Zirkoniumlegierungen: Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Der Einsatz von Zirkoniumlegierungen ist derzeit in Medizin und Kernenergie weit verbreitet. In anderen Branchen wird dieses Material ebenfalls verwendet, jedoch in geringerem Umfang. Es ist erwähnenswert, dass verschiedene Legierungen aus diesem Rohstoff an Popularität gewonnen haben. Zirkonium an sich ist kein beliebtes Material geworden, da seine Qualität viel schlechter ist als die einer Legierung aus demselben Metall.

Allgemeine Informationen

Zirkonium (Zr) ist ein Element des Periodensystems mit der Ordnungszahl 40 und dem Atomgewicht 91,22. Unter normalen Bedingungen und unter normalen Bedingungen ist dieses Material ein glänzendes Metall mit einem silbrig-weißen Farbton. Die Dichte solcher Rohstoffe erreicht 6,45 g/cm3. Dieses Metall in seiner reinen Form, das keine Verunreinigungen enthält, zeichnet sich dadurch aus, dass es eine sehr hohe Duktilität besitzt und sich sowohl k alt als auch heiß sehr gut verarbeiten lässt. An dieser Stelle ist anzumerken, dass dieser Rohstoff, wie beispielsweise Titan, seine mechanischen Eigenschaften stark verliert, wenn er mit Verunreinigungen nichtmetallischer Substanzen kombiniert wird. Zirkonium und Sauerstoff gelten als die schlimmsten Verbindungen.

Materialeigenschaften undLegierung

Zirkonium selbst zeichnet sich dadurch aus, dass es eine recht hohe Beständigkeit gegen verschiedene Säuren aufweist. Dieser Rohstoff löst sich nicht in einer Umgebung wie Salpeter- und Salzsäure oder Alkali auf. Diese Funktion ist der Schlüssel. Auf seiner Basis werden viele Zirkoniumlegierungen hergestellt. Wenn Sie beispielsweise Mehrkomponenten-Magnesiumlegierungen nehmen und ihnen ein Element wie Zirkonium hinzufügen, wird das Material viel korrosionsbeständiger. Wenn Sie eine Legierung aus Titan und Zirkonium herstellen, erhöht sich die Säurebeständigkeit des ersten Elements.

Bemerkenswert ist auch, dass sich alle Zirkoniumlegierungen mit anderen Metallen dadurch auszeichnen, dass sie in einem weiten Temperaturbereich ihre Zähigkeit nicht verlieren, die mechanische Schockfestigkeit bleibt auf einem sehr hohen Niveau. Ein Beispiel ist eine Magnesiumlegierung mit wenigen Prozent Zink und nur wenigen Zehntel Prozent Zirkonium. Das resultierende Metall wird fast doppelt so stark wie Magnesium sein und seine Festigkeit auch bei Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius beibeh alten können.

Funktionsbeschreibung

Zirkoniumlegierungen werden am aktivsten in Bereichen wie Brennelementumhüllungen, Brennstoffkanalrohren und verschiedenen Teilen von Brennelementen verwendet. Zirkonium selbst zeichnet sich auch dadurch aus, dass der Neutronenabsorptionsquerschnitt eher gering ist. Nach diesem Indikator ist es nach Substanzen wie Magnesium und Beryllium an zweiter Stelle. Außerdem ist der Schmelzpunkt von Zirkonium sehr hoch.

In verschiedenen Industrien eingesetzte Zirkoniumlegierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit in Wasser, in Dampf-Wasser-Gemischen, in Satt- und Heißdampf bis zu einer Temperatur von etwa 350-360 Grad Celsius aufweisen. Es ist auch erwähnenswert, dass diese Temperaturgrenze in naher Zukunft voraussichtlich auf höhere Werte angehoben wird.

Legierungsparameter

Die Eigenschaften von Zirkoniumlegierungen in Bezug auf die mechanische Stabilität sind ziemlich hoch, was von reinem Zirkonium nicht gesagt werden kann. Durch das Legieren wird die hohe Festigkeit des Werkstoffs erreicht. Beispielsweise zeichnet sich eine Legierung wie Niob (Nb) und 1 % Zirkonium (Zr) dadurch aus, dass die Streckgrenze des Materials bei Temperaturen von 20, 200, 300 und 400 Grad Celsius 200, 160, 120 beträgt und 90 MPa. Diese Legierung wird aktiv für Brennstabhüllen verwendet. Und wenn Sie beispielsweise die Zusammensetzung der Zirkoniumlegierung mit Niob ändern, dh den Zirkoniumgeh alt auf 2,5% erhöhen, steigt die Streckgrenze bei gleichen Temperaturen auf 280, 220, 200 und 180 MPa.

