Zirkoniumlegeringer: sammensetning, egenskaper, bruk

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Bruken av zirkoniumlegering er for tiden ganske utbredt innen medisin og kjernekraft. I andre bransjer brukes også dette materialet, men i mindre grad. Det er verdt å merke seg at forskjellige legeringer fra dette råmaterialet har vunnet popularitet. I seg selv har ikke zirkonium blitt et populært materiale, siden kvaliteten er mye dårligere enn til en legering av samme metall.

Generell informasjon

Zirkonium (Zr) er et element i det periodiske system hvis atomnummer er 40 og atomvekten er 91,22. Under normale forhold og under normale forhold er dette materialet et skinnende metall med en sølvhvit fargetone. Tettheten av slike råvarer når 6,45 g/cm3. Dette metallet i sin rene form, som ikke inneholder noen urenheter, utmerker seg ved at det har en meget høy duktilitet, og det er veldig enkelt å behandle både kaldt og varmt. Det er verdt å merke seg her at dette råmaterialet, som for eksempel titan, vil miste sine mekaniske egenskaper kraftig hvis det kombineres med urenheter av ikke-metalliske stoffer. Zirkonium og oksygen regnes som de verste forbindelsene.

Materialegenskaper oglegering

Zirkonium i seg selv utmerker seg ved at det har en ganske høy motstand mot ulike syrer. Dette råmaterialet løses ikke opp i et miljø som salpetersyre og s altsyre eller alkali. Denne funksjonen er nøkkelen. På grunnlag av dette lages mange zirkoniumlegeringer. For eksempel, hvis du tar multikomponent magnesiumlegeringer og legger til et element som zirkonium til dem, vil materialet bli mye mer motstandsdyktig mot korrosjon. Hvis du lager en legering av titan og zirkonium, vil syremotstanden til det første elementet øke.

Det er også verdt å merke seg at alle zirkoniumlegeringer med andre metaller kjennetegnes ved at de ikke mister sin seighet i et bredt temperaturområde, motstanden mot mekanisk støt holder seg på et meget høyt nivå. Et eksempel er en magnesiumlegering med noen få prosent sink og bare noen få tideler av en prosent zirkonium. Det resulterende metallet vil være nesten dobbelt så sterkt som magnesium, og det vil også kunne opprettholde sin styrke ved temperaturer opp til 200 grader Celsius.

Beskrivelse av funksjoner

Zirkoniumlegeringer er mest aktivt brukt i områder som drivstoffelementkledning, drivstoffkanalrør og ulike deler av drivstoffelementer. Zirkonium i seg selv er også karakterisert ved at nøytronabsorpsjonstverrsnittet er ganske lavt. I følge denne indikatoren er den bare nest etter slike stoffer som magnesium og beryllium. I tillegg er smeltepunktet for zirkonium svært høyt.

Zirkoniumlegeringer brukt i ulike industrier kjennetegnes ved at de har svært høy korrosjonsmotstand i vann, i damp-vannblanding, i mettet og overhetet damp opp til en temperatur på ca. 350-360 grader Celsius. Det er også verdt å merke seg at denne temperaturgrensen forventes å bli hevet til høyere verdier i nær fremtid.

legeringsparametere

Egenskapene til zirkoniumlegeringer når det gjelder mekanisk stabilitet er ganske høye, noe som ikke kan sies om rent zirkonium. Det er ved legering at materialets høye styrke oppnås. For eksempel vil en legering som niob (Nb) og 1 % zirkonium (Zr) karakteriseres ved at materialets flytegrense ved temperaturer på 20, 200, 300 og 400 grader Celsius vil være 200, 160, 120 og 90 MPa. Denne legeringen brukes aktivt til drivstoffstavkledning. Og hvis du for eksempel endrer sammensetningen av zirkoniumlegeringen med niob, det vil si øker zirkoniuminnholdet til 2,5 %, vil flytegrensen øke til 280, 220, 200 og 180 MPa, ved samme temperaturer.

