В свободном состоянии представляет собой блестящий металл. Не содержащий примесей цирконий пластичен и легко поддаeтся горячей и холодной обработке. О дно из наиболее ценных свойств циркония - его высокая стойкость против коррозии в различных средах.

Химический элемент IV гр. периодической системы Менделеева. Назван по минералу циркону. Серебристо-белый металл, твердый, тугоплавкий. Химически очень стоек (на воздухе покрывается защитной пленкой ZrO2). Промышленные источники - минералы циркон и бадделеит. Содержание в земной коре 0,025 % по массе.

Развернутая в 50-х гонка ядерных вооружений вынудила Советский Союз направить свои основные ресурсы на спешное увеличение их арсеналов. Но все же к июню 1954 года в СССР удалось осуществить строительство и пуск первой в мире атомной электростанции в г. Обнинске. Энергетическая мощность Обнинской АЭС при тепловой мощности реактора в 30 тысяч киловатт достигала отметки всего 5000 квт. Однако, ее эксплуатация позволила не только решить многие вопросы повышения надежности работы энергетических реакторов, но и наметить основные направления в дальнейшем развитии атомной энергетики в целом.

Одно из них – повышение экономичности АЭС. С этой целью было решено снизить уровень обогащения уранового топлива до 2-2,5%. В этом случае особую важность приобрела проблема выбора материала для оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) и других элементов активной зоны реактора, так как применявшаяся ранее для этой цели нержавеющая сталь поглощала слишком много столь необходимых в ядерной реакции нейтронов. Достаточно низким поперечным сечением поглощения нейтронов обладают алюминий, магний, бериллий и цирконий, но условия их возможного использования оказались разными. Так, алюминий и магний в качестве основного конструкционного материала активной зоны реактора были бы приемлемы только при невысокой температуре теплоносителя. Использование для этой цели бериллия было признано нецелесообразным в связи с недостаточными запасами бериллиевых руд в стране и рядом присущих этому металлу качеств, слишком усложняющих и удорожающих его производство.

Благодаря своим уникальным свойствам – нейтронной прозрачности (крайне низкое сечение поглощения нейтронов), прочности и высокой коррозионной стойкости – цирконий незаменимый конструкционный материал для атомных реакторов электростанций и ядерных установок морского флота. Одна из главных проблем применения циркония в ядерной энергетике – очистка циркония от примеси гафния (присутствие даже 1,5% которой в двадцать раз повышает сечение захвата нейтронов циркония). В России производство полного цикла, начиная с переработки рудного концентрата до готовых изделий из циркониевых сплавов, было создано на Чепецком механическом заводе (г. Глазов, Удмуртия). Всего несколько стран в мире владеют завершенным циклом изготовления циркониевых изделий: США, Канада, Франция, Япония и Россия.

Специалистами АО ЧМЗ совместно с учеными научно-исследовательских институтов ведется систематическая работа по модернизации производства. Совершенствуются процессы изготовления циркониевых изделий, разрабатываются и внедряются новые, более эффективные технологии. Это способствует снижению затрат, улучшению качества продукции, повышению эксплуатационных характеристик топлива и безопасности АЭС.

Завод выпускает слитки циркония , иодидный цирконий в виде прутков, трубы различного диаметра . Среди продукции данного ряда есть трубы для оболочек тепловыделяющих элементов, проволока, листы, концевые и комплектующие изделия для ТВЭЛ и ТВС.

Кроме того на предприятии освоено производство бижутерии, столовых приборов, сервизов, сувенирной продукции из сплавов циркония, керамики на основе диоксида циркония.

Действующая на предприятии система качества охватывает собой все стадтии производства, начиная с маркетинга, постановки продукции на производство и заканчивая ее реализацией. Для соблюдения качества изделий широко применяются современные методы неразрушающего контроля, металлографии, проводятся механические и корозионные испытания.

В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено. Единственным предприятием, специализирующемся на производстве циркония в России является Чепецкий механический завод (Глазов, Удмуртия).

Применение двуокиси циркония

Сильно нагретая двуокись циркония излучает свет настолько интенсивно, что ее можно применять в осветительной технике. Этим ее свойством воспользовался известный немецкий ученый Вальтер Герман Нернст. Стержни накаливания в лампе Нернста были изготовлены из ZrO2. В качестве источника света раскаленная двуокись циркония иногда и сейчас служит при лабораторных опытах.