Allerdings haben solche Materialien ihre Nachteile. Zu den Nachteilen gehört die Tatsache, dass sich die Legierung mit Zirkonium als zu gruselig erweist, wenn die Temperatur 320-350 Grad Celsius und mehr erreicht. Ein weiterer Nachteil ist, dass Zr Wasserstoff aktiv löst, was häufig bei Korrosion auftritt. Dadurch werden Stoffe wie Zirkoniumhydride gebildet, die die Duktilität des Rohmaterials stark herabsetzen, wodurch das Metall spröder wird.

Zirkonium in der Medizin

Zirkoniumlegierungen werden in der Medizin sehr aktiv eingesetzt. Wissenschaftler haben durch Experimente herausgefunden, dass sogar das Tragen einfacher Zirkoniumarmbänder bei der Behandlung bestimmter Krankheiten helfen und auch das allgemeine Wohlbefinden einer Person steigern kann.

Implantate (Retainer) werden heute häufig in Bereichen der Medizin wie Traumatologie und Kiefer- und Gesichtschirurgie eingesetzt. Fixateure werden bei Frakturen verwendet, um die Knochen so zu fixieren, dass sie sich nicht bewegen. In diesen Fällen kann man solche Vorteile der Verwendung von Zirkoniumlegierungen unterscheiden wie: hohe biologische Kompatibilität (dh das Fehlen allergischer Reaktionen des menschlichen Körpers auf eine solche Legierung oder Abstoßung), hohe Festigkeitseigenschaften der Legierung, was sehr wichtig ist für Fixateure. Es ist auch erwähnenswert, dass das Fehlen einer Abstoßung oder Allergie gegen eine solche Substanz dazu führte, dass der chirurgische Eingriff zur Entfernung des Retainers nicht wiederholt werden musste, wenn der Körper plötzlich begann, das Implantat abzustoßen.

Zirkonium in der Atomindustrie

Bis in die 50er Jahre des letzten Jahrhunderts g alt Zirkonium als ungeeignet für diesen Bereich. Das war allerdings in den 50er Jahren. Zum ersten Mal wurde ein Material erh alten, das vollständig von einer solchen Verunreinigung wie Hafnium gereinigt wurde. Nach der Reinigung stellte sich heraus, dass reines Zirkonium einen sehr kleinen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen hat. Diese Eigenschaft wurde zur Hauptqualität und ermöglichte den Einsatz von Zirkoniumlegierungen in der Kernenergieindustrie.

Zu ergänzen ist, dass einfach gereinigtes Zirkonium nicht verwendet werden konnte, da die Korrosionsbeständigkeit in heißem Wasser zu gering war. Danach entschied man sich für Legierungen auf Zirkoniumbasis. Sie haben sich in dampfgekühlten Reaktoren und ähnlichen korrosiven Umgebungen bewährt.

Allgemeine Anwendungen von Legierungen

Zirkonium wird häufig als Legierungselement verwendet. Dies liegt daran, dass die Metalle, denen dieser Stoff zugesetzt wird, hitzebeständiger, säurebeständiger usw. werden. Das heißt, die Legierung aus Metall und Zirkonium übertrifft den Ausgangsrohstoff in seinen Eigenschaften bei weitem.

Ferrozirkonium ist weit verbreitet. Es ist eine Legierung aus Zirkonium und Eisen. Der Geh alt des Legierungselements Zr erreicht 20 % der Gesamtmasse. Eine solche Substanz wird in der Metallurgie als Desoxidationsmittel und Entgasungsmittel für Stahl verwendet. Aluminium-Zirkonium-Legierungen beispielsweise gelten als die korrosionsbeständigsten und werden in Kathodengittern für Vakuumröhren verwendet. Der Geh alt an Zr in einer solchen Legierung beträgt nicht mehr als 3 % der Gesamtmasse.

In der Eisenmetallurgie wird neben Ferrozirkonium häufig eine Legierung aus Zr und Silizium verwendet. Es wird zum Entgasen von Stahl verwendet. Eine Legierung aus Kupfer und Zirkonium wird häufig zur Herstellung von leitfähigen Elementen für elektrische Geräte verwendet.

Zirkonium finden

Zirkonium ist ein eher seltenes Element. Der Geh alt dieser Substanz in der Erdkruste wird nicht überschritten0,025 Gew.-%. Zirkonium nimmt die zwölfte Zeile in der Tabelle der Metallprävalenzen ein. Dieser Rohstoff ist ziemlich verstreut, und daher ist es sehr schwierig, große Vorkommen davon zu finden. Es wird am häufigsten als chemische Verbindung in der Lithosphäre gefunden, da Zirkonium selbst ein lithophiles Element ist.