Slike materialer har imidlertid sine ulemper. Ulempene inkluderer det faktum at legeringen med zirkonium viser seg å være for skummel når temperaturen når 320-350 grader Celsius og over. En annen ulempe er at Zr aktivt løser opp hydrogen, som ofte oppstår under korrosjon. På grunn av dette vil det dannes stoffer som zirkoniumhydrider, som i stor grad reduserer duktiliteten til råmaterialet, noe som gjør metallet sprøere.

Zirkonium i medisin

Zirkoniumlegeringer brukes ganske aktivt i medisin. Forskere har gjennom eksperimenter funnet ut at selv å bruke enkle zirkoniumarmbånd kan hjelpe til med å behandle visse sykdommer, og det kan også øke en persons generelle velvære.

I dag brukes implantater (retainere) ofte i slike områder av medisin som traumatologi og kjevekirurgi. Fixatorer brukes til brudd, fester beinene slik at de ikke beveger seg. Det er i disse tilfellene man kan skille slike fordeler ved å bruke zirkoniumlegeringer som: høy biologisk kompatibilitet (som betyr fravær av allergiske reaksjoner fra menneskekroppen på en slik legering eller avvisning), høye styrkeegenskaper til legeringen, noe som er veldig viktig for fiksatorer. Det er også verdt å merke seg at fraværet av avstøtning eller allergi mot et slikt stoff førte til at det ikke var nødvendig å gjenta den kirurgiske operasjonen for å fjerne holderen hvis kroppen plutselig begynte å avvise implantatet.

Zirkonium i kjernekraftindustrien

Fram til 50-tallet av forrige århundre trodde man at zirkonium ikke var egnet for bruk i dette området. Det var imidlertid på 50-tallet. For første gang ble det oppnådd et materiale som ble fullstendig renset fra en slik urenhet som hafnium. Etter rensing viste det seg at rent zirkonium har et svært lite termisk nøytronabsorpsjonstverrsnitt. Det var denne kvaliteten som ble den viktigste og gjorde det mulig å bruke zirkoniumlegeringer i kjernekraftindustrien.

Det skal legges til at enkelt renset zirkonium ikke kunne brukes fordi korrosjonsmotstanden var for lav i varmt vann. Etter det ble det besluttet å bruke zirkoniumbaserte legeringer. De har bevist sin verdi i dampkjølte reaktorer og lignende korrosive miljøer.

Generelle anvendelser av legeringer

Zirkonium er mye brukt som legeringselement. Dette skyldes det faktum at metallene som dette stoffet tilsettes blir mer varmebestandige, syrebestandige osv. Det vil si at legeringen av metall og zirkonium i stor grad overgår det opprinnelige råmaterialet i sine egenskaper.

Ferrozirkonium er ganske mye brukt. Det er en legering av zirkonium og jern. Innholdet av legeringselementet Zr når 20% av den totale massen. Et slikt stoff brukes i metallurgi som deoksideringsmiddel og avgasser for stål. Aluminium-zirkonium-legeringer, for eksempel, anses som de mest motstandsdyktige mot korrosjon og brukes i katodegitter for vakuumrør. Innholdet av Zr i en slik legering er ikke mer enn 3 % av den totale massen.

I jernmetallurgi, i tillegg til ferrozirkonium, brukes ofte en legering av Zr og silisium. Den brukes til avgassing av stål. En legering av kobber og zirkonium er mye brukt til fremstilling av ledende elementer for elektrisk utstyr.

Finne zirkonium

Det er verdt å merke seg at zirkonium er et ganske sjeldent grunnstoff. Innholdet av dette stoffet i jordskorpen overstiger ikke0,025 vekt%. Zirkonium opptar den tolvte linjen i tabellen over forekomst av metaller. Dette råmaterialet er ganske spredt, og derfor er det svært vanskelig å finne noen store forekomster av det. Det er oftest funnet som en kjemisk forbindelse i litosfæren, siden zirkonium i seg selv er et litofilt element.