В промышленности двуокись циркония первыми применили силикатные производства и металлургия. Еще в начале нашего века были изготовлены цирконовые огнеупоры, которые служат в три раза дольше обычных. Огнеупоры, содержащие добавку ZrO2, позволяют провести до 1200 плавок стали без ремонта печи. Это много.

Цирконовые кирпичи потеснили шамот (широко распространенный огнеупорный материал на основе глины или каолина) при выплавке металлического алюминия, и вот почему. Шамот сплавляется с алюминием, и на его поверхности образуются наросты шлака, которые надо периодически счищать. А цирконовые кирпичи расплавленным алюминием не смачиваются. Это позволяет печам, футерованным цирконом, непрерывно работать в течение десяти месяцев.

Значительные количества двуокиси циркония потребляют производства керамики, фарфора и стекла.

Список отраслей промышленности, нуждающихся в двуокиси циркония, можно было бы продолжить еще и еще. Но посмотрим, на что пригодился металлический цирконий, который так долго не удавалось получить.

Цирконий и металлургия

Самым первым потребителем металлического циркония была черная металлургия. Цирконий оказался хорошим раскислителем. По раскисляющему действию он превосходит даже марганец и титан. Одновременно цирконий уменьшает содержание в стали газов и серы, присутствие которых делает ее менее пластичной.

Стали, легированные цирконием, не теряют необходимой вязкости в широком интервале температур, они хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Поэтому цирконий добавляют в сталь, идущую на изготовление броневых плит. При этом, вероятно, учитывается и тот факт, что добавки циркония положительно сказываются и на прочности стали. Если образец стали, не легированной цирконием, разрушается при нагрузке около 900 кг, то сталь той же рецептуры, но с добавкой всего лишь 0,1% циркония выдерживает нагрузку уже в 1600 кг.

Значительные количества циркония потребляет и цветная металлургия. Здесь его действие весьма разнообразно. Незначительные добавки циркония повышают теплостойкость алюминиевых сплавов, а многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся более коррозионно-устойчивыми. Цирконий повышает стойкость титана к действию кислот. Коррозионная стойкость сплава титана с 14% Zr в 5%-ной соляной кислоте при 100°C в 70 раз (!) больше, чем у технически чистого титана. Иначе влияет цирконий на молибден. Добавка 5% циркония удваивает твердость этого тугоплавкого, но довольно мягкого металла.

Есть и другие области применения металлического циркония. Высокая коррозийная стойкость и относительная тугоплавкость позволили использовать его во многих отраслях промышленности. Фильеры для производства искусственного волокна, детали горячей арматуры, лабораторное и медицинское оборудование, катализаторы - вот далеко не полный перечень изделий из металлического циркония.

Однако не металлургия и не машиностроение стали основными потребителями этого металла. Огромные количества циркония потребовались ядерной энергетике.

Применение циркония в ядерной энергетике

В ядерную технику этот металл пришел не сразу. Для того чтобы стать полезным в этой отрасли, металл должен обладать определенным комплексом свойств. (Особенно, если он претендует на роль конструкционного материала при строительстве реакторов.) Главное из этих свойств - малое сечение захвата тепловых нейтронов. В принципе эту характеристику можно определить как способность материала задерживать, поглощать нейтроны и тем самым препятствовать распространению цепной реакции.

Величина сечения захвата нейтронов измеряется в барнах. Чем больше эта величина, тем больше нейтронов поглощает материал и тем сильнее препятствует развитию цепной реакции. Естественно, что для реакционной зоны реакторов выбираются материалы с минимальным сечением захвата.

У чистого металлического циркония эта величина равна 0,18 барна. Многие более дешевые металлы имеют сечениа захвата такого же порядка: у олова, например, оно равно 0,65 барна, у алюминия - 0,22 барна, а у магния - всего 0,06 барна. Но и олово, и магний, и алюминий легкоплавки и нежаропрочны; цирконий же плавится лишь при 1860°C.

Казалось, единственное ограничение - довольно высокая цена элемента №40 (хотя для этой отрасли денег жалеть не приходится), но возникло другое осложнение.

