سبائك الزركونيوم: التركيب ، الخصائص ، التطبيق

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

ينتشر استخدام سبائك الزركونيوم حاليًا في الطب والطاقة النووية. في الصناعات الأخرى ، يتم استخدام هذه المواد أيضًا ، ولكن بدرجة أقل. تجدر الإشارة إلى أن السبائك المختلفة من هذه المادة الخام قد اكتسبت شعبية. في حد ذاته ، الزركونيوم لم يصبح مادة شائعة ، لأن جودته أسوأ بكثير من جودة سبيكة من نفس المعدن.

معلومات عامة

الزركونيوم (Zr) هو عنصر من عناصر الجدول الدوري ، وعدده الذري 40 ووزنه الذري 91.22 ، في ظل الظروف العادية وتحت الظروف العادية ، هذه المادة عبارة عن معدن لامع ذو صبغة بيضاء فضية. تصل كثافة هذه المواد الخام إلى 6.45 جم / سم3. يتميز هذا المعدن في شكله النقي ، والذي لا يحتوي على أي شوائب ، بحقيقة أنه يتمتع بليونة عالية جدًا ، كما أنه من السهل جدًا معالجته على حدٍ سواء باردًا وساخنًا. وتجدر الإشارة هنا إلى أن هذه المادة الخام ، مثل التيتانيوم ، على سبيل المثال ، ستفقد بشكل حاد خصائصها الميكانيكية إذا تم دمجها مع شوائب من مواد غير معدنية. يعتبر الزركونيوم والأكسجين أسوأ المركبات.

خصائص المواد وسبيكة

يتميز الزركونيوم نفسه بحقيقة أنه يتمتع بمقاومة عالية إلى حد ما لمختلف الأحماض. لا تذوب هذه المادة الخام في بيئة مثل حمض النيتريك والهيدروكلوريك أو القلويات. هذه الميزة هي المفتاح. على أساسها ، يتم إنشاء العديد من سبائك الزركونيوم. على سبيل المثال ، إذا أخذت سبائك مغنيسيوم متعددة المكونات وأضفت إليها عنصرًا مثل الزركونيوم ، فستصبح المادة أكثر مقاومة للتآكل. إذا قمت بإنشاء سبيكة من التيتانيوم والزركونيوم ، فستزيد المقاومة الحمضية للعنصر الأول.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن جميع سبائك الزركونيوم مع المعادن الأخرى تتميز بحقيقة أنها لا تفقد صلابتها في نطاق درجات حرارة واسع ، وتظل مقاومة الصدمات الميكانيكية عند مستوى عالٍ جدًا. ومن الأمثلة على ذلك سبيكة من المغنيسيوم تحتوي على نسبة قليلة من الزنك وأعشار قليلة من نسبة الزركونيوم. سيكون المعدن الناتج ضعف قوة المغنيسيوم تقريبًا ، وسيكون أيضًا قادرًا على الحفاظ على قوته عند درجات حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية.

وصف الميزات

تُستخدم سبائك الزركونيوم بشكل أكثر نشاطًا في مجالات مثل تكسية عناصر الوقود وأنابيب قنوات الوقود وأجزاء مختلفة من مجموعات الوقود. يتميز الزركونيوم نفسه أيضًا بحقيقة أن المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات منخفض نوعًا ما. وفقًا لهذا المؤشر ، فهو في المرتبة الثانية بعد مواد مثل المغنيسيوم والبريليوم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن درجة انصهار الزركونيوم عالية جدًا.

تتميز سبائك الزركونيوم المستخدمة في الصناعات المختلفة بحقيقة أنها تتمتع بمقاومة عالية جدًا للتآكل في الماء ، في خليط البخار والماء ، في بخار مشبع ومسخن للغاية تصل درجة حرارته إلى حوالي 350-360 درجة مئوية. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه من المتوقع رفع حد درجة الحرارة هذا إلى قيم أعلى في المستقبل القريب.

معلمات سبيكة

خصائص سبائك الزركونيوم من حيث الاستقرار الميكانيكي عالية جدًا ، وهو ما لا يمكن قوله عن الزركونيوم النقي. يتم تحقيق القوة العالية للمادة عن طريق صناعة السبائك. على سبيل المثال ، سبيكة مثل النيوبيوم (Nb) و 1٪ زركونيوم (Zr) ستتميز بحقيقة أن مقاومة الخضوع للمادة عند درجات حرارة 20 و 200 و 300 و 400 درجة مئوية ستكون 200 و 160 و 120 و 90 ميجا باسكال. تستخدم هذه السبيكة بنشاط في تكسية قضبان الوقود. وعلى سبيل المثال ، إذا قمت بتغيير تكوين سبيكة الزركونيوم بالنيوبيوم ، أي زيادة محتوى الزركونيوم إلى 2.5٪ ، فإن مقاومة الخضوع ستزيد إلى 280 ، 220 ، 200 و 180 ميجا باسكال ، عند نفس درجات الحرارة.

