Цирконий – что это такое, какими свойствами он обладает и где применяется

Цирконий свое название получил от минерала циркона, в составе которого он содержится. Его относят к рассеянным химэлементам, то есть не встречающимся в естественной среде. Как химический элемент был получен шведским химиком Берцелиусом в 1824 году.

Уникальные свойства циркония, удивительное сияние, сравнимое с блеском бриллиантов, поставили этот минерал в один ряд с самыми красивыми самоцветами. Ювелиры всего мира охотно используют его.

Что такое цирконий

Цирконием называют элемент zirconium (Zr). В таблице Менделеева указан его атомный вес 91,22 и номер 40. Входит в состав продуктов питания, камней, руд.

Соединение циркония с кислородом – это металл серебристо-серого цвета. Напоминает нержавеющую сталь, белое золото. До очистки нередко содержит радиоактивные примеси. После удаления должен соответствовать ГОСТу 21907-76. Он непрозрачный, ковкий, вязкий, устойчив к коррозии, не намагничивается, но притягивается сильным полем.

Цирконий в украшениях используется в виде металлических вставок и оправ, для изготовления сережек.

Его также применяют для синтеза фианитов. Это прозрачные камни с бриллиантовой чистотой и сиянием. Темно-серые, графитовые или черные искусственные самоцветы называют черным цирконием.

Фианиты также бывают:

  • желтыми;
  • оранжевыми;
  • голубыми;
  • красными;
  • синими;
  • зелеными;
  • розовыми;
  • пурпурными;
  • золотистыми с коричневым оттенком.

Циркон отличается от металла тем, что это природный драгоценный камень группы силикатов. В его составе есть элемент Zr, отчего минерал используется для извлечения циркония. По окрасу бывает бесцветным (матарский алмаз), золотистым (сиамский), голубым (старлит) и бурым (малакон).

В дополнение смотрите видеообзор в продолжение описания металла:

Подробнее об отличиях циркона, циркония и фианита читайте в статье.

Получение

Первоначально из окислов цирконий выделяли способом «наращивания». Циркониевую полоску устанавливали на раскалённые нити вольфрама. Под воздействием температур свыше 2000 ºС металл цирконий прилипал к поверхности нагревателя, а остальные компоненты соединения сгорали.

Такой способ требовал большого количества электроэнергии и вскоре был разработан более экономичный метод Кролля. Суть его заключается в предварительном хлорировании диоксида циркония с последующим восстановлением магнием. Но развитие способов получения циркония на этом не остановилось. Спустя некоторое время в промышленности стали применять еще более дешевое щелочное и фторидное восстановление циркония из оксидов.

Цирконий э110 состав

Основа, % Др., % Среднее содержание примесей и присадок, не более, %
Zr осн. Nb 0,9-1,1. Al-0,008. Be-0,003. Fe-0,05. Si-0,02. Ca-0,03. Cu-0,005. Mn-0,002. Ti-0,005. Pb-0,005. O2-0,10. N-0,006.
C-0,02. Hf-0,05. Cd-0,00003. Ni-0,02. В-0,00005. Mo-0,005. Cr-0,02. Li-0,0002. К-0,004.
F-0,003. Cl-0,003.

Йодидный цирконий

Высокопластичный и с низкими характеристиками прочности. Его получают йодидным методом основанном на способности металла образовывать соединения с йодом. При этом вредные примеси легко отделяются и получается чистый металл. Из йодидного циркония делают прутки.

Основа, % Среднее содержание примесей и присадок, не более, %
Zr Fe 0,0032 C 0,004 O2 0,04 Cr 0,0031 B 0,00004 Cu 0,001 Si 0,004 Al 0,003 Hf 0,034 Ti 0,003 Ni 0,0079 N 0,001

Цена

Основными поставщиками циркония на мировой рынок является Австралия и ЮАР. В последнее время перевес по экспорту циркона и циркониевых минералов все больше склоняется в сторону Южно-африканской республики. Главными потребителями является Евросоюз (Италия, Франция, Германия), Китай и Япония. Торговля цирконом ведется в основном в виде ферросплавов.

За последние 10 лет спрос на металл цирконий в среднем увеличивался на 5,2% в год. Производственные мощности за это время успевали подняться на чуть больше 2%. В результате, на мировом рынке сформировался постоянный дефицит циркония, что являлось предпосылом для повышения его стоимости.

Существуют 2 основные причины роста спроса на данный металл:

  • Глобальное увеличение масштабов ядерной промышленности.
  • Активное применение циркония в производстве керамики.

