آلیاژهای زیرکونیوم: ترکیب، خواص، کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

استفاده از آلیاژ زیرکونیوم در حال حاضر در پزشکی و انرژی هسته ای بسیار گسترده است. در سایر صنایع نیز از این ماده استفاده می شود اما به میزان کمتر. شایان ذکر است که آلیاژهای مختلف از این ماده اولیه محبوبیت پیدا کرده اند. زیرکونیوم به خودی خود به یک ماده محبوب تبدیل نشده است، زیرا کیفیت آن بسیار بدتر از آلیاژی از همان فلز است.

اطلاعات عمومی

زیرکونیوم (Zr) عنصری از جدول تناوبی است که عدد اتمی آن 40 و وزن اتمی آن 91.22 است.این ماده در شرایط عادی و در شرایط عادی فلزی درخشان با رنگ سفید نقره ای است. چگالی چنین مواد خام به 6.45 گرم در سانتی متر3 می رسد. این فلز به شکل خالص خود که فاقد هرگونه ناخالصی است از این جهت متمایز می شود که شکل پذیری بسیار بالایی دارد و پردازش آن در سرد و گرم بسیار آسان است. در اینجا شایان ذکر است که این ماده خام، مانند تیتانیوم، اگر با ناخالصی های مواد غیرفلزی ترکیب شود، به شدت خواص مکانیکی خود را از دست می دهد. زیرکونیوم و اکسیژن بدترین ترکیبات محسوب می شوند.

خواص مواد وآلیاژ

زیرکونیوم خود با این واقعیت متمایز می شود که مقاومت نسبتاً بالایی در برابر اسیدهای مختلف دارد. این ماده خام در محیطی مانند اسید نیتریک و کلریدریک یا قلیایی حل نمی شود. این ویژگی کلیدی است. بر اساس آن، بسیاری از آلیاژهای زیرکونیوم ایجاد می شود. به عنوان مثال، اگر آلیاژهای منیزیم چند جزئی را بگیرید و عنصری مانند زیرکونیوم را به آنها اضافه کنید، این ماده در برابر خوردگی بسیار مقاوم می شود. اگر آلیاژی از تیتانیوم و زیرکونیوم ایجاد کنید، مقاومت اسیدی عنصر اول افزایش می‌یابد.

همچنین شایان ذکر است که همه آلیاژهای زیرکونیوم با فلزات دیگر با این واقعیت مشخص می شوند که در یک محدوده دمایی گسترده، چقرمگی خود را از دست نمی دهند، مقاومت در برابر شوک مکانیکی در سطح بسیار بالایی باقی می ماند. به عنوان مثال یک آلیاژ منیزیم با چند درصد روی و تنها چند دهم درصد زیرکونیوم است. فلز به دست آمده تقریبا دو برابر منیزیم استحکام دارد و همچنین می تواند استحکام خود را در دمای 200 درجه سانتیگراد حفظ کند.

شرح ویژگی ها

آلیاژهای زیرکونیوم به طور فعال در مناطقی مانند روکش عناصر سوخت، لوله های کانال سوخت و بخش های مختلف مجموعه های سوخت مورد استفاده قرار می گیرند. خود زیرکونیوم نیز با این واقعیت مشخص می شود که سطح مقطع جذب نوترون نسبتاً کم است. طبق این شاخص، پس از موادی مانند منیزیم و بریلیم در رتبه دوم قرار دارد. علاوه بر این، نقطه ذوب زیرکونیوم بسیار بالا است.

آلیاژهای زیرکونیوم مورد استفاده در صنایع مختلف با این واقعیت مشخص می شوند که مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی در آب، در مخلوط بخار و آب، در بخار اشباع و فوق گرم تا دمای حدود 350-360 درجه سانتیگراد دارند. همچنین شایان ذکر است که انتظار می‌رود این حد دما در آینده نزدیک به مقادیر بالاتر افزایش یابد.

پارامترهای آلیاژ

خواص آلیاژهای زیرکونیوم از نظر پایداری مکانیکی بسیار بالا است که نمی توان در مورد زیرکونیوم خالص گفت. با آلیاژسازی است که استحکام بالای مواد حاصل می شود. به عنوان مثال، آلیاژی مانند نیوبیم (Nb) و زیرکونیوم 1٪ (Zr) با این واقعیت مشخص می شود که مقاومت تسلیم ماده در دماهای 20، 200، 300 و 400 درجه سانتیگراد، 200، 160، 120 خواهد بود. و 90 مگاپاسکال. این آلیاژ به طور فعال برای روکش میله های سوخت استفاده می شود. و به عنوان مثال، اگر ترکیب آلیاژ زیرکونیوم را با نیوبیوم تغییر دهید، یعنی میزان زیرکونیوم را به 2.5٪ افزایش دهید، آنگاه استحکام تسلیم در همان دماها به 280، 220، 200 و 180 مگاپاسکال افزایش می یابد.