لكن هذه المواد لها عيوبها. تشمل العيوب حقيقة أن سبيكة الزركونيوم تبين أنها مخيفة للغاية عندما تصل درجة الحرارة إلى 320-350 درجة مئوية وما فوق. عيب آخر هو أن Zr يذيب الهيدروجين بشكل فعال ، والذي يحدث غالبًا أثناء التآكل. لهذا السبب ، سيتم تكوين مواد مثل هيدريد الزركونيوم ، مما يقلل بشكل كبير من ليونة المادة الخام ، مما يجعل المعدن أكثر هشاشة.

الزركونيوم في الطب

تستخدم سبائك الزركونيوم بنشاط كبير في الطب. اكتشف العلماء من خلال التجارب أنه حتى ارتداء أساور بسيطة من الزركونيوم يمكن أن يساعد في علاج بعض الأمراض ، ويمكن أن يزيد أيضًا من رفاهية الشخص بشكل عام.

اليوم ، غالبًا ما تستخدم الغرسات (المثبتات) في مجالات الطب مثل جراحة الصدمات وجراحة الوجه والفكين. تستخدم المثبتات للكسور وتثبيت العظام بحيث لا تتحرك. في هذه الحالات يمكن للمرء أن يميز مزايا استخدام سبائك الزركونيوم مثل: التوافق البيولوجي العالي (بمعنى عدم وجود تفاعلات حساسية من جسم الإنسان لمثل هذه السبيكة أو الرفض) ، خصائص عالية القوة للسبائك ، وهو أمر مهم للغاية للمثبتات. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن عدم الرفض أو الحساسية لمثل هذه المادة أدى إلى حقيقة أنه لا داعي لتكرار العملية الجراحية لإزالة التوكيل إذا بدأ الجسم فجأة في رفض الزرع.

الزركونيوم في صناعة الطاقة النووية

حتى الخمسينيات من القرن الماضي ، كان يُعتقد أن الزركونيوم لم يكن مناسبًا للاستخدام في هذا المجال. ومع ذلك ، كان ذلك في الخمسينيات. لأول مرة ، تم الحصول على مادة تمت تنقيتها تمامًا من شوائب مثل الهافنيوم. بعد التنقية ، اتضح أن الزركونيوم النقي يحتوي على مقطع عرضي صغير جدًا لامتصاص النيوترون الحراري. كانت هذه هي الجودة التي أصبحت الميزة الرئيسية وجعلت من الممكن استخدام سبائك الزركونيوم في صناعة الطاقة النووية.

يجب إضافة أنه ببساطة لا يمكن استخدام الزركونيوم المنقى لأن مقاومة التآكل كانت منخفضة جدًا في الماء الساخن. بعد ذلك تقرر استخدام سبائك أساسها الزركونيوم. لقد أثبتوا جدواهم في المفاعلات المبردة بالبخار والبيئات المسببة للتآكل المماثلة.

التطبيقات العامة للسبائك

يستخدم الزركونيوم على نطاق واسع كعنصر صناعة السبائك. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن المعادن التي تُضاف إليها هذه المادة تصبح أكثر مقاومة للحرارة ، ومقاومة للأحماض ، إلخ. أي أن سبيكة المعدن والزركونيوم تتجاوز بشكل كبير المادة الخام الأولية في خصائصها.

يستخدم فيروزركونيوم على نطاق واسع. إنها سبيكة من الزركونيوم والحديد. يصل محتوى عنصر السبائك Zr إلى 20٪ من الكتلة الكلية. تستخدم هذه المادة في علم المعادن كمزيل للأكسدة ومزيل الغازات للصلب. سبائك الألومنيوم والزركونيوم ، على سبيل المثال ، تعتبر الأكثر مقاومة للتآكل وتستخدم في شبكات الكاثود للأنابيب المفرغة. محتوى Zr في سبيكة كهذه لا يزيد عن 3٪ من الكتلة الكلية

في علم المعادن الحديدية ، بالإضافة إلى الفيروزركونيوم ، غالبًا ما يتم استخدام سبيكة من Zr والسيليكون. يتم استخدامه لتفريغ الصلب. يتم استخدام سبيكة من النحاس والزركونيوم على نطاق واسع لتصنيع العناصر الموصلة للمعدات الكهربائية.

العثور على الزركونيوم

تجدر الإشارة إلى أن الزركونيوم عنصر نادر إلى حد ما. محتوى هذه المادة في قشرة الأرض لا يتجاوز0.025٪ بالوزن. يحتل الزركونيوم المرتبة الثانية عشرة في جدول انتشار المعادن. هذه المادة الخام مشتتة تمامًا ، وبالتالي من الصعب جدًا العثور على أي رواسب كبيرة منها. هو الأكثر شيوعًا كمركب كيميائي موجود في الغلاف الصخري ، حيث أن الزركونيوم نفسه هو عنصر ليثوفيلي.