Zirkoniumlegeringar: sammansättning, egenskaper, tillämpning

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Användningen av zirkoniumlegering är för närvarande ganska utbredd inom medicin och kärnenergi. I andra branscher används även detta material, men i mindre utsträckning. Det är värt att notera att olika legeringar från detta råmaterial har vunnit popularitet. I sig har zirkonium inte blivit ett populärt material, eftersom dess kvalitet är mycket sämre än hos en legering av samma metall.

Allmän information

Zirkonium (Zr) är ett element i det periodiska systemet vars atomnummer är 40 och dess atomvikt är 91,22. Under normala förhållanden och under normala förhållanden är detta material en glänsande metall med en silvervit nyans. Densiteten för sådana råmaterial når 6,45 g/cm3. Denna metall i sin rena form, som inte innehåller några föroreningar, utmärker sig genom att den har en mycket hög duktilitet, och den är mycket lätt att bearbeta både kall och varm. Det är värt att notera här att detta råmaterial, som titan, till exempel, kommer att kraftigt förlora sina mekaniska egenskaper om det kombineras med föroreningar av icke-metalliska ämnen. Zirkonium och syre anses vara de värsta föreningarna.

Materialegenskaper ochlegering

Zirkonium i sig kännetecknas av att det har en ganska hög motståndskraft mot olika syror. Denna råvara löser sig inte i en miljö som salpeter- och s altsyra eller alkali. Denna funktion är nyckeln. På grundval av detta skapas många zirkoniumlegeringar. Till exempel, om du tar flerkomponents magnesiumlegeringar och lägger till ett element som zirkonium till dem, kommer materialet att bli mycket mer motståndskraftigt mot korrosion. Om du skapar en legering av titan och zirkonium kommer syrabeständigheten hos det första elementet att öka.

Det är också värt att notera att alla zirkoniumlegeringar med andra metaller kännetecknas av att de inte förlorar sin seghet i ett brett temperaturområde, motståndet mot mekaniska stötar förblir på en mycket hög nivå. Ett exempel är en magnesiumlegering med några procent zink och bara några tiondels procent zirkonium. Den resulterande metallen kommer att vara nästan dubbelt så stark som magnesium, och den kommer också att kunna behålla sin styrka vid temperaturer upp till 200 grader Celsius.

Beskrivning av funktioner

Zirkoniumlegeringar används mest aktivt i områden som bränsleelementbeklädnad, bränslekanalrör och olika delar av bränslepatroner. Zirkonium i sig kännetecknas också av det faktum att neutronabsorptionstvärsnittet är ganska lågt. Enligt denna indikator är den näst efter sådana ämnen som magnesium och beryllium. Dessutom är smältpunkten för zirkonium mycket hög.

Zirkoniumlegeringar som används i olika industrier kännetecknas av att de har mycket hög korrosionsbeständighet i vatten, i ångvattenblandningar, i mättad och överhettad ånga upp till en temperatur på cirka 350-360 grader Celsius. Det är också värt att notera att denna temperaturgräns förväntas höjas till högre värden inom en snar framtid.

legeringsparametrar

Egenskaperna hos zirkoniumlegeringar när det gäller mekanisk stabilitet är ganska höga, vilket inte kan sägas om rent zirkonium. Det är genom legering som materialets höga hållfasthet uppnås. Till exempel kommer en legering som niob (Nb) och 1% zirkonium (Zr) att kännetecknas av att materialets sträckgräns vid temperaturer på 20, 200, 300 och 400 grader Celsius kommer att vara 200, 160, 120 och 90 MPa. Denna legering används aktivt för beklädnad av bränslestavar. Och om du till exempel ändrar sammansättningen av zirkoniumlegeringen med niob, det vill säga ökar zirkoniumh alten till 2,5%, kommer sträckgränsen att öka till 280, 220, 200 och 180 MPa, vid samma temperaturer.

Men sådana material har sina nackdelar. Nackdelarna inkluderar det faktum att legeringen med zirkonium visar sig vara för läskig när temperaturen når 320-350 grader Celsius och uppåt. En annan nackdel är att Zr aktivt löser väte, vilket ofta uppstår vid korrosion. På grund av detta kommer ämnen som zirkoniumhydrider att bildas, vilket kraftigt minskar råmaterialets formbarhet, vilket gör metallen mer spröd.

Zirkonium i medicin

Zirkoniumlegeringar används ganska aktivt inom medicin. Forskare har genom experiment funnit att till och med att bära enkla zirkoniumarmband kan hjälpa till att behandla vissa sjukdomar, och det kan också öka en persons allmänna välbefinnande.

Idag används ofta implantat (retainers) inom sådana områden av medicin som traumatologi och käkkirurgi. Fixatorer används för frakturer som fixerar benen så att de inte rör sig. Det är i dessa fall som man kan urskilja sådana fördelar med att använda zirkoniumlegeringar som: hög biologisk kompatibilitet (vilket betyder frånvaron av allergiska reaktioner från människokroppen mot en sådan legering eller avstötning), höghållfasthetsegenskaper hos legeringen, vilket är mycket viktigt för fixatorer. Det är också värt att notera att frånvaron av avstötning eller allergi mot ett sådant ämne ledde till att det inte behövdes upprepas den kirurgiska operationen för att ta bort hållaren om kroppen plötsligt började stöta bort implantatet.

Zirkonium i kärnkraftsindustrin

Fram till 50-talet av förra seklet trodde man att zirkonium inte var lämpligt för användning i detta område. Det var dock på 50-talet. För första gången erhölls ett material som var fullständigt renat från en sådan förorening som hafnium. Efter rening visade det sig att rent zirkonium har en mycket liten termisk neutronabsorptionstvärsnitt. Det var denna kvalitet som blev den främsta och gjorde det möjligt att använda zirkoniumlegeringar inom kärnkraftsindustrin.

Det ska tilläggas att helt enkelt renat zirkonium inte kunde användas eftersom korrosionsbeständigheten var för låg i varmt vatten. Därefter bestämde man sig för att använda zirkoniumbaserade legeringar. De har bevisat sitt värde i ångkylda reaktorer och liknande korrosiva miljöer.

Allmänna tillämpningar av legeringar

Zirkonium används ofta som ett legeringselement. Detta beror på att metallerna som detta ämne tillsätts blir mer värmebeständiga, syrabeständiga etc. Det vill säga, legeringen av metall och zirkonium överstiger avsevärt det ursprungliga råmaterialet i dess egenskaper.

Ferrozirkonium används ganska ofta. Det är en legering av zirkonium och järn. Innehållet av legeringselementet Zr når 20% av den totala massan. Ett sådant ämne används inom metallurgi som en deoxidator och avgasare för stål. Aluminium-zirkoniumlegeringar anses till exempel vara de mest motståndskraftiga mot korrosion och används i katodgaller för vakuumrör. Innehållet av Zr i en sådan legering är inte mer än 3 % av den totala massan.

Inom järnmetallurgi används, förutom ferrozirkonium, ofta en legering av Zr och kisel. Den används för avgasning av stål. En legering av koppar och zirkonium används ofta för tillverkning av ledande element för elektrisk utrustning.

Hitta zirkonium

Det är värt att notera att zirkonium är ett ganska sällsynt grundämne. Innehållet av detta ämne i jordskorpan överstiger inte0,025 viktprocent. Zirkonium upptar den tolfte raden i tabellen över förekomst av metaller. Denna råvara är ganska spridd, och därför är det mycket svårt att hitta några stora avlagringar av det. Det finns oftast som en kemisk förening i litosfären, eftersom zirkonium i sig är ett litofilt element.