Zirkoniumlegeringer: sammensætning, egenskaber, anvendelse

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Brugen af zirconiumlegering er i øjeblikket ret udbredt inden for medicin og atomenergi. I andre brancher bruges dette materiale også, men i mindre omfang. Det er værd at bemærke, at forskellige legeringer fra dette råmateriale har vundet popularitet. I sig selv er zirconium ikke blevet et populært materiale, da dets kvalitet er meget dårligere end en legering af det samme metal.

Generelle oplysninger

Zirconium (Zr) er et grundstof i det periodiske system, hvis atomnummer er 40, og dets atomvægt er 91,22. Under normale forhold og under normale forhold er dette materiale et skinnende metal med en sølvhvid farvetone. Tætheden af sådanne råmaterialer når 6,45 g/cm3. Dette metal i sin rene form, som ikke indeholder nogen urenheder, udmærker sig ved, at det har en meget høj duktilitet, og det er meget nemt at behandle både koldt og varmt. Det er værd at bemærke her, at dette råmateriale, som for eksempel titanium, vil miste sine mekaniske egenskaber kraftigt, hvis det kombineres med urenheder af ikke-metalliske stoffer. Zirconium og oxygen betragtes som de værste forbindelser.

Materialeegenskaber oglegering

Zirconium i sig selv udmærker sig ved, at det har en ret høj modstandsdygtighed over for forskellige syrer. Dette råmateriale opløses ikke i et miljø som salpeter- og s altsyre eller alkali. Denne funktion er nøglen. På dets grundlag skabes mange zirconiumlegeringer. For eksempel, hvis du tager multikomponent magnesiumlegeringer og tilføjer et element som zirconium til dem, vil materialet blive meget mere modstandsdygtigt over for korrosion. Hvis du laver en legering af titanium og zirconium, vil syrebestandigheden af det første grundstof øges.

Det er også værd at bemærke, at alle zirconiumlegeringer med andre metaller er kendetegnet ved, at de ikke mister deres sejhed i et bredt temperaturområde, modstanden mod mekanisk stød forbliver på et meget højt niveau. Et eksempel er en magnesiumlegering med nogle få procent zink og kun nogle få tiendedele procent zirconium. Det resulterende metal vil være næsten dobbelt så stærkt som magnesium, og det vil også være i stand til at bevare sin styrke ved temperaturer op til 200 grader Celsius.

Beskrivelse af funktioner

Zirkoniumlegeringer bruges mest aktivt i områder som brændstofelementbeklædning, brændstofkanalrør og forskellige dele af brændstofsamlinger. Zirconium i sig selv er også kendetegnet ved, at neutronabsorptionstværsnittet er ret lavt. Ifølge denne indikator er den kun næst efter sådanne stoffer som magnesium og beryllium. Derudover er smeltepunktet for zirconium meget højt.

Zirkoniumlegeringer, der anvendes i forskellige industrier, er kendetegnet ved, at de har meget høj korrosionsbestandighed i vand, i damp-vand-blanding, i mættet og overophedet damp op til en temperatur på omkring 350-360 grader Celsius. Det er også værd at bemærke, at denne temperaturgrænse forventes at blive hævet til højere værdier i den nærmeste fremtid.

Legeringsparametre

Egenskaber ved zirconiumlegeringer med hensyn til mekanisk stabilitet er ret høje, hvilket ikke kan siges om rent zirconium. Det er ved legering, at materialets høje styrke opnås. For eksempel vil en legering som niob (Nb) og 1 % zirconium (Zr) være karakteriseret ved, at materialets flydespænding ved temperaturer på 20, 200, 300 og 400 grader Celsius vil være 200, 160, 120 og 90 MPa. Denne legering bruges aktivt til brændstofstangbeklædning. Og hvis du for eksempel ændrer sammensætningen af zirconiumlegeringen med niobium, det vil sige øger zirconiumindholdet til 2,5 %, så vil flydespændingen stige til 280, 220, 200 og 180 MPa, ved de samme temperaturer.

