Zirkoniumlejeeringit: koostumus, ominaisuudet, käyttö

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Zirkoniumlejeeringin käyttö on tällä hetkellä melko yleistä lääketieteessä ja ydinenergiassa. Muilla teollisuudenaloilla tätä materiaalia käytetään myös, mutta vähäisemmässä määrin. On syytä huomata, että erilaiset seokset tästä raaka-aineesta ovat saaneet suosiota. Zirkonium ei sinänsä ole tullut suosituksi materiaaliksi, koska sen laatu on paljon huonompi kuin saman metallin lejeeringillä.

Yleistä tietoa

Zirkonium (Zr) on jaksollisen järjestelmän alkuaine, jonka atomiluku on 40 ja atomipaino 91,22. Normaaliolosuhteissa ja normaaleissa olosuhteissa tämä materiaali on kiiltävää metallia, jossa on hopeanvalkoinen sävy. Tällaisten raaka-aineiden tiheys saavuttaa 6,45 g/cm3. Tämä metalli puhtaassa muodossaan, joka ei sisällä epäpuhtauksia, erottuu siitä, että sillä on erittäin korkea sitkeys ja se on erittäin helppo käsitellä sekä kylmänä että kuumana. Tässä on syytä huomata, että tämä raaka-aine, kuten esimerkiksi titaani, menettää jyrkästi mekaaniset ominaisuutensa, jos se yhdistetään ei-metallisten aineiden epäpuhtauksiin. Zirkoniumia ja happea pidetään pahimpana yhdisteenä.

Materiaalin ominaisuudet jametalliseos

Zirkonium itsessään erottuu siitä, että se kestää melko hyvin erilaisia happoja. Tämä raaka-aine ei liukene ympäristöön, kuten typpi- ja kloorivetyhappoon tai alkaliin. Tämä ominaisuus on keskeinen. Sen perusteella luodaan monia zirkoniumseoksia. Jos esimerkiksi otat monikomponenttisia magnesiumseoksia ja lisäät niihin elementtiä, kuten zirkoniumia, materiaalista tulee paljon kestävämpi korroosiota vastaan. Jos luot titaanin ja zirkoniumin seoksen, ensimmäisen alkuaineen haponkestävyys kasvaa.

On myös syytä huomata, että kaikille zirkoniumseoksille muiden metallien kanssa on ominaista se, että ne eivät menetä sitkeystään laajalla lämpötila-alueella, mekaanisen iskun kestävyys pysyy erittäin korkealla tasolla. Esimerkkinä on magnesiumseos, jossa on muutama prosentti sinkkiä ja vain muutama kymmenesosa zirkoniumia. Tuloksena oleva metalli on lähes kaksi kertaa vahvempi kuin magnesium, ja se pystyy myös säilyttämään lujuutensa jopa 200 celsiusasteen lämpötiloissa.

Ominaisuuksien kuvaus

Zirkoniumseoksia käytetään aktiivisimmilla alueilla, kuten polttoaine-elementtien verhoilussa, polttoainekanavaputkissa ja erilaisissa polttoainenippujen osissa. Itse zirkoniumille on ominaista myös se, että neutronien absorption poikkileikkaus on melko pieni. Tämän indikaattorin mukaan se on toiseksi vain magnesiumin ja berylliumin k altaisten aineiden jälkeen. Lisäksi zirkoniumin sulamispiste on erittäin korkea.

Eri teollisuudenaloilla käytetyille zirkoniumseoksille on tunnusomaista, että niillä on erittäin korkea korroosionkestävyys vedessä, höyry-vesi-seoksessa, kyllästetyssä ja tulistussa höyryssä noin 350-360 celsiusasteen lämpötilaan asti. On myös syytä huomata, että tämän lämpötilarajan odotetaan nousevan korkeampiin arvoihin lähitulevaisuudessa.

Seosparametrit

Zirkoniumseosten ominaisuudet mekaanisen stabiilisuuden suhteen ovat melko korkeat, mitä ei voida sanoa puhtaasta zirkoniumista. Seostamalla saavutetaan materiaalin suuri lujuus. Esimerkiksi seokselle, kuten niobiumille (Nb) ja 1-prosenttiselle zirkoniumille (Zr), on tunnusomaista se, että materiaalin myötöraja 20, 200, 300 ja 400 celsiusasteen lämpötiloissa on 200, 160, 120. ja 90 MPa. Tätä seosta käytetään aktiivisesti polttoainesauvojen verhoiluun. Ja esimerkiksi, jos muutat zirkoniumlejeeringin koostumusta niobiumilla, eli nostat zirkoniumpitoisuutta 2,5 prosenttiin, myötölujuus kasvaa 280, 220, 200 ja 180 MPa:iin samoissa lämpötiloissa.