Также, некоторые специалисты считают, что частично на рост котировок циркония повлияло прекращение добычи бадделеита в Австралии.

На Российском рынке вторичного металла стоимость циркония составляет от 450 до 7500 рублей за килограмм. Чем чище металл, тем цена, соответственно, дороже.

Применение

Вышеперечисленные свойства обеспечивают цирконию обширное использование в разного рода отраслей производства. Здесь выделяются следующие сферы:

  • В электротехнике циркониевый сплав с ниобием применяется в качестве сверхпроводника. Выдерживает нагрузку до 100 кА\см2. Точка перехода в сверхпроводящий режим составляет 4,2 К. Также в радиотехнической аппаратуре цирконием покрывают электронные платы с целью поглощения выделяющихся газов. Циркониевые фильтры излучения рентгеновских трубок отличаются высоким значением монохромности.
  • В ядерной энергетике используется как материал оболочек ТВЭЛов (зоны, где непосредственно осуществляется деление ядер и производство теплоэнергии) и других узлов термоядерного реактора.
  • Металлургия применяет цирконий как легирующий элемент. Данный металл является сильным раскислителем, превосходящим по этому показателю как марганец, так и кремний. Добавление в конструкционные металлы (сталь 45, 30ХГСА) всего 0,5% циркония увеличивает их прочность в 1,5-1,8 раза. При этом дополнительно происходит улучшение протекание процесса обработки резанием. Циркон является основным компонентом корундовой керамики. По сравнению с шамотом, срок ее эксплуатации выше в 3-4 раза. Данный огнеупорный материал применяется в изготовлении тиглей и желобов сталелитейных печей.
  • В машиностроении металл служит материалом для таких изделий как насос и трубозапорная арматура, работающих в условиях воздействия агрессивных сред.
  • В пиротехнике металлы циркония используются для изготовления салютов и фейерверков. Происходит это по причине отсутствия дыма при горении, а также выделение значительного количества световой энергии.
  • В химической промышленности циркон служит сырьем для кермета – металлокерамическое покрытие, обладающее повышенной износостойкостью и невосприимчивостью к кислотам.
  • В оптике активно используют фианит – обработанный циркон с добавками скандия и других редкоземельных металлов. Фианиты имеют значительный угол преломления, что позволяет их применять в качестве материала для производства линз. В ювелирном деле фианит известен как синтетический заменитель бриллианта.
  • В военной промышленности цирконий служит наполнителем для трассирующих пуль и осветительных ракет.

Нахождение металла в природе

Залежи циркониевых руд есть по всей планете. Их можно встретить в виде различных солей, а также монокристаллов, масса которых нередко бывает более 1 кг. Богатые месторождения находятся в Индии, Бразилии, Западной Африке, ЮАР и пр. На территории Российской Федерации внушительные запасы металла располагаются в Сибири и на Урале.

Циркониевая рудаВ масштабах промышленности востребованы двуокись и силикат циркония, бадделеит, циркон. Последний является наиболее распространенным минералом на нашей планете. Люди знакомы с ним еще с давних времен. В Средние века многие ювелиры производили изделия из «несовершенных алмазов», которые в то время именовались цирконами. После проведения огранки они становились мутными и переливались совсем не так, как натуральные алмазы.

Встречаются радиоактивные цирконы. Ношение изделий из них оказывает негативное влияние на здоровье человека. Безопасными принято считать камни небольших размеров, имеющие относительную прозрачность или слабый окрас.

Крупные, интенсивно окрашенные материалы, особенно непрозрачные или темно-зеленые, могут иметь высокий радиационный уровень. Такие камни запрещается хранить в домашних коллекциях, проводить их огранку, транспортировать в больших количествах. Несмотря на высокую распространенность в природе, длительное время его популярность была значительно ниже по сравнению с редкими радиоактивными металлами. Это объясняется тем, что рудные залежи рассеянны и отсутствуют крупные месторождения.

Нередко в рудах соседом циркония является гафний, их свойства очень похожи. По отдельности каждый из металлов обладает хорошими свойствами, но в комплексе они непригодны для применения. Для разделения требуется многоуровневая очистка, которая значительно повышает стоимость производства циркония.

Общие сведения

Цирконий представлен в виде различных химических соединений — окислов или солей, которых ученым известно более сорока единиц. Еще в 1789 году химик Клапрот из камня гиацинта выделил циркониевый окисел. Долгое время получить металл в чистом виде не удавалось. И только в начале XX века это стало возможным.