В земной коре цирконию всегда сопутствует гафний. В циркониевых рудах, например, его содержание обычно составляет от 0,5 до 2,0%. Химический аналог циркония (в менделеевской таблице гафний стоит непосредственно под цирконием) захватывает тепловые нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Даже незначительные примеси гафния сильно сказываются на ходе реакции. Например, 1,5%-ная примесь гафния в 20 раз повышает сечение захвата циркония.

Перед техникой встала проблема - полностью разделить цирконий и гафний. Если индивидуальные свойства обоих металлов весьма привлекательны, то их совместное присутствие делает материал абсолютно непригодным для атомной техники.

Проблема разделения гафния и циркония оказалась очень сложной - химические свойства их почти одинаковы из-за чрезвычайного сходства в строении атомов. Для их разделения применяют сложную многоступенчатую очистку: ионный обмен, многократное осаждение, экстракцию.

Все эти операции значительно удорожают цирконий, а он и без того дорог: пластичный металл (99,7% Zr) во много раз дороже концентрата. Проблема экономичного разделения циркония и гафния еще ждет своего решения.

И все-таки цирконий стал «атомным» металлом.

Об этом, в частности, свидетельствуют такие факты. На первой американской атомной подводной лодке «Наутилус» был установлен реактор из циркония. Позже выяснилось, что выгоднее делать из циркония оболочки топливных элементов, а не стационарные детали активной зоны реактора.

Тем не менее производство этого металла увеличивается из года в год, и темпы этого роста необыкновенно высоки. Достаточно сказать, что за десятилетие, с 1949 по 1959 г., мировое производство циркония выросло в 100 раз! По американским данным, в 1975 г. мировое производство циркония составило около 3000 т.

Ядерная энергетика

Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов. Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния, и его сплавы применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, тепловыделяющих сборок и других конструкций ядерных реакторов.

Легирование

В металлургии применяется в качестве лигатуры. Хороший раскислитель и деазотатор, по эффективности превосходит Mn, Si, Ti. Легирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Делает также более прочными и жаростойкими сплавы меди при незначительной потере электропроводности.

Пиротехника

Цирконий обладает замечательной способностью сгорать в кислороде воздуха (температура самовоспламенения - 250 °C) практически без выделения дыма и с высокой скоростью. При этом развивается самая высокая температура для металлических горючих (4650 °C). За счет высокой температуры образующаяся двуокись циркония излучает значительное количество света, что используется очень широко в пиротехнике (производство салютов и фейерверков), производстве химических источников света, применяемых в различных областях деятельности человека (факелы, осветительные ракеты, осветительные бомбы, ФОТАБ - фотоавиабомбы). Для применения в этой сфере представляет интерес не только металлический цирконий, но и его сплавы с церием (значительно больший световой поток). Порошкообразный цирконий применяют в смеси с окислителями (бертолетова соль) как бездымное средство в сигнальных огнях пиротехники и в запалах, заменяя гремучую ртуть и азид свинца.

Сверхпроводник

Сверхпроводящий сплав 75 % Nb и 25 % Zr (сверхпроводимость при 4,2 K) выдерживает нагрузку до 100 000 А/см².

Конструкционный материал

В виде конструкционного материала идет на изготовление кислотостойких химических реакторов, арматуры, насосов. Цирконий применяют как заменитель благородных металлов. В атомной энергетике цирконий является основным материалом оболочек твэлов.

Циркон «обезжелезненный» применяется в виде различных огнеупоров для футеровки стекловаренных и металлургических печей. Он также применяется в производстве строительной керамики, эмалей и глазурей для сантехнических изделий.

Медицина

Цирконий обладает высокой стойкостью к воздействию биологических сред, даже более высокой, чем титан, и отличной биосовместимостью, благодаря чему применяется для создания костных, суставных и зубных протезов, а также хирургического инструмента.

В мировой практике производители имплантантов применяют для изготовления пластин и винтов нержавеющую сталь и титановые сплавы.