Tällaisilla materiaaleilla on kuitenkin haittapuolensa. Haittoja ovat se, että zirkoniumia sisältävä seos osoittautuu liian kammottavaksi, kun lämpötila saavuttaa 320-350 celsiusastetta tai enemmän. Toinen haittapuoli on se, että Zr liuottaa aktiivisesti vetyä, mitä usein esiintyy korroosion aikana. Tästä johtuen muodostuu aineita, kuten zirkoniumhydridejä, jotka heikentävät suuresti raaka-aineen sitkeyttä, mikä tekee metallista hauraamman.

Zirkonium lääketieteessä

Zirkoniumseoksia käytetään melko aktiivisesti lääketieteessä. Tutkijat ovat kokeiden avulla havainneet, että jopa yksinkertaisten zirkoniumrannekkeiden käyttäminen voi auttaa tiettyjen sairauksien hoidossa, ja se voi myös lisätä ihmisen yleistä hyvinvointia.

Nykyään implantteja (pidikkeitä) käytetään usein sellaisilla lääketieteen aloilla kuin traumatologia ja leukakirurgia. Murtumiin käytetään fiksaattoreita, jotka kiinnittävät luut niin, että ne eivät liiku. Juuri näissä tapauksissa voidaan erottaa sellaiset zirkoniumseosten käytön edut, kuten: korkea biologinen yhteensopivuus (eli ihmiskehon allergisten reaktioiden puuttuminen tällaiseen seokseen tai hylkimisreaktioon), seoksen korkeat lujuusominaisuudet, mikä on erittäin tärkeää fiksaattoreita varten. On myös syytä huomata, että tällaisen aineen hyljintäreaktion tai allergian puuttuminen johti siihen, ettei kirurgista toimenpidettä tarvinnut toistaa pidikkeen poistamiseksi, jos keho yhtäkkiä alkoi hylätä implanttia.

Zirkonium ydinvoimateollisuudessa

Viime vuosisadan 50-luvulle asti uskottiin, että zirkonium ei sovellu käytettäväksi tällä alueella. Se oli kuitenkin 50-luvulla. Ensimmäistä kertaa saatiin materiaali, joka puhdistettiin täysin sellaisesta epäpuhtaudesta kuin hafnium. Puhdistuksen jälkeen kävi ilmi, että puhtaalla zirkoniumilla on hyvin pieni lämpöneutronien absorptiopoikkileikkaus. Juuri tästä laadusta tuli tärkein, ja se mahdollisti zirkoniumseosten käytön ydinvoimateollisuudessa.

On lisättävä, että yksinkertaisesti puhdistettua zirkoniumia ei voitu käyttää, koska korroosionkestävyys oli liian alhainen kuumassa vedessä. Sen jälkeen päätettiin käyttää zirkoniumpohjaisia seoksia. Ne ovat osoittaneet arvonsa höyryjäähdytteisissä reaktoreissa ja vastaavissa syövyttävissä ympäristöissä.

Seosten yleiset sovellukset

Zirkoniumia käytetään laaj alti seosaineena. Tämä johtuu siitä, että metallit, joihin tätä ainetta lisätään, muuttuvat lämmönkestävämmiksi, haponkestävämmiksi jne. Eli metallin ja zirkoniumin seos ylittää ominaisuuksiltaan huomattavasti alkuperäisen raaka-aineen.

Ferrotsirkoniumia käytetään melko laaj alti. Se on zirkoniumin ja raudan seos. Seosaine Zr:n pitoisuus saavuttaa 20 % kokonaismassasta. Tällaista ainetta käytetään metallurgiassa teräksen hapettumisen- ja kaasunpoistoaineena. Esimerkiksi alumiini-zirkonium-seoksia pidetään korroosionkestävimpänä, ja niitä käytetään tyhjiöputkien katodiverkoissa. Zr-pitoisuus tällaisessa seoksessa on enintään 3 % kokonaismassasta.

Rautametallurgiassa käytetään usein ferrotsirkoniumin lisäksi Zr:n ja piin seosta. Sitä käytetään teräksen kaasunpoistoon. Kuparin ja zirkoniumin seosta käytetään laaj alti sähkölaitteiden johtavien elementtien valmistukseen.

Zirkoniumin löytäminen

On syytä huomata, että zirkonium on melko harvinainen alkuaine. Tämän aineen pitoisuus maankuoressa ei ylitä0,025 painoprosenttia. Zirkonium on metallien esiintyvyystaulukon kahdestoista rivillä. Tämä raaka-aine on melko hajallaan, ja siksi siitä on erittäin vaikea löytää suuria esiintymiä. Sitä tavataan yleisimmin litosfäärissä sijaitsevana kemiallisena yhdisteenä, koska zirkonium itsessään on litofiilinen alkuaine.