Опытным путем цирконий получили способом «наращивания». При проведении этих манипуляций он откладывается на нить из вольфрама, которую предварительно раскаляют. Стоимость металла, полученного таким образом, была очень высокой. Вскоре ученые разработали бюджетный промышленный вариант, именуемый методом Кроля. Суть его состоит в том, что сначала осуществляется процедура хлорирования двуокиси циркония, а после этого вещество восстанавливают металлическим магнием.

Полученный металл переплавляют в прутья и отправляют конечному потребителю. Кроме этого метода, существуют и другие промышленные способы получения — щелочной и фторидный. Оказывается, цирконий обладает специфическими свойствами: имеет высокую активность, присущую металлам (представителем которых он и является), но ее проявления осуществляются не в открытой форме.

По внешнему виду цирконий очень напоминает сталь. Его важнейшим свойством в обычных условиях является устойчивость к коррозии. Кроме того, он хорошо поддается обработке путем прокатки, вальцовки, ковки. Специальная окисная пленка, которую невозможно увидеть человеческим глазом, надежно защищает металл от воздействия водяных паров. При увеличении температуры до 300ºС происходит ее медленное разрушение, а при 700ºС происходит полное окисление.

Помимо вышеописанных свойств, металлический цирконий имеет высокую жаростойкость, устойчив к воздействию щелочей, аммиака или кислот, хорошо удерживает радиацию. Совсем иными качествами обладает на воздухе циркониевый порошок, а также стружка — эти элементы и при комнатной температуре могут взрываться и самовозгораться.

Цирконий при взаимодействии с большим количеством металлов образует сплавы. Добавление его в малых дозах значительно повышает характеристики последних, увеличивая показатели прочности и устойчивости к появлению коррозии. Однако если добавлять другие металлы к цирконию, это только ухудшит его характеристики, поэтому такой способ не востребован.

Разновидности камня

Циркон справедливо считается одним из старейших драгоценных минералов Земли, т.к. ученые установили, что возраст этого элемента достигает 3-4 млрд лет. В настоящее время выделяется несколько видов циркония. Основным критерием такого разделения является разнообразие расцветок камня. Выделяют следующие разновидности:

  • Старлит. Прозрачный камень, получается при помощи обжигания – имеет синеватый или голубой оттенок.
  • Малакон. Отличается темно-коричневым окрасом, содержит небольшую дозу радиации.
  • Гиацинт. Прозрачный минерал, для которого характерен коричневый, оранжевый, красный цвет.
  • Матарский алмаз. Прозрачный, бесцветный, добывается из недр острова Матара – отсюда и название этой разновидности.
  • Жаргон. Минерал, для которого характерен соломенный, желтый или слегка золотистый окрас.

Кроме того, цирконий бывает представлен в виде металла или порошка – сфера их применения нередко различается. Например, первый применяется для изготовления украшений, а второй – в медицинской, производственной области. Подробнее об этих разновидностях:

  • Твердый металл. Имеет блестящий серебристо-серый оттенок, имеет высокую степень пластичности.
  • Порошок. Характерной особенность является наличие мелких гранул. Имеет темно-синий оттенок.

При нагреве Zirconium способен изменять цвет, благодаря чему ювелирам удается придать готовым изделиям разнообразные оттенки. Данный минерал бывает:

  • белым (прозрачным, самый распространенный);
  • синим;
  • голубым;
  • черным (крайне редкий);
  • оливковым;
  • зеленым;
  • розовым;
  • красным;
  • желтым (имеет самый выраженный радиоактивный фон);
  • коричневым (слабовыраженная радиация);
  • оранжевым;
  • фиолетовым.

Физические и химические характеристики

Плотность циркония составляет 6506 кг/м

3

. Металл имеет температуру плавления 1855,3ºС, не обладает высокими показателями теплопроводности, всего 21 Вт/м*ºС, например, для титана это значение почти в два раза больше. Электросопротивление прямо пропорционально показателям азота и кислорода в составе.

Для чистого металла не характерны высокие механические свойства. Твердость циркония по шкале Виккерса составляет 70 единиц, прочность 175 МПа, что в 3 раза меньше показателей углеродистой стали. Элемент относится к пластичным металлам, модуль упругости — 96 МПа.

Физические свойства циркония

Все описанные свойства условны ввиду того, что их значения варьируются при увеличении количества примесей в составе. Например, при повышении содержания кислорода уменьшается пластичность металла до таких показателей, что проводить штамповку или ковку невозможно. При повышении количества водорода возрастает хрупкость.

