Цирконий: металл и его свойства

Какие особенности? Цирконий – металл с атомным номером 40, известен своей коррозионной стойкостью, применяется в различных отраслях. Обладает выдающейся способностью поглощать нейтроны, что делает его ценным материалом для ядерной энергетики. Используется также в медицине для изготовления протезов и имплантатов благодаря биосовместимости и прочности.

Что учесть? С каждым годом открывают новые возможности использования циркония, что делает его востребованным металлом для научных исследований и инноваций в технологиях будущего.

История открытия циркония

В конце 80-х годов XVIII века член Берлинской академии наук М. Г. Клапрот проводил исследования драгоценного камня, который был привезен с берегов Цейлона. В процессе изучения им было выделено вещество, названное циркониевой землей.

У происхождения названия есть разные объяснения. Одни полагают, что оно происходит от арабского слова «заркун», т. е. минерал, другие – от персидских слов «цар», что означает золото, и «гун», которое переводится как цвет, поскольку драгоценная разновидность циркония (гиацинт) имеет золотистую окраску.

Вещество, выделенное в процессе исследований Клапротом, оказалось оксидом нового элемента (ZrO₂), который впоследствии был внесен Д. И. Менделеевым в периодическую систему под номером 40. Сам же чистый металл цирконий (Zr) был выделен спустя 35 лет после публикации результатов работы немецкого ученого в 1789 году.

Нахождение циркония в природе

Цирконий нельзя отнести к редкоземельным металлам. Его соединения достаточно часто встречаются в земной коре, по разным данным их содержание варьируется в пределах от 170 до 250 г/т. В природе насчитывается порядка 40 минералов, в которых присутствует этот химический элемент в виде окислов и солей.

В месторождениях присутствует фтороводород (Hf), изоморфно замещающий атомы циркония (Zr). Наиболее распространенными породами являются: циркон (ZrSiO₄ с содержанием 67,1 % ZrO₂ и 4 % HfO₂), бадделеит ZrO₂ (содержит до 73,9 % Zr и от 4 до 6 % HfO₂), сложные минералы (эвдиалит (Na, Ca)5(Zr, Fe, Mn)[O, OH, Cl][Si₆O₁₇] и т. п.).

Циркон – наиболее распространенный минерал циркониевой группы, который чаще всего можно наблюдать в гранитах и сиенитах. В графстве Гиндерсон (Северная Каролина, США) в пегматитах были обнаружены его кристаллы, достигающие нескольких сантиметров в длину, а на Мадагаскаре – монокристаллы, весящие несколько килограммов.

Бадделеит впервые обнаружен в 1892 году в Бразилии и на Шри-Ланке. Сейчас в районе Посус-ди-Калдас (Бразилия) находится его крупнейшее месторождение. Именно там обнаружили бадделеитовую глыбу весом почти 30 т. В воде и вдоль обрывов можно увидеть аллювиальную гальку – фавас (от португальского fava – боб), диаметр которой достигает 7,5 мм. Более чем на 90 % она состоит из двуоксида циркония.

Свойства циркония

Поговорим о том, какой металл цирконий. В чистом виде он твердый и пластичный, светло-серебристого цвета, легко поддающийся обработке. Минерал образует две разновидности кристаллической решетки.

При нагревании циркония до +863 °С гексагональная кристаллическая решетка α-Zr переходит в кубическую объемноцентрированную решетку β-Zr. При этом, если в составе нагреваемого элемента присутствуют другие компоненты, температура может меняться как в сторону повышения, так и в сторону понижения. Химические свойства минерала обуславливают его применение в ядерной промышленности, из него изготавливают теплопроводящие детали для атомных реакторов.

Поверхность минерала покрыта тонкой оксидной пленкой, поэтому при нормальных условиях он является инертным. Но порошкообразный цирконий способен самовоспламеняться при обычной температуре воздуха. Металл вступает в химическую реакцию с водородом, воздухом, азотом, кислородом, углеродом, водой, галогенами при нагревании выше +300 °С, образуя в результате тугоплавкие карбиды и нитриды.

