Hợp kim Zirconium: thành phần, tính chất, ứng dụng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Việc sử dụng hợp kim zirconium hiện đang khá phổ biến trong y học và năng lượng hạt nhân. Trong các ngành công nghiệp khác, vật liệu này cũng được sử dụng, nhưng ở mức độ ít hơn. Điều đáng chú ý là các hợp kim khác nhau từ nguyên liệu thô này đã trở nên phổ biến. Tự nó, zirconium đã không trở thành một vật liệu phổ biến, vì chất lượng của nó kém hơn nhiều so với hợp kim của cùng một kim loại.

Thông tin chung

Zirconium (Zr) là một nguyên tố trong bảng tuần hoàn có số hiệu nguyên tử là 40 và trọng lượng nguyên tử là 91,22. Ở điều kiện thường và ở điều kiện thường, vật liệu này là một kim loại bóng, có màu trắng bạc. Mật độ của nguyên liệu thô như vậy đạt tới 6,45 g / cm3. Kim loại này ở dạng tinh khiết, không chứa bất kỳ tạp chất nào, được phân biệt bởi thực tế là nó có độ dẻo rất cao, rất dễ gia công cả nóng và lạnh. Điều đáng chú ý ở đây là vật liệu thô này, chẳng hạn như titan, sẽ mất mạnh tính chất cơ học của nó nếu nó được kết hợp với các tạp chất của các chất phi kim loại. Zirconium và oxy được coi là những hợp chất tồi tệ nhất.

Thuộc tính vật liệu vàhợp kim

Bản thânZirconium được phân biệt bởi thực tế là nó có khả năng chống lại các axit khác nhau khá cao. Nguyên liệu thô này không hòa tan trong môi trường như axit nitric và clohydric hoặc kiềm. Tính năng này là chìa khóa. Trên cơ sở của nó, nhiều hợp kim zirconi được tạo ra. Ví dụ, nếu bạn lấy các hợp kim magiê đa thành phần và thêm một nguyên tố như zirconium vào chúng, vật liệu sẽ trở nên chống ăn mòn tốt hơn nhiều. Nếu bạn tạo ra hợp kim titan và zirconi, thì khả năng chống axit của nguyên tố đầu tiên sẽ tăng lên.

Cũng cần lưu ý rằng tất cả các hợp kim của zirconi với các kim loại khác đều có đặc điểm là chúng không bị mất độ dẻo dai trong một khoảng nhiệt độ rộng, khả năng chống va đập cơ học vẫn ở mức rất cao. Một ví dụ là hợp kim magiê với một vài phần trăm kẽm và chỉ một vài phần mười một phần trăm zirconium. Kim loại tạo thành sẽ mạnh gần gấp đôi magiê và nó cũng có thể duy trì độ bền ở nhiệt độ lên đến 200 độ C.

Mô tả các tính năng

Hợp kim Zirconium được sử dụng tích cực nhất trong các lĩnh vực như bọc phần tử nhiên liệu, ống dẫn nhiên liệu và các bộ phận khác nhau của cụm nhiên liệu. Bản thân Zirconium cũng có đặc điểm là tiết diện hấp thụ neutron khá thấp. Theo chỉ số này, nó chỉ đứng sau các chất như magiê và berili. Ngoài ra, điểm nóng chảy của zirconi rất cao.

Hợp kim Zirconium được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau có đặc điểm là chúng có khả năng chống ăn mòn rất cao trong nước, trong hỗn hợp hơi nước, trong hơi nước bão hòa và quá nhiệt lên đến nhiệt độ khoảng 350-360 độ C. Cũng cần lưu ý rằng giới hạn nhiệt độ này dự kiến sẽ được nâng lên giá trị cao hơn trong tương lai gần.

Thông số hợp kim

Tính chất của hợp kim zirconi về độ ổn định cơ học là khá cao, không thể nói đến zirconi nguyên chất. Đó là bằng cách hợp kim mà đạt được độ bền cao của vật liệu. Ví dụ, một hợp kim như niobi (Nb) và 1% zirconi (Zr) sẽ được đặc trưng bởi thực tế là cường độ chảy của vật liệu ở nhiệt độ 20, 200, 300 và 400 độ C sẽ là 200, 160, 120 và 90 MPa. Hợp kim này được sử dụng tích cực để bọc thanh nhiên liệu. Và, ví dụ: nếu bạn thay đổi thành phần của hợp kim zirconi bằng niobi, tức là tăng hàm lượng zirconi lên 2,5%, thì cường độ chảy sẽ tăng lên 280, 220, 200 và 180 MPa, ở cùng nhiệt độ.

