סגסוגות זירקוניום: הרכב, מאפיינים, יישום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

השימוש בסגסוגת זירקוניום נפוץ כיום ברפואה ובאנרגיה גרעינית. בתעשיות אחרות נעשה שימוש גם בחומר זה, אך במידה פחותה. ראוי לציין כי סגסוגות שונות מחומר גלם זה צברו פופולריות. כשלעצמו, זירקוניום לא הפך לחומר פופולרי, שכן איכותו גרועה בהרבה מזו של סגסוגת מאותה מתכת.

מידע כללי

זירקוניום (Zr) הוא יסוד בטבלה המחזורית שמספרו האטומי הוא 40 ומשקלו האטומי הוא 91.22. במצב רגיל ובתנאים רגילים, חומר זה הוא מתכת מבריקה בעלת גוון לבן כסוף. הצפיפות של חומרי גלם כאלה מגיעה ל-6.45 גרם/ס מ3. מתכת זו בצורתה הטהורה, שאינה מכילה כל זיהומים, מובחנת בכך שהיא בעלת גמישות גבוהה מאוד, והיא קלה מאוד לעיבוד קרה וחמה. ראוי לציין כאן שחומר גלם זה, כמו טיטניום, למשל, יאבד בחדות את תכונותיו המכניות אם ישולבו עם זיהומים של חומרים לא מתכתיים. זירקוניום וחמצן נחשבים לתרכובות הגרועות ביותר.

מאפייני חומרים וסגסוגת

הזירקוניום עצמו מובחן בעובדה שיש לו עמידות גבוהה למדי לחומצות שונות. חומר גלם זה אינו מתמוסס בסביבה כגון חומצה חנקתית והידרוכלורית או אלקלי. תכונה זו היא המפתח. על בסיסו נוצרות סגסוגות זירקוניום רבות. לדוגמה, אם תיקחו סגסוגות מגנזיום מרובות רכיבים ותוסיפו להן יסוד כמו זירקוניום, החומר יהפוך להרבה יותר עמיד בפני קורוזיה. אם תיצור סגסוגת של טיטניום וזירקוניום, אזי ההתנגדות לחומצה של היסוד הראשון תגדל.

כדאי לציין גם שכל סגסוגות הזירקוניום עם מתכות אחרות מתאפיינות בכך שהן אינן מאבדות את הקשיחות שלהן בטווח טמפרטורות רחב, העמידות בפני זעזועים מכני נשארת ברמה גבוהה מאוד. דוגמה לכך היא סגסוגת מגנזיום עם כמה אחוזי אבץ ורק כמה עשיריות אחוז זירקוניום. המתכת שתתקבל תהיה חזקה כמעט פי שניים ממגנזיום, והיא גם תוכל לשמור על חוזקה בטמפרטורות של עד 200 מעלות צלזיוס.

תיאור התכונות

סגסוגות זירקוניום נמצאות בשימוש הפעיל ביותר באזורים כגון חיפוי אלמנטי דלק, צינורות תעלות דלק וחלקים שונים של מכלולי דלק. זירקוניום עצמו מאופיין גם בכך שחתך ספיגת הנייטרונים נמוך למדי. על פי אינדיקטור זה, הוא שני רק לחומרים כמו מגנזיום ובריליום. בנוסף, נקודת ההיתוך של זירקוניום גבוהה מאוד.

סגסוגות זירקוניום המשמשות בתעשיות שונות מתאפיינות בכך שהן בעלות עמידות בפני קורוזיה גבוהה מאוד במים, בתערובת קיטור-מים, באדים רוויים ומחוממים עד לטמפרטורה של כ-350-360 מעלות צלזיוס. כמו כן, ראוי לציין כי מגבלת טמפרטורה זו צפויה לעלות לערכים גבוהים יותר בעתיד הקרוב.

פרמטרי סגסוגת

המאפיינים של סגסוגות זירקוניום מבחינת יציבות מכנית גבוהים למדי, מה שלא ניתן לומר על זירקוניום טהור. על ידי סגסוגת מושגת החוזק הגבוה של החומר. לדוגמה, סגסוגת כמו ניוביום (Nb) ו-1% זירקוניום (Zr) תתאפיין בכך שעוצמת התפוקה של החומר בטמפרטורות של 20, 200, 300 ו-400 מעלות צלזיוס תהיה 200, 160, 120 ו-90 MPa. סגסוגת זו משמשת באופן פעיל לחיפוי מוט דלק. ולדוגמא, אם תשנה את הרכב סגסוגת הזירקוניום בניוביום, כלומר תגדיל את תכולת הזירקוניום ל-2.5%, חוזק התפוקה יגדל ל-280, 220, 200 ו-180 MPa, באותן טמפרטורות.

