เซอร์โคเนียมอัลลอยด์: องค์ประกอบ คุณสมบัติ การใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

การใช้โลหะผสมเซอร์โคเนียมค่อนข้างแพร่หลายในด้านการแพทย์และพลังงานนิวเคลียร์ ในอุตสาหกรรมอื่น ๆ วัสดุนี้ยังใช้ แต่ในระดับที่น้อยกว่า เป็นที่น่าสังเกตว่าโลหะผสมต่างๆ จากวัตถุดิบนี้ได้รับความนิยม ด้วยตัวของมันเอง เซอร์โคเนียมยังไม่กลายเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยม เนื่องจากคุณภาพของเซอร์โคเนียมนั้นแย่กว่าโลหะผสมของโลหะชนิดเดียวกันมาก

ข้อมูลทั่วไป

เซอร์โคเนียม (Zr) เป็นองค์ประกอบของตารางธาตุที่มีเลขอะตอมเป็น 40 และมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 91.22 ภายใต้สภาวะปกติและภายใต้สภาวะปกติ วัสดุนี้เป็นโลหะมันเงาที่มีโทนสีขาวสีเงิน ความหนาแน่นของวัตถุดิบดังกล่าวถึง 6.45 g/cm3 โลหะนี้ในรูปแบบบริสุทธิ์ซึ่งไม่มีสิ่งเจือปนใด ๆ มีความโดดเด่นด้วยความจริงที่ว่ามีความเหนียวสูงมาก และง่ายต่อการดำเนินการทั้งเย็นและร้อน เป็นที่น่าสังเกตว่าวัตถุดิบ เช่น ไททาเนียม จะสูญเสียคุณสมบัติทางกลของมันไปอย่างรวดเร็ว หากรวมกับสิ่งเจือปนของสารที่ไม่ใช่โลหะ เซอร์โคเนียมและออกซิเจนถือเป็นสารประกอบที่แย่ที่สุด

คุณสมบัติของวัสดุและโลหะผสม

เซอร์โคเนียมนั้นโดดเด่นด้วยความจริงที่ว่ามันมีความต้านทานค่อนข้างสูงต่อกรดต่างๆ วัตถุดิบนี้ไม่ละลายในสภาพแวดล้อมเช่นกรดไนตริกและไฮโดรคลอริกหรือด่าง คุณลักษณะนี้เป็นกุญแจสำคัญ บนพื้นฐานของโลหะผสมเซอร์โคเนียมจำนวนมากถูกสร้างขึ้น ตัวอย่างเช่น หากคุณนำแมกนีเซียมอัลลอยด์ที่มีหลายองค์ประกอบและเพิ่มองค์ประกอบเช่นเซอร์โคเนียมเข้าไป วัสดุจะมีความทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น หากคุณสร้างโลหะผสมของไทเทเนียมและเซอร์โคเนียม ความต้านทานกรดขององค์ประกอบแรกจะเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ยังควรสังเกตด้วยว่าโลหะผสมเซอร์โคเนียมทั้งหมดกับโลหะอื่นๆ มีลักษณะเฉพาะโดยที่พวกเขาไม่สูญเสียความเหนียวในช่วงอุณหภูมิกว้าง ความต้านทานการกระแทกทางกลยังคงอยู่ที่ระดับที่สูงมาก ตัวอย่างคือโลหะผสมแมกนีเซียมที่มีสังกะสีไม่กี่เปอร์เซ็นต์และเซอร์โคเนียมเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ โลหะที่ได้จะมีความแข็งแรงเกือบสองเท่าของแมกนีเซียม และยังสามารถรักษาความแข็งแรงของมันได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 200 องศาเซลเซียส