Металл устойчив к воздействию воды, а также многих кислот и щелочей. Однако как и с механическими свойствами, устойчивость к коррозии зависит от присутствия алюминия и титана. Металл не реагирует с 50% раствором соляной и серной кислот. При температуре 780ºС и более цирконий начинает активно поглощать кислород. Медленнее происходят аналогичные процессы с азотом, но они протекают при температуре 600ºС.

В этом смысле наиболее активным газом является водород. Он проникает в металл уже при 145 градусах. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла настолько, что металл даже увеличивается в объеме. Циркониевый порошок настолько опасен, что может воспламеняться под действием воздуха. Однако, это обратимый процесс, полностью удалить водород можно на специализированном оборудовании при температуре не менее 800ºС.

Область применения

Ввиду своих свойств есть многие отрасли промышленности, где применяется цирконий. Некоторые из них:

  • В электротехнике сплав циркония и ниобия используется как сверхпроводник, он выдерживает высокие нагрузки. Кроме того, металлом покрываются электронные платы в радиоаппаратуре для поглощения выделяемых газов. Фильтры на рентгеновских трубках имеют высокие показатели монохромности.
  • Цирконий востребован в ядерной энергетике в качестве оболочек узлов термоядерных реакторов.
  • Металлургическая промышленность использует циркон в качестве легирующего вещества. Металл считается сильным окислителем, по своим характеристикам превосходит марганец и кремний. Увеличивает прочность материалов, при этом улучшается процесс резки. В изготовлении корундовой керамики используется в качестве основного компонента.
  • В машиностроении служит материалом для производства насосов, запорной арматуры, функционирующей под действием различных агрессивных сред.
  • Производство фейерверков и салютов.Производство фейерверков и салютов. Это объясняется тем, что при горении отсутствует выделение дыма.
  • Применяется цирконий и химической промышленности, являясь материалом для кермета — специального металлокерамического покрытия, имеющего высокие показатели устойчивости к износу и действию кислот.
  • В оптике широко применяется фианит — обработанный цирконий с примесями скандия и прочих редкоземельных металлов. У фианитов большой угол преломления, что способствует их использованию в производстве линз. В ювелирном деле он является синтетическим аналогом бриллианта.
  • Цирконием наполняют трассирующие пули и осветительные ракеты в военном производстве.

Способы получения циркония

Камень с металлическим блеском и многообразием оттенков получают опытным путем в специализированных лабораториях. В основу его входит циркон, основные залежи которого находятся на территории Австралии, Бразилии, Вьетнама, Таиланда, Шри-Ланки и некоторых других стран мира. Синтетический камень получают одним из следующих способов:

  • Сплавление с содой или натром. Процесс осуществляется при температуре от 500 до 600℃.
  • Хлорирование углем. Выполняется при показателе температуры в 900-1000℃.
  • Сплавление с калием. Осуществляется при 900℃.
  • Спекание с известью или карбонатом кальция. Осуществляется при 1100-1200℃.

Лечебные свойства и стоимость

В стоматологических клиниках при лечении различных переломов используют импланты на основе циркониевых сплавов. Если сравнивать их с титановыми или нержавеющими аналогами, они имеют ряд преимуществ:

  • биологическая совместимость — обусловлена отсутствием аллергии и отторжения;
  • прочность;
  • легкость;
  • устойчивость к коррозии;
  • пластичность.

Цирконий в стоматологии

Кроме того, в челюстно-лицевой хирургии применяются импланты и инструменты из циркония — сверла, зубные протезы, шовные нити, скобы, винты, зажимы для остановки крови, пластины. Металл и его сплавы не оказывают раздражающего эффекта при контакте с костями и тканями.

Используемый в ювелирных изделиях цирконий оказывает положительное воздействие на состояние организма. Учеными доказано, что при ношении металлических сережек после прокола ушей раны заживают гораздо быстрее. Кроме того, цирконий не вызывает загнивания.

Отмечено положительное действие на здоровье человека при регулярной носке циркониевых изделий, улучшение состояния у пациентов, страдающих проблемами опорно-двигательного аппарата. Кроме того, неплохие результаты дает ношение браслетов и поясов при заболеваниях кожных покровов. Среди них:

  • псориаз;
  • экзема;
  • дерматит.

