Zirkonium: darauf basierende Legierungen. Eigenschaften, Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Das seltene, aber gleichzeitig in vielen Industrien sehr wichtige Metall - Zirkonium - wurde erst 1824 erstmals isoliert. Es enthielt jedoch noch einen gewissen Prozentsatz an anderen Elementen. Erst im 20. Jahrhundert war es möglich, reines Zirkonium frei von verschiedenen Verunreinigungen zu erh alten. Darauf basierende Legierungen werden erfolgreich zur Herstellung von feuerfesten Materialien, Schleifmitteln, Keramikfarben, Sandpapier, Textilien, Deodorants und Kunststeinen eingesetzt. Natürlich sollte man die hohe Bedeutung dieses Metalls in der Medizin nicht vergessen. Erfahren Sie mehr über ihn.

Entwicklung der Metallurgie

Zirkonium ist der Hauptbestandteil von Legierungen für die Kernenergietechnik. Aber dazu ist es notwendig, dass es so rein wie möglich von verschiedenen Verunreinigungen ist. Tatsache ist, dass in Zirkoniumerzen nicht nur ein Seltenerdelement wie Hafnium, sondern auch Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff enth alten sind. Und solche nichtmetallischen Verunreinigungen sind ziemlich gefährlich und können in der Zusammensetzung von Strukturmaterialien für Kernreaktoren in einer Menge von nicht mehr als einem Millionstel Prozent enth alten sein. Daher erhält man reines Zirkonium und Legierungen weiterseine Grundlage ist ein ziemlich langer und mühsamer Prozess. Zuerst wird das Konzentrat geöffnet, dann wird es angereichert, unerwünschte Verunreinigungen und Hafnium werden abgetrennt.

Reines Zirkonium sieht aus wie ein typisches Metall. Im Aussehen ist es Stahl sehr ähnlich, aber gleichzeitig h altbarer und duktiler. Natürlich können seine Eigenschaften in darauf basierenden Legierungen in Abhängigkeit von der Menge anderer Elemente erheblich variieren. Zum Beispiel macht Sauerstoff (mehr als 0,6 %) Zirkonium spröder. Aber es gibt auch eine Kehrseite: Das Dioxid dieses Metalls (ZrO_{2) hat einen Schmelzpunkt von 2680 °C.}

Hauptbaumaterial

Wie bereits erwähnt, ist der weiteste Bereich, in dem Zirkonium und seine Legierungen verwendet werden, die Nuklearindustrie. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie einen kleinen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen (nur 0,18 Barn), gute Korrosionseigenschaften und einen hohen Schmelzpunkt haben. TVEL ist also das wichtigste konstruktive Brennelement der aktiven Zone eines Kernreaktors, in dem Kernbrennstoff platziert wird. Darin findet die Sp altung schwerer Kerne statt, was bedeutet, dass das Brennstoffelement aus dem h altbarsten und feuerfeststen Metall bestehen muss und den Charakter der Neutronenabsorption im Reaktor nicht verändern darf.

Also werden Zirkoniumlegierungen verwendet, um seine Schale herzustellen. Die Anforderungen an sie sind ziemlich streng. Daher sollten Legierungselemente seine Eigenschaften nicht verschlechtern. Dies betrifft insbesondere den kleinen Wirkungsquerschnitt für den Einfang thermischer Neutronen. Zirkonium wird dazu legiertUnterdrücken Sie die schädlichen Wirkungen von Stickstoff und verbessern Sie seine Korrosionseigenschaften. Viele Elemente des Periodensystems von Mendelejew sind nicht geeignet, da sie bestimmte Eigenschaften reduzieren.

Die bekannteste Legierung zur Herstellung von Brennstäben ist Zircaloy. Sein Hauptlegierungselement ist Zinn, und Hilfselemente sind Eisen, Chrom und Nickel. In Russland wird Niob am häufigsten zum Legieren von Zirkonium verwendet. Es hat auch einen niedrigen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen, verringert die Wasserstoffaufnahme und bildet nur feste Lösungen. Und dies wiederum liefert Legierungen mit hoher Duktilität.

Zirkoniumlegierung

Die hohe Korrosionsbeständigkeit dieses Metalls erklärt, warum es so oft als Legierungselement in der Eisen- und Nichteisenmetallurgie verwendet wird. Außerdem ist es in Salz- und Salpetersäure und Alkalien unlöslich. So sind Mehrkomponentenlegierungen von Zirkonium mit Magnesium sehr beliebt. Außerdem erhöht das Legieren mit diesem Metall die Säurebeständigkeit von Titan. Legierungen von Zirkonium mit Kupfer haben eine hohe Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Häufig wird es auch als Zusatzstoff bei der Herstellung verschiedener Stahlsorten verwendet. Dadurch können Sie Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff aus ihnen entfernen.

Medizinische Industrie

In Anbetracht von Zirkonium und seinen Legierungen darf ein weiteres Einsatzgebiet nicht unerwähnt bleiben. In der Medizinbranche belegen sie bei weitem nicht den letzten Platz. In jüngerer Zeit, Stahl undTitanlegierungen. In einigen Fällen lehnte der Körper diese Metalle jedoch ab, gegen die eine allergische Reaktion auftrat. Die moderne Medizin verwendet Zirkonium- und Titanlegierungen zur Herstellung von Klammern, Platten, Implantaten, Prothesen und deren Befestigungsmechanismen.

Da dieses Metall und seine Verbindungen die Knochen und das umgebende Weichgewebe nicht reizen, wurde es erfolgreich in der Schmuckherstellung verwendet. Zum Beispiel verursachen Zirkoniumohrringe keine allergische Reaktion und heilen eine Wunde am Ohrläppchen nicht schlechter als Gold.

Leistungsaufnahme

Legierung aus Aluminium und Zirkonium hat viele positive Eigenschaften und wird daher erfolgreich in der Energiewirtschaft eingesetzt. Tatsache ist, dass Stahl- und Kupferdrähte ziemlich viel wiegen und alte Stützen einer solchen Belastung oft nicht standh alten können. 1960 stellte eine Gruppe von Wissenschaftlern in Japan eine Reihe von Legierungen aus Aluminium und Zirkonium her. Sie stellten fest, dass ein solches Material bei hohen Temperaturen (150-230 ° C) lange verwendet werden kann und gleichzeitig ziemlich leicht ist. Dadurch kann es zur Herstellung von Hochtemperaturdrähten verwendet werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und Effizienz elektrischer Netze.

Andere Anwendungen für Zirkonverbindungen und -legierungen

In vielen Antitranspirantien finden Sie eine Komponente wie Aluminium-Zirkonium-Tetrachlorhydrex. Es ist eine chemische Verbindung, die Schweiß und seinen Geruch absorbiert. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass dies nicht der Fall istin die Haut aufgenommen und kann daher keine schweren Gesundheitsschäden verursachen. Trotzdem ist Aluminium-Zirkonium-Tetrachlorhydrexglycin in der EU und den USA verboten.

Zirkonoxid wird zur Herstellung von Elektrokorund verwendet. Es wird durch Schmelzen in elektrischen Kippöfen gewonnen. Zirkonium-Elektrokorund erweist sich als ziemlich stark und ermöglicht die Verarbeitung von Materialien mit einer großen Spannkraft. Am häufigsten wird es zum groben und groben Schleifen verwendet.

Allgemein ist zu beachten, dass Zirkonium und seine Legierungen einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe chemische Beständigkeit und einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aus diesem Grund wird es in einer Vielzahl von Bereichen aktiv eingesetzt.