با این حال، چنین موادی معایب خود را دارند. معایب شامل این واقعیت است که آلیاژ زیرکونیوم زمانی که دما به 320-350 درجه سانتیگراد و بالاتر می رسد بسیار خزنده می شود. یکی دیگر از معایب این است که Zr به طور فعال هیدروژن را حل می کند، که اغلب در هنگام خوردگی رخ می دهد. به همین دلیل، موادی مانند هیدریدهای زیرکونیوم تشکیل می‌شوند که شکل‌پذیری مواد خام را تا حد زیادی کاهش می‌دهند که باعث شکنندگی فلز می‌شود.

زیرکونیوم در پزشکی

آلیاژهای زیرکونیوم به طور فعال در پزشکی استفاده می شود. دانشمندان از طریق آزمایشات دریافتند که حتی پوشیدن دستبندهای زیرکونیومی ساده می تواند به درمان برخی بیماری ها کمک کند و همچنین می تواند سلامت کلی فرد را افزایش دهد.

امروزه ایمپلنت ها (ریتینرها) اغلب در زمینه های پزشکی مانند تروماتولوژی و جراحی فک و صورت استفاده می شوند. فیکساتور برای شکستگی ها استفاده می شود، استخوان ها را ثابت می کند تا حرکت نکنند. در این موارد است که می توان مزایای استفاده از آلیاژهای زیرکونیوم را تشخیص داد: سازگاری بیولوژیکی بالا (به معنی عدم وجود واکنش های آلرژیک بدن انسان به چنین آلیاژی یا پس زدن)، ویژگی های استحکام بالای آلیاژ که بسیار مهم است. برای فیکساتورها همچنین شایان ذکر است که عدم رد یا حساسیت به چنین ماده ای منجر به این واقعیت می شود که اگر بدن به طور ناگهانی شروع به رد ایمپلنت کرد، نیازی به تکرار عمل جراحی برای برداشتن نگهدارنده نبود.

زیرکونیوم در صنعت انرژی هسته ای

تا دهه 50 قرن گذشته، اعتقاد بر این بود که زیرکونیوم برای استفاده در این زمینه مناسب نیست. با این حال، در دهه 50 بود. برای اولین بار ماده ای به دست آمد که کاملاً از ناخالصی مانند هافنیوم خالص شد. پس از خالص سازی، مشخص شد که زیرکونیوم خالص دارای سطح مقطع جذب نوترون حرارتی بسیار کوچکی است. این کیفیت بود که به اصلی ترین آن تبدیل شد و امکان استفاده از آلیاژهای زیرکونیوم را در صنعت انرژی هسته ای فراهم کرد.

باید اضافه کرد که زیرکونیوم خالص شده ساده را نمی توان استفاده کرد زیرا مقاومت به خوردگی در آب داغ بسیار کم بود. پس از آن تصمیم گرفته شد از آلیاژهای پایه زیرکونیوم استفاده شود. آنها ارزش خود را در راکتورهای خنک کننده با بخار و محیط های خورنده مشابه ثابت کرده اند.

کاربردهای عمومی آلیاژها

زیرکونیوم به طور گسترده ای به عنوان یک عنصر آلیاژی استفاده می شود. این به دلیل این واقعیت است که فلزاتی که این ماده به آنها اضافه می شود، مقاوم تر در برابر حرارت، مقاوم در برابر اسید و غیره می شوند. به این معنی که آلیاژ فلز و زیرکونیوم از نظر خصوصیات بسیار فراتر از مواد اولیه اولیه است.

فروزیرکونیوم بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. آلیاژ زیرکونیوم و آهن است. محتوای عنصر آلیاژی Zr به 20 درصد جرم کل می رسد. چنین ماده ای در متالورژی به عنوان اکسید زدا و گاز زدا برای فولاد استفاده می شود. به عنوان مثال، آلیاژهای آلومینیوم-زیرکونیوم، مقاوم‌ترین آلیاژها در برابر خوردگی هستند و در شبکه‌های کاتدی برای لوله‌های خلاء استفاده می‌شوند. محتوای Zr در چنین آلیاژی بیش از 3٪ از جرم کل نیست.

در متالورژی آهنی، علاوه بر فروزیرکونیوم، اغلب از آلیاژ Zr و سیلیکون استفاده می شود. برای گاز زدایی فولاد استفاده می شود. آلیاژ مس و زیرکونیوم به طور گسترده برای ساخت عناصر رسانا برای تجهیزات الکتریکی استفاده می شود.

پیدا کردن زیرکونیوم

شایان ذکر است که زیرکونیوم یک عنصر نسبتا کمیاب است. محتوای این ماده در پوسته زمین تجاوز نمی کند0.025 درصد وزنی زیرکونیوم رتبه دوازدهم جدول شیوع فلزات را به خود اختصاص داده است. این ماده خام کاملاً پراکنده است و بنابراین یافتن ذخایر بزرگ از آن بسیار دشوار است. این بیشتر به عنوان یک ترکیب شیمیایی واقع در لیتوسفر یافت می شود، زیرا زیرکونیوم خود یک عنصر لیتوفیل است.