Цирконий мало подвержен воздействию соляной кислоты и разбавленной серной кислоты (меньше 50 %). Реакция с азотной кислотой и с царской водкой возможна при нагревании до +100 °С и больше. Элемент вступает во взаимодействие с концентрированной серной кислотой и с плавиковой кислотой. Это единственный металл, устойчивым к воздействию щелочей и щелочных растворов, в том числе аммиачных.

Что касается пользы или вреда металла циркония, то его положительное влияние на организм и здоровье человека научно не доказано. Ученые полагают, что в данном случае действует эффект плацебо. Вреда от ношения циркониевых браслетов также не будет.

Физические свойства циркония

Кристаллическая решетка циркония в зависимости от условий окружающей среды может быть двух видов:

• α-форма – гексагональная плотноупакованная решетка (а = 3.228Å; с = 5,120Å);
• β-форма – кубическая объемноцентрированная решетка (а = 3,61Å).

Переход из одной формы в другую происходит при нагревании металла до температуры +862 °С.

Далее поговорим о свойствах металла циркония и том, где он используется.

Физические свойства металла:

• плотность составляет 6,45 г/см³ (при температуре окружающей среды +20°С);
• температура плавления равна +1825 °С;
• температура кипения варьируется от +3580 до +3700 °С;
• удельная теплоемкость (25–100 °С) составляет 0,291 кдж/(кг·К) [0,0693 кал/(г·°С)];
• коэффициент теплопроводности (50 °С) равен 20,96 вт/(м·К) [0,050 кал/(см·сек·°С)];
• температурный коэффициент линейного расширения (20–400°С) – 6,9·10-6;
• удельное электрическое сопротивление (20 °С) – 44,1 мком·см.

Присутствие в составе минерала водорода, углерода, азота или кислорода повышает его хрупкость. У чистого циркония:

• модуль упругости (20 °С) составляет 97 Гн/м²;
• предел прочности при растяжении равен 253 Мн/м²;
• твердость по Бринеллю варьируется в пределах от 640 до 670 Мн/м².

Применение циркония

Где используется металл цирконий? Сфера применения как самого минерала, так и его сплавов весьма широка: в ядерной промышленности, в медицине, в ювелирном деле. Из циркониевых сплавов изготавливают трубы, проволоку, прутки, слитки, листы, фольгу и т. п. Многокомпонентные смеси содержат циркониевый порошок, им же покрывают детали и конструкции для придания необходимых свойств и улучшения характеристик.

Ядерная энергетика

Из сплавов Zr изготавливают оболочки тепловыделяющих компонентов и труб, являющихся частями конструкции ядерных реакторов. Для повышения устойчивости металла к коррозии и воздействию радиации в его сплав добавляют 1–2,5 % легирующего элемента – ниобия (Nb) либо комплекс таких элементов: олово (Sn), ниобий (Nb), никель (Ni), железо (Fe). Свойствами, оптимально подходящими для ядерной энергетики, обладает цирконий марки Э110 (Zr-1 % Nb).

В соответствии с требованиями ТУ 95.166-83 цирконий Э110 состоит из 0,9–1,1 % ниобия (Nb), 0,003 % бериллия (Be), 0,05 % железа (Fe), 0,02 % никеля (Ni), 0,008 % алюминия (Al) и незначительного количества иных примесей. Оболочки тепловыделяющих элементов производят из циркониевых труб марок Э110 и Э110К.

В целом из циркония Э110 изготавливают прутки, листы, полосы, пластины, проволоку, ленту, отводы, фланцы и др. Листовой металл марки Э110, а также Э100 (без Nb в составе) и Э125 (с содержанием Nb от 2,4 до 2,7 %) используется для производства крышек топливных кассет, обшивки и корпусов ядерных реакторов.

Медицина

Не обходится без циркония и медицинская промышленность – благодаря своим химическим свойствам этот металл идеален для протезирования. Трущиеся части искусственных коленных и бедренных суставов покрывают циркониевым сплавом. Также из этого материала изготавливают пластины, применяемые в челюстно-лицевой хирургии.

Металл цирконий применяется в стоматологии. Его диоксид (ZrO₂) – оптимальный материал для производства зубных вкладок, коронок, керамических имплантатов. К тому же по ряду характеристик минерал превосходит титан, использующийся для аналогичных целей.

Формы выпуска металла диоксида циркония (ZrO₂) могут быть различными: кристаллический порошок, жидкая дисперсия, таблетки, гранулы, брикеты.

В медицине также используются метки из радиоактивного Zr. С их помощью отслеживают поведение в организме человека лекарственных препаратов, белков и антител. Натрия циркония циклосиликат – лекарственное средство для лечения гиперкалиемии и гиперфосфатемии. В настоящее время проводятся работы по созданию наномембран – соединений Zr с органическими веществами, задача которых будет заключаться в подавлении роста болезнетворных бактерий, контроле выделения лекарств, распределении газов и пр.

Металлургия

Применяется цирконий и в металлургической промышленности. Металл в процессе нагревания поглощает газы, включая кислород, что позволяет использовать его в качестве раскислителя при легировании стали, чугуна, цветных металлов и сплавов. Zr лежит в основе специальных вспомогательных сплавов – лигатур.

В российской металлургии чаще всего используют лигатуру силико-циркония (ферросиликоциркония) ZrSi₂ марки ЦрСА, изготовленную в соответствии с ТУ 14-141-78-81. Она состоит из Zr (35–50 %) и Si (30–45 %), а также из Al, Fe и других примесей.

При добавлении в емкость с жидкой сталью цирконий вступает в реакцию с растворенным кислородом, образуя нерастворимый оксид, который удаляют как шлак. Сталь в отсутствии кислородных пузырьков приобретает большую прочность, оставаясь при этом достаточно вязкой. Кроме того, Zr способствует повышению коррозионной устойчивости металлов. Циркониевые огнеупорные кирпичи и плиты используют в литейном деле для футеровки ванн высокотемпературных печей для обработки стали, кладки печей для плавления алюминия.

Пиротехника

Благодаря своим свойствам – низкой температуре самовоспламенения циркониевого порошка (от +180 до +250 °C), высокой температуре горения в кислороде (до +3000 °С) и быстроте сгорания – цирконий представляет оптимальную основу воспламенительных составов для капсуль-детонаторов пиротехнических изделий, трассирующих патронов, осветительных ракет, салютов, фейерверков. При добавлении окислителей, к примеру, нитрата бария (Ba(NO₃)₂) и хлорноватокислого калия (KClO₃), получают бездымный порох.

Основу пиротехнической смеси составляет чистый металлический порошок циркония марки ПЦрК, изготовленный в соответствии с ТУ 48-4-234-84. Объем примесей в нем должен быть не более 0,1 %. В состав смеси входят также фосфаты двухвалентных металлов и окислители, например, фосфат магния Mg₃(PO₄)₂, фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂ или фосфат бария Ba₃(PO₄)₂ и окислители: хромат бария BaCrO₄, SrCrO₄ или др. Эти компоненты снижают чувствительность к трению и скорость горения, обеспечивают надежность воспламенения.

Легкая промышленность

Не обходится без Zr и легкая промышленность, в частности, отрасли, производящие товары народного потребления (керамику, фарфор, стекло, глазури, эмали и др.). Для придания изделиям прочности, устойчивости к воздействию кислот и щелочей в их состав добавляют порошкообразную двуокись циркония. ZrO₂ также придает эмали белый цвет.

Кроме того, циркониевую керамику используют для изготовления ножей, посуды, в том числе жаропрочной. Широким спросом изделия из металла циркония обязаны своим гигиеническим свойствам, обусловленным гладкой, непористой, устойчивой к негативному воздействию химических веществ поверхностью. Соли металла содержатся в типографских красках, лаках и пластмассах, увеличивая срок их службы.

Другие области применения циркония

Ювелиры используют металл цирконий для создания украшений при необходимости найти замену драгоценным элементам. Например, фианиты (кристаллы диоксида циркония ZrO₂) выступают в качестве имитации бриллиантов. Из них также изготавливают плоские оптические линзы с большим коэффициентом преломления. Карбид циркония – материал для изготовления жаропрочных сопел, реакторов, конструктивных элементов двигателей в космическом судостроении. Гидрид металла входит в состав ракетного топлива.

Благодаря этому расширяются перспективы использования нового материала, к примеру, для производства керамических двигателей внутреннего сгорания. В целом же это означает, что на сегодняшний день минерал раскрыл далеко не все свои свойства, а область его применения в дальнейшем будет только расти.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.