Tuy nhiên, những vật liệu như vậy có nhược điểm của chúng. Những bất lợi bao gồm thực tế là hợp kim với zirconium trở nên quá rùng rợn khi nhiệt độ lên tới 320-350 độ C trở lên. Một nhược điểm khác là Zr tích cực hòa tan hydro, thường xảy ra trong quá trình ăn mòn. Do đó, các chất như hyđrua zirconi sẽ được hình thành, làm giảm đáng kể độ dẻo của nguyên liệu thô, khiến kim loại trở nên giòn hơn.

Zirconium trong y học

Hợp kim Zirconium được sử dụng khá tích cực trong y học. Các nhà khoa học thông qua các thí nghiệm đã phát hiện ra rằng ngay cả việc đeo những chiếc vòng tay đơn giản bằng zirconium cũng có thể giúp điều trị một số bệnh và nó cũng có thể làm tăng sức khỏe tổng thể của một người.

Ngày nay, cấy ghép (giữ lại) thường được sử dụng trong các lĩnh vực y học như chấn thương và phẫu thuật hàm mặt. Dụng cụ cố định được sử dụng cho gãy xương, cố định xương để chúng không di chuyển. Trong những trường hợp này, người ta có thể phân biệt những ưu điểm như vậy của việc sử dụng hợp kim zirconi như: tính tương hợp sinh học cao (có nghĩa là không có phản ứng dị ứng của cơ thể con người với hợp kim đó hoặc bị từ chối), đặc tính độ bền cao của hợp kim, điều này rất quan trọng cho người định hình. Cũng cần lưu ý rằng việc không bị đào thải hoặc dị ứng với một chất như vậy dẫn đến thực tế là không cần lặp lại hoạt động phẫu thuật để loại bỏ chất giữ lại nếu cơ thể đột nhiên bắt đầu từ chối bộ phận cấy ghép.

Zirconium trong ngành điện hạt nhân

Cho đến những năm 50 của thế kỷ trước, người ta tin rằng zirconium không thích hợp để sử dụng trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, đó là vào những năm 50. Lần đầu tiên, một vật liệu được tinh chế hoàn toàn khỏi một tạp chất như hafnium. Sau khi tinh chế, người ta thấy rằng zirconi tinh khiết có tiết diện hấp thụ nơtron nhiệt rất nhỏ. Chính chất lượng này đã trở thành yếu tố chính và khiến hợp kim zirconium có thể được sử dụng trong ngành điện hạt nhân.

Cần phải nói thêm rằng không thể sử dụng zirconi tinh khiết đơn giản vì khả năng chống ăn mòn trong nước nóng quá thấp. Sau đó, nó đã được quyết định sử dụng các hợp kim dựa trên zirconium. Chúng đã chứng minh được giá trị của mình trong các lò phản ứng làm mát bằng hơi nước và các môi trường ăn mòn tương tự.

Các ứng dụng chung của hợp kim

Zirconium được sử dụng rộng rãi như một nguyên tố hợp kim. Điều này là do thực tế là các kim loại mà chất này được thêm vào trở nên bền nhiệt hơn, bền với axit hơn, v.v. Đó là, hợp kim của kim loại và zirconi vượt quá nhiều so với nguyên liệu thô ban đầu về các đặc tính của nó.

Ferrozirconium được sử dụng khá rộng rãi. Nó là một hợp kim của zirconium và sắt. Hàm lượng của nguyên tố hợp kim Zr đạt 20% tổng khối lượng. Một chất như vậy được sử dụng trong luyện kim như một chất khử oxy và khử khí cho thép. Ví dụ, hợp kim nhôm-zirconi được coi là hợp kim chống ăn mòn tốt nhất và được sử dụng trong lưới âm cực cho ống chân không. Hàm lượng Zr trong một hợp kim như vậy không quá 3% tổng khối lượng.

Trong luyện kim đen, ngoài ferrozirconium, người ta thường sử dụng hợp kim của Zr và silicon. Nó được sử dụng để khử khí thép. Hợp kim của đồng và zirconi được sử dụng rộng rãi để sản xuất các phần tử dẫn điện cho thiết bị điện.

Tìm zirconium

Cần lưu ý rằng zirconium là một nguyên tố khá hiếm. Hàm lượng chất này trong vỏ trái đất không vượt quá0,025% khối lượng. Zirconium chiếm hàng thứ mười hai trong bảng kim loại phổ biến. Nguyên liệu thô này khá phân tán, và do đó rất khó tìm thấy bất kỳ mỏ lớn nào của nó. Nó thường được tìm thấy nhất là một hợp chất hóa học nằm trong thạch quyển, vì bản thân zirconi là một nguyên tố thạch anh.