В НИКИЭТ разработана конструкторская и технологическая документация и освоено производство имплантантов из циркониевых сплавов марок Э125 и Э110, которые не уступают лучшим зарубежным образцам. Использование имплантантов из циркониевых сплавов предоставляет ряд преимуществ:

• высокая коррозионная стойкость;
• уникальная биосовместимость, отсутствие аллергических реакций, что позволяет использовать имплантанты без повторной хирургической операции по их извлечению;
• материал и технология изготовления обеспечивают требуемый комплекс прочностных свойств;
• сравнительно невысокая плотность сплава позволяет изготавливать имплантанты облегченной конструкции;
• хорошая пластичность обеспечивает более точную подгонку гибом имплантанта по контуру кости.

В НИКИЭТ изготавливаются наборы имплантантов и инструментов для накостного остеосинтеза и челюстно-лицевой хирургии. В его состав вошли реконструктивные пластины 22 видов, кортикальные винты четырех типоразмеров для их крепления, сверла трех типоразмеров, изготовленные из инструментальной стали с алмазным покрытием и с хвостовиками из нержавеющей стали, а также отвертка из титанового сплава со специальным захватом под винт.

Для обеспечения производства имплантантов (пластин и винтов) в НИКИЭТ была разработана технология и налажен выпуск заготовок (полос и прутков) из циркониевых сплавов.

Высокая коррозийная стойкость циркония позволила применить его в нейрохирургии. Из сплавов циркония делают кровоостанавливающие зажимы, хирургический инструмент и иногда даже нити для наложения швов при операциях мозга.

Цирконий применяется для изготовления разнообразной посуды, обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря высокой химической стойкости.

Диоксид циркония (т. пл. 2700 °C). Область применения - производство огнеупоров-бакоров (бакор - бадделеит-корундовая керамика). Применяется в качестве заменителя шамота, так как в 3-4 раза увеличивает кампанию в печах для варки стекла и алюминия. Огнеупоры на основе стабилизированной двуокиси применяются в металлургической промышленности для желобов, стаканов при непрерывной разливке сталей, тиглей для плавки редкоземельных элементов. Также применяется в керметах - керамикометаллических покрытиях, которые обладают высокой твёрдостью и устойчивостью ко многим химическим реагентам, выдерживают кратковременные нагревания до 2750 °C. Двуокись - глушитель эмалей, придает им белый и непрозрачный цвет. На основе кубической модификации двуокиси циркония, стабилизированной скандием, иттрием, редкими землями, получают материал - фианит (от ФИАНа где он был впервые получен), фианит применяется в качестве оптического материала с большим коэффициентом преломления (линзы плоские), в медицине (хирургический инструмент), в качестве синтетического ювелирного камня (дисперсия, показатель преломления и игра цвета больше, чем у бриллианта), при получении синтетических волокон, и производстве некоторых видов проволоки (волочение). При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов устойчивых на воздухе при очень высокой температуре. Нагретый цирконий способен проводить ионы кислорода как твердый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода.

Диборид циркония ZrB 2 - кермет. В различных смесях с нитридом тантала и карбидом кремния материал для производства резцов. Цены на металлический цирконий в 2006 году составили в среднем 120 долларов США за килограмм.

Карбид циркония (т. пл. 3530 °C) важнейший конструкционный материал для твердофазных ядерных реактивных двигателей.

Бериллид циркония чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике (двигатели, сопла, реакторы, радиоизотопные электрогенераторы).

Гидрид циркония применяется в качестве компонента ракетного топлива, в атомной технике как весьма эффективный замедлитель нейтронов. Также гидрид циркония служит для покрытия цирконием в виде тонких плёнок с помощью термического разложения его на различных поверхностях.

Нитрид циркония материал для керамических покрытий, Тпл около 2990 °C , гидролизуется в царской водке. Нашел применение в качестве покрытий в стоматологии и ювелирном деле.

Цирконий, его сплавы и соединения используют в различных областях техники: атомной энергетике, электронике, пиротехнике, машиностроении, производстве сталей и сплавов с цветными металлами, огнеупоров, керамики и эмалей, литейном производстве.

Пиротехника и производство боеприпасов. Порошки циркония, имеющие низкую температуру воспламенения и высокую скорость сгорания, применяют в качестве воспламенителя в смесях капсулей-детонаторов, а также в смесях для фотовспышки. В смеси с окислителями }