Zirkoniumlegeringen: samenstelling, eigenschappen, toepassing

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Het gebruik van zirkoniumlegeringen is momenteel vrij wijdverbreid in de geneeskunde en kernenergie. In andere industrieën wordt dit materiaal ook gebruikt, maar in mindere mate. Het is vermeldenswaard dat verschillende legeringen van deze grondstof aan populariteit hebben gewonnen. Op zichzelf is zirkonium geen populair materiaal geworden, omdat de kwaliteit ervan veel slechter is dan die van een legering van hetzelfde metaal.

Algemene informatie

Zirkonium (Zr) is een element van het periodiek systeem waarvan het atoomnummer 40 is en het atoomgewicht 91, 22. Onder normale omstandigheden en onder normale omstandigheden is dit materiaal een glanzend metaal met een zilverwitte tint. De dichtheid van dergelijke grondstoffen bereikt 6,45 g/cm3. Dit metaal in zijn pure vorm, dat geen onzuiverheden bevat, onderscheidt zich door het feit dat het een zeer hoge ductiliteit heeft en dat het zowel koud als warm zeer gemakkelijk te verwerken is. Het is vermeldenswaard dat deze grondstof, zoals bijvoorbeeld titanium, zijn mechanische eigenschappen sterk zal verliezen als deze wordt gecombineerd met onzuiverheden van niet-metalen stoffen. Zirkonium en zuurstof worden als de slechtste verbindingen beschouwd.

Materiaaleigenschappen enlegering

Zirkonium zelf onderscheidt zich door het feit dat het een vrij hoge weerstand heeft tegen verschillende zuren. Deze grondstof lost niet op in een omgeving zoals salpeter- en zoutzuur of alkali. Deze functie is de sleutel. Op basis hiervan worden veel zirkoniumlegeringen gemaakt. Als je bijvoorbeeld meercomponenten magnesiumlegeringen neemt en daar een element als zirkonium aan toevoegt, wordt het materiaal veel beter bestand tegen corrosie. Als je een legering van titanium en zirkonium maakt, zal de zuurbestendigheid van het eerste element toenemen.

Het is ook vermeldenswaard dat alle zirkoniumlegeringen met andere metalen worden gekenmerkt door het feit dat ze hun taaiheid niet verliezen in een breed temperatuurbereik, de weerstand tegen mechanische schokken blijft op een zeer hoog niveau. Een voorbeeld is een magnesiumlegering met een paar procent zink en slechts enkele tienden van een procent zirkonium. Het resulterende metaal zal bijna twee keer zo sterk zijn als magnesium, en het zal ook in staat zijn om zijn sterkte te behouden bij temperaturen tot 200 graden Celsius.

Beschrijving van functies

Zirkoniumlegeringen worden het meest actief gebruikt in gebieden zoals bekleding van brandstofelementen, brandstofkanaalpijpen en verschillende onderdelen van brandstofassemblages. Zirkonium zelf wordt ook gekenmerkt door het feit dat de neutronenabsorptiedoorsnede vrij laag is. Volgens deze indicator is het de tweede alleen voor stoffen als magnesium en beryllium. Bovendien is het smeltpunt van zirkonium erg hoog.

Zirkoniumlegeringen die in verschillende industrieën worden gebruikt, worden gekenmerkt door het feit dat ze een zeer hoge corrosieweerstand hebben in water, in stoom-watermengsels, in verzadigde en oververhitte stoom tot een temperatuur van ongeveer 350-360 graden Celsius. Het is ook vermeldenswaard dat deze temperatuurlimiet naar verwachting in de nabije toekomst naar hogere waarden zal worden verhoogd.

Lichtmetalen parameters

Eigenschappen van zirkoniumlegeringen in termen van mechanische stabiliteit zijn vrij hoog, wat niet kan worden gezegd van puur zirkonium. Door te legeren wordt de hoge sterkte van het materiaal bereikt. Een legering zoals niobium (Nb) en 1% zirkonium (Zr) wordt bijvoorbeeld gekenmerkt door het feit dat de vloeigrens van het materiaal bij temperaturen van 20, 200, 300 en 400 graden Celsius 200, 160, 120 graden Celsius zal zijn. en 90 MPa. Deze legering wordt actief gebruikt voor het bekleden van splijtstofstaven. En als u bijvoorbeeld de samenstelling van de zirkoniumlegering verandert met niobium, dat wil zeggen het zirkoniumgeh alte verhoogt tot 2,5%, dan zal de vloeigrens toenemen tot 280, 220, 200 en 180 MPa, bij dezelfde temperaturen.