Sådanne materialer har imidlertid deres ulemper. Ulemperne omfatter det faktum, at legeringen med zirconium viser sig at være for uhyggelig, når temperaturen når 320-350 grader Celsius og derover. En anden ulempe er, at Zr aktivt opløser brint, hvilket ofte opstår under korrosion. På grund af dette vil der dannes stoffer som zirconiumhydrider, som i høj grad reducerer duktiliteten af råmaterialet, hvilket gør metallet mere skørt.

Zirconium i medicin

Zirkoniumlegeringer bruges ret aktivt i medicin. Forskere har gennem eksperimenter fundet ud af, at selv at bære simple zirkoniumarmbånd kan hjælpe med at behandle visse sygdomme, og det kan også øge en persons generelle velbefindende.

I dag bruges implantater (holdere) ofte inden for sådanne områder af medicin som traumatologi og kæbekirurgi. Fixatorer bruges til frakturer, der fikserer knoglerne, så de ikke bevæger sig. Det er i disse tilfælde, at man kan skelne sådanne fordele ved at bruge zirconiumlegeringer som: høj biologisk kompatibilitet (hvilket betyder fraværet af allergiske reaktioner fra den menneskelige krop på en sådan legering eller afvisning), højstyrkeegenskaber af legeringen, hvilket er meget vigtigt til fiksatorer. Det er også værd at bemærke, at fraværet af afstødning eller allergi over for et sådant stof førte til, at det ikke var nødvendigt at gentage den kirurgiske operation for at fjerne holderen, hvis kroppen pludselig begyndte at afvise implantatet.

Zirconium i atomkraftindustrien

Indtil 50'erne af forrige århundrede, mente man, at zirconium ikke var egnet til brug i dette område. Det var dog i 50'erne. For første gang blev der opnået et materiale, der var fuldstændig oprenset fra en sådan urenhed som hafnium. Efter oprensning viste det sig, at rent zirconium har et meget lille termisk neutronabsorptionstværsnit. Det var denne kvalitet, der blev den vigtigste og gjorde det muligt at bruge zirconiumlegeringer i atomkraftindustrien.

Det skal tilføjes, at simpelthen renset zirconium ikke kunne bruges, fordi korrosionsbestandigheden var for lav i varmt vand. Derefter blev det besluttet at bruge zirconium-baserede legeringer. De har bevist deres værd i dampkølede reaktorer og lignende korrosive miljøer.

Generelle anvendelser af legeringer

Zirconium er meget udbredt som et legeringselement. Dette skyldes, at de metaller, som dette stof tilsættes, bliver mere varmebestandige, syrefaste mv. Det vil sige, at legeringen af metal og zirconium i høj grad overstiger det oprindelige råmateriale i dets egenskaber.

Ferrozirconium er ret udbredt. Det er en legering af zirconium og jern. Indholdet af legeringselementet Zr når 20% af den samlede masse. Et sådant stof bruges i metallurgi som en deoxidator og afgasser til stål. Aluminium-zirconium-legeringer, for eksempel, anses for at være de mest modstandsdygtige over for korrosion og bruges i katodegitre til vakuumrør. Indholdet af Zr i en sådan legering er ikke mere end 3 % af den samlede masse.

I jernmetallurgi bruges der udover ferrozirconium ofte en legering af Zr og silicium. Det bruges til afgasning af stål. En legering af kobber og zirconium er meget brugt til fremstilling af ledende elementer til elektrisk udstyr.

Find zirconium

Det er værd at bemærke, at zirconium er et ret sjældent grundstof. Indholdet af dette stof i jordskorpen overstiger ikke0,025 vægt-%. Zirconium indtager den tolvte linje i tabellen over forekomst af metaller. Dette råmateriale er ret spredt, og derfor er det meget svært at finde nogen store forekomster af det. Det findes oftest som en kemisk forbindelse i litosfæren, da zirconium i sig selv er et litofilt grundstof.