stability jsou poměrně vysoké, což nelze říci o čistém zirkoniu. Právě legováním se dosahuje vysoké pevnosti materiálu. Například slitina jako niob (Nb) a 1% zirkonium (Zr) se bude vyznačovat tím, že mez kluzu materiálu při teplotách 20, 200, 300 a 400 stupňů Celsia bude 200, 160, 120 a 90 MPa. Tato slitina se aktivně používá pro opláštění palivových tyčí. A pokud například změníte složení slitiny zirkonia s niobem, tedy zvýšíte obsah zirkonia na 2,5 %, pak se mez kluzu zvýší na 280, 220, 200 a 180 MPa při stejných teplotách.

Takové materiály však mají své nevýhody. Mezi nevýhody patří skutečnost, že slitina se zirkoniem se při teplotě 320-350 stupňů Celsia a více ukazuje jako příliš strašidelná. Další nevýhodou je, že Zr aktivně rozpouští vodík, ke kterému často dochází při korozi. Z tohoto důvodu se budou tvořit látky, jako jsou hydridy zirkonia, které značně snižují tažnost suroviny, což činí kov křehčí.

Zirkonium v medicíně

Slitiny zirkonia se v lékařství poměrně aktivně používají. Vědci pomocí experimentů zjistili, že i nošení jednoduchých zirkonových náramků může pomoci léčit určité nemoci a může také zvýšit celkovou pohodu člověka.

Dnes se implantáty (pojistky) často používají v takových oblastech medicíny, jako je traumatologie a maxilofaciální chirurgie. U zlomenin se používají fixátory, fixující kosti tak, aby se nehýbaly. Právě v těchto případech lze rozlišit takové výhody použití slitin zirkonia, jako jsou: vysoká biologická kompatibilita (což znamená nepřítomnost alergických reakcí lidského těla na takovou slitinu nebo odmítnutí), vysoké pevnostní vlastnosti slitiny, což je velmi důležité pro fixátory. Za zmínku také stojí, že absence odmítnutí nebo alergie na takovou látku vedla k tomu, že nebylo nutné opakovat chirurgickou operaci k odstranění držáku, pokud tělo náhle začalo odmítat implantát.

Zirkonium v jaderné energetice

Do 50. let minulého století se věřilo, že zirkonium není vhodné pro použití v této oblasti. Bylo to však v 50. letech. Poprvé byl získán materiál, který byl zcela vyčištěn od takové nečistoty, jako je hafnium. Po čištění se ukázalo, že čisté zirkonium má velmi malý absorpční průřez tepelných neutronů. Právě tato kvalita se stala hlavní a umožnila použití slitin zirkonia v jaderné energetice.

Je třeba dodat, že jednoduše vyčištěné zirkonium nebylo možné použít, protože odolnost proti korozi byla v horké vodě příliš nízká. Poté bylo rozhodnuto použít slitiny na bázi zirkonia. Osvědčily se v parou chlazených reaktorech a podobných korozivních prostředích.

Obecné použití slitin

Zirkonium je široce používáno jako legující prvek. To je způsobeno skutečností, že kovy, do kterých se tato látka přidává, se stávají odolnějšími vůči teplu, kyselinám atd. To znamená, že slitina kovu a zirkonia svými vlastnostmi výrazně převyšuje výchozí surovinu.

Ferozirkonium je poměrně široce používáno. Jedná se o slitinu zirkonia a železa. Obsah legujícího prvku Zr dosahuje 20 % celkové hmoty. Taková látka se používá v metalurgii jako odkysličovadlo a odplyňovač oceli. Například slitiny hliníku a zirkonu jsou považovány za nejodolnější vůči korozi a používají se v katodových mřížkách pro vakuové trubice. Obsah Zr v takové slitině není větší než 3 % celkové hmotnosti.

V metalurgii železa se kromě ferozirkonia často používá slitina Zr a křemíku. Používá se pro odplyňování oceli. Slitina mědi a zirkonia je široce používána pro výrobu vodivých prvků pro elektrická zařízení.

Hledání zirkonia

Za zmínku stojí, že zirkonium je poměrně vzácný prvek. Obsah této látky v zemské kůře nepřesahuje0,025 % hmotn. Zirkonium zaujímá v tabulce prevalence kovů dvanáctou řadu. Tato surovina je značně rozptýlená, a proto je velmi obtížné najít její velká ložiska. Nejčastěji se vyskytuje jako chemická sloučenina umístěná v litosféře, protože zirkonium samotné je litofilní prvek.