Dergelijke materialen hebben echter hun nadelen. De nadelen zijn onder meer dat de legering met zirkonium te griezelig blijkt te zijn wanneer de temperatuur 320-350 graden Celsius en hoger bereikt. Een ander nadeel is dat Zr waterstof actief oplost, wat vaak voorkomt bij corrosie. Hierdoor zullen stoffen zoals zirkoniumhydriden worden gevormd, die de taaiheid van de grondstof sterk verminderen, waardoor het metaal brozer wordt.

Zirkonium in de geneeskunde

Zirkoniumlegeringen worden vrij actief gebruikt in de geneeskunde. Wetenschappers hebben door experimenten ontdekt dat zelfs het dragen van eenvoudige armbanden van zirkonium kan helpen bij de behandeling van bepaalde ziekten, en het kan ook het algehele welzijn van een persoon verhogen.

Tegenwoordig worden implantaten (vasthouders) vaak gebruikt in medische gebieden zoals traumatologie en maxillofaciale chirurgie. Fixators worden gebruikt voor fracturen, waarbij de botten worden gefixeerd zodat ze niet bewegen. Het is in deze gevallen dat men de voordelen van het gebruik van zirkoniumlegeringen kan onderscheiden, zoals: hoge biologische compatibiliteit (d.w.z. de afwezigheid van allergische reacties van het menselijk lichaam op een dergelijke legering of afstoting), hoge sterkte-eigenschappen van de legering, wat erg belangrijk is voor fixateurs. Het is ook vermeldenswaard dat de afwezigheid van afstoting of allergie voor een dergelijke stof ertoe leidde dat het niet nodig was de chirurgische ingreep te herhalen om de houder te verwijderen als het lichaam het implantaat plotseling begon af te stoten.

Zirkonium in de kernenergie-industrie

Tot de jaren 50 van de vorige eeuw werd aangenomen dat zirkonium niet geschikt was voor gebruik in dit gebied. Het was echter in de jaren 50. Voor het eerst werd een materiaal verkregen dat volledig was gezuiverd van een onzuiverheid als hafnium. Na zuivering bleek dat zuiver zirkonium een zeer kleine thermische neutronenabsorptiedoorsnede heeft. Het was deze kwaliteit die de belangrijkste werd en het mogelijk maakte om zirkoniumlegeringen te gebruiken in de kernenergie-industrie.

Er moet aan worden toegevoegd dat eenvoudig gezuiverd zirkonium niet kon worden gebruikt omdat de corrosieweerstand in heet water te laag was. Daarna werd besloten om legeringen op basis van zirkonium te gebruiken. Ze hebben hun waarde bewezen in stoomgekoelde reactoren en vergelijkbare corrosieve omgevingen.

Algemene toepassingen van legeringen

Zirkonium wordt veel gebruikt als legeringselement. Dit komt doordat de metalen waaraan deze stof wordt toegevoegd hittebestendiger, zuurbestendiger worden etc. Dat wil zeggen, de legering van metaal en zirkonium overtreft de oorspronkelijke grondstof aanzienlijk in zijn eigenschappen.

Ferrozirconium wordt vrij veel gebruikt. Het is een legering van zirkonium en ijzer. Het geh alte van het legeringselement Zr bereikt 20% van de totale massa. Een dergelijke stof wordt in de metallurgie gebruikt als deoxidator en ontgasser voor staal. Zo worden aluminium-zirkoniumlegeringen als de meest corrosiebestendige beschouwd en worden ze gebruikt in kathoderoosters voor vacuümbuizen. Het geh alte aan Zr in een dergelijke legering is niet meer dan 3% van de totale massa.

In de ferrometallurgie wordt naast ferrozirkonium vaak een legering van Zr en silicium gebruikt. Het wordt gebruikt voor het ontgassen van staal. Een legering van koper en zirkonium wordt veel gebruikt voor de vervaardiging van geleidende elementen voor elektrische apparatuur.

Zirkonium vinden

Het is vermeldenswaard dat zirkonium een vrij zeldzaam element is. Het geh alte van deze stof in de aardkorst is niet hoger dan0,025 gew.%. Zirkonium staat op de twaalfde lijn in de prevalentietabel van metalen. Deze grondstof is vrij verspreid en daarom is het erg moeilijk om er grote afzettingen van te vinden. Het wordt meestal gevonden als een chemische verbinding in de lithosfeer, aangezien zirkonium zelf een litofiel element is.