Цирконий (Zr) – цветной металл серебристо-серого цвета. В чистом виде цирконий химически неустойчив, поэтому в природе встречается только в составе минералов. Самые распространённые минералы, используемые для получения цирконий содержащего рудного концентрата – сырья для производства металлического циркония: циркон (ZrSiO4), бадделеит (ZrO2), эвдиалит (Na,Ca,Fe)8ZrSi6O17(OHCl), эвколит, кальдасит и др.
Свойства циркония
Цирконий отличается высокой пластичностью, теплопроводностью, жаростойкостью, износоустойчивостью, исключительной коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Наряду с этим, цирконий парамагнитен, способен удерживать рентгеновское излучение, нейтрален к воздействию биологических сред, превосходя по этому параметру титан, имеет низкую температуру самовоспламенения и ряд других уникальных характеристик.
Применение циркония
Чистый цирконий и его сплавы широко используют во многих отраслях промышленности, от ядерной энергетики и химического аппаратостроения, до производства медицинского инструмента и ювелирного дела. В качестве конструкционного материала применяются трубы, проволока, прутки, слитки, листы, фольга из циркониевых сплавов. Для специальных технологических покрытий и приготовления многокомпонентных смесей используют порошок циркония.
Ядерная энергетика
Циркониевые сплавы выступают основным материалом для оболочек ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), канальных и труб, являющихся чехлами водо-водяных и кипящих энергетических реакторов. Чтобы повысить сопротивление циркония к радиационной ползучести и коррозии, разработаны его сплавы с основной легирующей добавкой 1%–2,5% ниобия (Nb), а так же сплавы с комплексом легирующих элементов: оловом (Sn), ниобием (Nb), никелем (Ni), железом (Fe). По совокупности характеристик наибольшее распространение в российской ядерной энергетике получил цирконий марки Э110 (Zr-1%Nb).
Рисунок 1. ТВЭЛ
В состав циркония Э110 по ТУ 95.166-83 входят ниобий (Nb) 0,9−1,1%, бериллий (Be) 0,003%, железо (Fe) 0,05%, никель (Ni) 0,02%, алюминий (Al) 0,008% и другие примеси в незначительном объёме. Для оболочек ТВЭЛов используют трубу марки Э110 и Э110К. Общий сортамент циркония Э110 включает в себя пруток, лист, полосу, пластины, проволоку, ленту, отводы, фланцы и другие элементы под заказ. Из листового циркония марок Э110, а так же Э100 (Nb отсутствует) и Э125 (Nb 2,4-2,7%) изготавливают крышки топливных кассет, обшивки и корпуса ядерных реакторов.
Медицина
В медицине цирконий используют для протезирования. Из диоксида циркония ZrO2 изготавливают зубные вкладки, коронки, керамические имплантаты, превосходящие по ряду параметров титановые. Когда десна отходит от шейки зуба, оголяя её, белая керамика выглядит эстетичнее, чем тёмная из титана. Цирконием покрывают трущиеся поверхности искусственных коленных и бедренных суставов, из него делают пластины для челюстно-лицевой хирургии. Диоксид циркония ZrO2 выпускается в виде сверхтонкого кристаллического порошка, жидкой дисперсии, таблеток, гранул, брикетов.
Радиоактивный цирконий в виде меток применяется для отслеживания поведения лекарств, антител, белков в организме человека. Натрия циркония циклосиликат используют для лечения гиперкалиемии и гиперфосфатемии. Сейчас учёные работают над созданием металлоорганических соединений циркония – наномембран (каркасов), состоящих из металла и органики, с помощью которых можно подавлять рост бактерий, контролировать выделение лекарств, распределение газов и многое другое.
Металлургия
Благодаря способности циркония при нагревании поглощать газы, в том числе кислород, его применяют в качестве высокоэффективного раскислителя при легировании стали, чугуна, цветных металлов и сплавов, например, меди (12-14% Zr). Для этих целей на основе циркония производят вспомогательные сплавы (лигатуры). В отечественной металлургии для легирования стали наиболее распространённой является лигатура силико-цирконий (ферросиликоцирконий) ZrSi2 марки ЦрСА по ТУ 14-141-78-81, содержащая Zr 35-50% и Si 30-45%, остальное Al, Fe и примеси.
Когда цирконий присаживают в ковш с жидкой сталью, в результате его реакции с растворенным кислородом образуется нерастворимый оксид, который всплывает и удаляется как шлак. Избавляясь от газовых пузырей кислорода, сталь становится более прочной, но не теряет вязкости. Так же цирконий добавляют в металлы для повышения их коррозионной стойкости. Помимо этого, в литейном производстве применяют цирконистые огнеупоры (огнеупорные кирпичи и плиты) для футеровки ванн высокотемпературных печей для закалки сталей, для кладки печей для плавки алюминия.
Пиротехника
Низкая температура самовоспламенения порошкообразного металлического циркония (180-250°C), высокая температура горения в кислороде (до 3000°С) и большая скорость сгорания делают его идеальной основой воспламенительных составов для капсуль-детонаторов пиротехнических изделий, трассирующих патронов, осветительных ракет, салютов, фейерверков. В смеси с окислителями, такими как нитрат бария Ba(NO3)2 и хлорноватокислый калий (бертолетова соль) KClO3`, цирконий образует бездымный порох.
Для основы пиротехнической смеси используют чистый металлический порошок циркония марки ПЦрК по ТУ 48-4-234-84, где объем примесей не превышает 0,1 процента. Чтобы снизить чувствительность к трению, обеспечить надёжность воспламенения и снизить скорость горения, к цирконию в определённых пропорциях добавляют фосфаты двухвалентных металлов и окислители. Например, фосфат магния Mg3(PO4)2, или фосфат кальция Ca3(PO4)2, или фосфат бария Ba3(PO4)2, и окислители: хромат бария BaCrO4, или SrCrO4, или другие.
Лёгкая промышленность
Цирконий очень широко используется в лёгкой промышленности, выпускающей предметы народного потребления. Значительную долю в этой сфере занимают керамика, фарфор, стекло, глазури, эмали. Добавление в их состав порошка двуокиси циркония ZrO2 повышает прочность (за счёт образования кубической кристаллической решетки), щелоче- и кислотоустойчивость, препятствует растрескиванию изделий, а эмали придаёт белый цвет.
В контексте сказанного следует отметить популярные сегодня кухонные ножи из циркониевой керамики, а также керамическую глазурованную посуду, обладающую превосходными гигиеническими свойствами благодаря гладкой, непористой, химически стойкой поверхности. Особое место занимает жаропрочная керамика. Соли циркония применяют для производства типографских красок, разного рода лаков, которые не темнеют со временем, а также пластмасс.
Рисунок 2. Нож из циркониевой керамики
Другие области применения циркония
Цирконий применяют в ювелирной промышленности как заменитель благородных металлов. Знаменитый синтетический ювелирный камень фианит – кристаллы диоксида циркония ZrO2, используют в украшениях в качестве имитации бриллиантов, а также для производства плоских оптических линз с большим коэффициентом преломления. Из карбида циркония делают жаропрочные сопла, реакторы, конструктивные элементы двигателей для аэрокосмической техники. Гидрид циркония является компонентом ракетного топлива.
Рисунок 3. Фианит
Из ковкого циркония делают химически стойкие центрифуги и насосы, лопасти турбин, поршни. Относительно недавно учёные обнаружили, что прочность борида циркония – керамики, полученной путем спекания порошка чистого бора и циркония, возрастает при нагреве. Это открывает большие перспективы для нового материала, например, для создания керамических двигателей внутреннего сгорания, и означает, что сферы использования металлического циркония ещё далеко не исчерпаны перечисленными выше областями.