คำอธิบายคุณสมบัติ

เซอร์โคเนียมอัลลอยด์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น การหุ้มชิ้นส่วนเชื้อเพลิง ท่อช่องน้ำมันเชื้อเพลิง และชิ้นส่วนต่างๆ ของส่วนประกอบเชื้อเพลิง เซอร์โคเนียมเองก็มีลักษณะเฉพาะด้วยความจริงที่ว่าส่วนการดูดกลืนนิวตรอนค่อนข้างต่ำ ตามตัวบ่งชี้นี้ เป็นอันดับสองรองจากสารเช่นแมกนีเซียมและเบริลเลียม นอกจากนี้เซอร์โคเนียมมีจุดหลอมเหลวสูงมาก

โลหะผสมเซอร์โคเนียมที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงมากในน้ำ ในส่วนผสมของไอน้ำกับไอน้ำ ในไอน้ำอิ่มตัวและร้อนยวดยิ่งจนถึงอุณหภูมิประมาณ 350-360 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าขีดจำกัดอุณหภูมินี้คาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็นค่าที่สูงขึ้นในอนาคตอันใกล้

พารามิเตอร์โลหะผสม

คุณสมบัติของเซอร์โคเนียมอัลลอยด์ในแง่ของความเสถียรทางกลค่อนข้างสูง ซึ่งไม่สามารถพูดถึงเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์ได้ โดยการผสมเพื่อให้ได้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง ตัวอย่างเช่น โลหะผสม เช่น ไนโอเบียม (Nb) และ 1% เซอร์โคเนียม (Zr) จะมีลักษณะเฉพาะโดยความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิ 20, 200, 300 และ 400 องศาเซลเซียส จะเท่ากับ 200, 160, 120 และ 90 MPa โลหะผสมนี้ถูกใช้อย่างแข็งขันสำหรับการหุ้มแท่งเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น หากคุณเปลี่ยนองค์ประกอบของโลหะผสมเซอร์โคเนียมด้วยไนโอเบียม นั่นคือ เพิ่มเนื้อหาเซอร์โคเนียมเป็น 2.5% จากนั้นความแข็งแรงของผลผลิตจะเพิ่มขึ้นเป็น 280, 220, 200 และ 180 MPa ที่อุณหภูมิเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม วัสดุดังกล่าวมีข้อเสีย ข้อเสีย ได้แก่ โลหะผสมที่มีเซอร์โคเนียมดูน่าขนลุกเกินไปเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 320-350 องศาเซลเซียสขึ้นไป ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือ Zr จะละลายไฮโดรเจนอย่างแข็งขัน ซึ่งมักเกิดขึ้นระหว่างการกัดกร่อน ด้วยเหตุนี้ สารเช่นเซอร์โคเนียมไฮไดรด์จะก่อตัวขึ้น ซึ่งลดความเหนียวของวัตถุดิบได้อย่างมาก ซึ่งทำให้โลหะเปราะมากขึ้น

เซอร์โคเนียมในยา

โลหะผสมเซอร์โคเนียมถูกใช้อย่างแข็งขันในการแพทย์ นักวิทยาศาสตร์จากการทดลองต่างๆ พบว่าแม้แต่การสวมสร้อยข้อมือเซอร์โคเนียมธรรมดาก็สามารถช่วยรักษาโรคบางชนิดได้ และยังช่วยเพิ่มความเป็นอยู่ที่ดีโดยรวมของบุคคลได้อีกด้วย

วันนี้ รากฟันเทียม (รีเทนเนอร์) มักถูกใช้ในด้านการแพทย์ เช่น บาดแผลและใบหน้า Fixators ใช้สำหรับกระดูกหักแก้ไขกระดูกเพื่อไม่ให้ขยับ ในกรณีเหล่านี้เราสามารถแยกแยะข้อดีของการใช้โลหะผสมเซอร์โคเนียมเช่น: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูง (หมายถึงไม่มีปฏิกิริยาแพ้ของร่างกายมนุษย์ต่อโลหะผสมหรือการปฏิเสธดังกล่าว) ลักษณะความแข็งแรงสูงของโลหะผสมซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมาก สำหรับผู้ซ่อม นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าการไม่ปฏิเสธหรือแพ้สารดังกล่าวทำให้ไม่จำเป็นต้องผ่าตัดซ้ำเพื่อถอดรีเทนเนอร์ออกหากจู่ๆ ร่างกายก็เริ่มปฏิเสธการฝัง