Основным мировым поставщиком циркония является ЮАР и Австралия. Последнее время лидирующие позиции занимает именно Южно-Африканская Республика. Наибольшими потребителями являются страны Евросоюза, а также Китай и Япония. Основная масса металла представлена в виде ферросплавов.

В последние 10 лет спрос на цирконий увеличился на 5% в год, но производственные мощности за этот период возросли всего на 2%. В силу этого имеется постоянный дефицит металла, что является причиной роста цены на него. На рынке металлов РФ стоимость циркония варьируется в зависимости от чистоты металла и составляет от 450 до 7000 руб/кг.

Благодаря свойствам циркония его востребованность возрастает с каждым годом. Он имеет широкую сферу применения в промышленности, обладает лечебными свойствами, оказывая благотворное влияние на организм человека.

Где применяется цирконий

Основная область применения минерала – это ювелирное дело. Изделия, которые украшены им, отличаются эстетичным и привлекательным видом, ведь по красоте он не уступает алмазу. Особенной востребованностью пользуются серьги и ожерелья с кубическим цирконием. Кроме того, этот камень нередко применяется в качестве муляжа на ювелирных прилавках. Другие области применения:

  • На основе названного элемента изготавливают разного рода сплавы. Их применяют в некоторых отраслях производства, например, при изготовлении конструкционных материалов, ядерных реакторов, частей летательных аппаратов и других деталей.
  • Zirconium содержится в сверхпроводящих магнитах, нередко он используется для окисления сплавов.
  • Порошок этого вещества применяется для производства пиротехники.
  • Участвует в качестве одного из элементов состава огнеупорных покрытий для массивной и сложной техники. Применение Zirconium в таком случае оправдывает вложенные средства, благодаря чему это вещество становится все более популярным в области промышленности – в ювелирном деле его теснит фианит.
  • Еще одной областью использования является оптика, необходимая в агрессивной среди и при высоких температурных показателях. К примеру, это отправление космического аппарата на другие объекты, где скачки температуры составляют более 100 градусов на солнце и в течение, чего стекло долго не выдержит.

Цирконий в ювелирных изделиях

Важной для ювелиров особенностью циркония является его более низкая по сравнению с алмазом твердость – 7,5 единиц по шкале Мосса. При огранке минерала, вставка его в изделие производится аккуратно, т.к. неосторожное обращение приведет к появлению сколов и царапин на поверхности. По этой причине изделия с этим камнем требуют бережного отношения и при носке. Соответствующая огранка позволяет сделать этот минерал ничем не хуже баснословно дорогих бриллиантов.

Циркониевая группа камне встречается практически во всех современных ювелирных изделиях. Эти самоцветы часто обрамляют в перстнях и кольцах. Они блистают в диадеме, серьгах, кольев, свадебных ансамблях. Нередко их используют для украшения подвесок, кулонов. Львиная доля золотых украшений с циркониевыми самоцветами производится в Шри-Ланке, недалеко от одного из мест наибольшей концентрации минерала. Покупая изделие с цирконием, важно отличать подлинный камень, который обладает следующими качествами:

  • многогранное преломление света;
  • наличие блеска схожего с металлическим или алмазным;
  • при внимательном рассмотрении (лучше с лупой) в самоцвете будут видны вкрапления;
  • фианит, который обходится дешевле, тяжелее циркония того же размера.

Цирконий в астрологии

Всевозможные кулоны, украшения, талисманы с циркониевыми самоцветами подходят многим знакам зодиака. Он идеален для Овнов, Козерогов, Водолеев, а вот для Тельцов, Весов, Стрельцов, Раков он не подходит, подробнее:

  • Особенно камень с металлическим блеском подходит водолеям. Он поможет развить им интуицию, эстетический вкус, способность к анализу. Водолеи могут носить украшения из разных видов минерала, но идеально подойдут желтые, золотые или голубые самоцветы.
  • Овнам циркониевый минерал тоже поможет раскрыть свои магические свойства. Она поможет развить им внимательность, осторожность. Людям со знаком Овен рекомендуется носить кольца из самоцветов золотистого или красного оттенка.
  • Козерогам лучше отдать предпочтение камешкам голубого цвета. Кольца с таким минералом лучше носить на левой руке – так магическая связь с человеком со знаком зодиака Козерог будет максимальной.
  • Циркониевые самоцветы не рекомендуются Стрельцам, Тельцам и Весам только потому, что эти знаки зодиака часто эгоистичны. Не подходят они и Рыбам с Раками, которым склонно концентрироваться на себе.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий