Цирконий

      Цирконий - химический элемент, относится к числу тугоплавких элементов, символ Zr (лат. Zirkonium, от перс. zargun — золотой камень; открыт в 1879 году; название происходит от названия минерала циркония, содержащего элемент). Имеет порядковый номер 40, атомный вес 91, 22, плотность 6, 45 г/см³, температуру плавления 1855°С, температуру кипения 4340°С.

      Цирконий существует в двух модификациях. До 863°С устойчивой является модификация α с гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой, а от 863°С и до температуры плавления — модификация β с объёмноцентрированной кубической кристаллической решёткой. При полиморфных превращениях происходит значительное изменение объёма циркония.


      Чистый цирконий обладает очень высокой пластичностью, которая сохраняется даже при температуре жидкого азота. Однако прочностные характеристики циркония невысоки. Примеси, присутствующие в цирконии, как правило, повышают его прочность и уменьшают пластичность. Предел прочности и предел текучести циркония резко уменьшаются с повышением температуры и становятся весьма малыми уже при 500°С, при температуре выше 400°С интенсивно развивается и ползучесть. Прочностные свойства циркония существенно повышаются путём нагартовки. Наиболее сильное упрочнение при холодной деформации достигается при степенях обжатия примерно до 20%.

      Компактный цирконий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. На него не действуют концентрированная соляная и азотная кислоты, а также органические кислоты даже при нагревании до 100°С. По коррозионной стойкости в соляной кислоте цирконий уступает только танталу и благородным металлам.

      Цирконий устойчив в горячих концентрированных растворах едкого натра и обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью при комнатной температуре в обычной и морской воде. При нагревании он устойчив в воде вплоть до 360°С. При более высоких температурах скорость коррозии циркония сильно возрастает. Для длительной работы в водяном паре при температурах, превышающих 427°С, цирконий непригоден.

      Серная кислота относительно слабо действует на цирконий при концентрации менее 70%, но с повышением концентрации скорость коррозии циркония резко возрастает. Царская водка, плавиковая и концентрированная фосфорная кислоты растворяют цирконий. Хлорная и бромная воды быстро вызывают точечную коррозию циркония.

      Коррозионная стойкость циркония резко снижается под влиянием примесей: азота, углерода, титана, алюминия. Железо, никель и хром увеличивают коррозионную стойкость циркония. Сплавы циркония с оловом, дополнительно легированные железом, никелем или хромом, обладают весьма высокой коррозионной стойкостью.

      Цирконий взаимодействует с газами при относительно низких температурах. Наиболее интенсивно он реагирует с водородом. Циркониевый порошок или губка поглощают водород при комнатной температуре. С повышением температуры скорость взаимодействия между ними увеличивается. Поглощение цирконием водорода сопровождается значительным увеличением объёма металла. При температурах выше 800°С водород можно практически полностью удалить из циркония вакуумной экстракцией. Водород, растворяющийся в цирконии, существенно уменьшает его ударную вязкость при низких температурах. Водородная хрупкость циркония обнаруживается уже при содержании в нём водорода 0,001%. Водородная хрупкость циркония наблюдается также и после закалки с температур выше 315°С и последующего старения при температурах ниже 260°С.

      Порошкообразный цирконий очень пирофорен. Тонкая стружка и опилки циркония легко загораются. При наличии в воздухе определённой концентрации циркониевой пыли и источника нагрева может произойти взрыв.

      До последнего времени цирконий применяли главным образом в виде соединений и легирующих добавок к сплавам. Значительная часть его шла на изготовление высококачественных огнеупоров на основе двуокиси циркония, обладающей высокой температурой плавления, а также для изготовления специальных сортов фарфора, эмали и стекла. В форме металлического порошка цирконий находит применение во взрывчатках, зажигательных и осветительных смесях и в качестве геттера в различных электровакуумных приборах. Высокие антикоррозионные свойства циркония делают его пригодным для изготовления деталей химической аппаратуры и медицинского инструмента.

      В производстве стали цирконий используется в качестве раскислителя, дегазатора и легирующего элемента. Добавка циркония в хромистые, никелевые, марганцовистые и в другие легированные стали резко повышает их пластические свойства; циркониевые стали хорошо свариваются.

      Добавки даже незначительных количеств циркония или его соединений с фтором к литейным алюминиевым сплавам делают их мелкозернистыми, повышают пластичность и прочностные свойства. В таком же направлении действуют добавки циркония на магний и его сплавы.

      В вакуумных лампах используют сплавы циркония с вольфрамом, что обеспечивает большую их жаростойкость, чем при применении вольфрама, молибдена, ванадия и ряда других металлов.

      Наиболее широкой областью применения циркония в настоящее время являются атомные реакторы, где он выступает в качестве основного конструкционного материала. Это обусловлено малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов циркония, сочетающимся с высокой коррозионной стойкостью, высокой пластичностью и хорошей его обрабатываемостью. Кроме того, вследствие небольшого модуля упругости и исключительно малого коэффициента термического расширения возникающие при высоких температурах термические напряжения у циркония меньше, чем у стали и ряда других материалов.

      Для изготовления конструкционных элементов атомных реакторов чаще всего, наряду с берилием, используют циркониевые сплавы. Легирующие добавки повышают прочность и теплопрочность циркония, а также нейтрализуют вредное влияние примесей. Обычно цирконий легируют оловом, алюминием, молибденом и ниобием, т.е. элементами, имеющими относительно малое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов.

      Прочностные свойства и сопротивление ползучести при высоких температурах наиболее сильно повышают олово и алюминий, а молибден и ниобий оказывают более энергичное упрочняющее действие при комнатной температуре. Олово нейтрализует вредное влияние азота и углерода на коррозионную стойкость циркония при работе в воде и водяном паре. Это действие усиливается при одновременном введении с оловом железа, никеля и хрома.

      Примерами промышленных циркониевых сплавов для атомных реакторов могут служить сплавы циркалой-2 и циркалой-3. Химический состав и механические свойства этих сплавов приведены здесь.