เซอร์โคเนียมในอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์

จนถึงยุค 50 ของศตวรรษที่ผ่านมา เชื่อกันว่าเซอร์โคเนียมไม่เหมาะสำหรับใช้ในบริเวณนี้ อย่างไรก็ตามมันอยู่ในยุค 50 เป็นครั้งแรกที่ได้รับวัสดุซึ่งถูกทำให้บริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์จากสิ่งเจือปนเช่นฮาฟเนียม หลังจากการทำให้บริสุทธิ์ ปรากฏว่าเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์มีส่วนการดูดกลืนนิวตรอนความร้อนที่เล็กมาก คุณภาพนี้กลายเป็นคุณสมบัติหลักและทำให้สามารถใช้โลหะผสมเซอร์โคเนียมในอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ได้

ควรเติมว่าไม่สามารถใช้เซอร์โคเนียมบริสุทธิ์ได้เนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนต่ำเกินไปในน้ำร้อน หลังจากนั้นจึงตัดสินใจใช้โลหะผสมที่มีเซอร์โคเนียมเป็นส่วนประกอบหลัก พวกเขาได้พิสูจน์คุณค่าของพวกเขาในเครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยไอน้ำและสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่คล้ายกัน

งานโลหะผสมทั่วไป

เซอร์โคเนียมใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะที่เป็นโลหะผสม เนื่องจากโลหะที่เติมสารนี้จะมีความทนทานต่อความร้อน ทนกรด เป็นต้น นั่นคือโลหะผสมของโลหะและเซอร์โคเนียมมีคุณสมบัติเกินกว่าวัตถุดิบเริ่มต้นอย่างมาก

เฟอร์โรเซอร์โคเนียมค่อนข้างใช้กันอย่างแพร่หลาย เป็นโลหะผสมของเซอร์โคเนียมและเหล็ก เนื้อหาขององค์ประกอบโลหะผสม Zr ถึง 20% ของมวลทั้งหมด สารดังกล่าวใช้ในโลหะวิทยาเป็นตัวกำจัดออกซิไดซ์และตัวขจัดแก๊สสำหรับเหล็ก ยกตัวอย่างเช่น อะลูมิเนียม-เซอร์โคเนียมอัลลอยด์ ถือว่าทนทานต่อการกัดกร่อนมากที่สุด และใช้ในกริดแคโทดสำหรับหลอดสุญญากาศ เนื้อหาของ Zr ในโลหะผสมดังกล่าวไม่เกิน 3% ของมวลรวม

ในโลหะผสมเหล็ก นอกเหนือจากเฟอร์โรเซอร์โคเนียมแล้ว มักใช้โลหะผสมของ Zr และซิลิกอน ใช้สำหรับรีดเหล็ก โลหะผสมของทองแดงและเซอร์โคเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตองค์ประกอบนำไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า

หาเซอร์โคเนียม

ควรสังเกตว่าเซอร์โคเนียมเป็นธาตุที่ค่อนข้างหายาก เนื้อหาของสารนี้ในเปลือกโลกไม่เกิน0.025% โดยน้ำหนัก เซอร์โคเนียมตรงบริเวณบรรทัดที่สิบสองในตารางความชุกของโลหะ วัตถุดิบนี้มีการกระจายตัวค่อนข้างมาก ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะหาแหล่งสะสมขนาดใหญ่ มักพบเป็นสารประกอบทางเคมีในเปลือกโลก เนื่องจากเซอร์โคเนียมเองเป็นธาตุหินปูน