עם זאת, לחומרים כאלה יש חסרונות. החסרונות כוללים את העובדה שהסגסוגת עם זירקוניום מתבררת כמצמררת מדי כשהטמפרטורה מגיעה ל-320-350 מעלות צלזיוס ומעלה. חסרון נוסף הוא ש-Zr ממיס מימן באופן פעיל, המתרחש לעתים קרובות במהלך קורוזיה. בשל כך, יווצרו חומרים כמו זירקוניום הידרידים, אשר מפחיתים מאוד את גמישות חומר הגלם, מה שהופך את המתכת לשבירה יותר.

זירקוניום ברפואה

סגסוגות זירקוניום נמצאות בשימוש די פעיל ברפואה. מדענים באמצעות ניסויים מצאו שאפילו ענידת צמידי זירקוניום פשוטים יכולה לסייע בטיפול במחלות מסוימות, וזה גם יכול להגביר את הרווחה הכללית של האדם.

כיום, משתמשים בשתלים (ריטיינרים) לעתים קרובות בתחומי רפואה כמו טראומטולוגיה וכירורגיית פה ולסת. מקבעים משמשים לשברים, מקבעים את העצמות כך שלא יזוזו. במקרים אלו ניתן להבחין ביתרונות של שימוש בסגסוגות זירקוניום כמו: תאימות ביולוגית גבוהה (כלומר היעדר תגובות אלרגיות של גוף האדם לסגסוגת כזו או לדחייה), מאפייני חוזק גבוהים של הסגסוגת, שהיא חשובה מאוד. עבור מקבעים. עוד ראוי לציין שהעדר דחייה או אלרגיה לחומר כזה הוביל לכך שלא היה צורך לחזור על הפעולה הכירורגית להסרת הריטיינר אם הגוף החל לפתע לדחות את השתל.

זרקוניום בתעשיית הכוח הגרעיני

עד שנות ה-50 של המאה הקודמת, האמינו שזירקוניום אינו מתאים לשימוש באזור זה. עם זאת, זה היה בשנות ה-50. בפעם הראשונה התקבל חומר שטוהר לחלוטין מטומאה כמו הפניום. לאחר הטיהור, התברר כי לזירקוניום טהור יש חתך ספיגת נויטרונים תרמי קטן מאוד. איכות זו היא שהפכה להיות העיקרית ואיפשרה להשתמש בסגסוגות זירקוניום בתעשיית הכוח הגרעיני.

יש להוסיף שלא ניתן היה להשתמש בזירקוניום פשוט מטוהר מכיוון שעמידות בפני קורוזיה הייתה נמוכה מדי במים חמים. לאחר מכן, הוחלט להשתמש בסגסוגות על בסיס זירקוניום. הם הוכיחו את ערכם בכורים מקוררי קיטור ובסביבות קורוזיביות דומות.

יישומים כלליים של סגסוגות

זירקוניום נמצא בשימוש נרחב כיסוד סגסוג. זאת בשל העובדה שהמתכות אליהן מוסיפים חומר זה הופכות להיות יותר עמידות בחום, עמידות לחומצות וכו'. כלומר, סגסוגת המתכת והזירקוניום עולה במאפיינים בהרבה על חומר הגלם ההתחלתי.

פרוזירקוניום נמצא בשימוש נרחב למדי. זוהי סגסוגת של זירקוניום וברזל. התוכן של אלמנט הסגסוג Zr מגיע ל-20% מהמסה הכוללת. חומר כזה משמש במטלורגיה כמסיר חמצון ומסיר גז לפלדה. סגסוגות אלומיניום-זירקוניום, למשל, נחשבות לעמידות ביותר בפני קורוזיה ומשמשות ברשתות קתודיות לצינורות ואקום. תכולת ה-Zr בסגסוגת כזו אינה עולה על 3% מהמסה הכוללת.

במטלורגיית ברזל, בנוסף ל-ferrozirconium, משתמשים לעתים קרובות בסגסוגת של Zr וסיליקון. הוא משמש להסרת גז פלדה. סגסוגת של נחושת וזירקוניום נמצאת בשימוש נרחב לייצור אלמנטים מוליכים לציוד חשמלי.

מציאת זירקוניום

ראוי לציין שזירקוניום הוא יסוד נדיר למדי. התוכן של חומר זה בקרום כדור הארץ אינו עולה על0.025% לפי משקל. זירקוניום תופס את הקו השתים עשרה בטבלת השכיחות של מתכות. חומר הגלם הזה מפוזר למדי, ולכן קשה מאוד למצוא מרבצים גדולים ממנו. הוא נמצא לרוב כתרכובת כימית הממוקמת בליתוספירה, מכיוון שהזירקוניום עצמו הוא יסוד ליתופילי.