Zirkonium: Het element

Zirkonium is een bijzonder constructiemateriaal maar vooral ook een legeringselement in staal en lood. Het is ontdekt in 1789 door Martin Klaproth. Eerst in 1914 is zirkonium als element geïsoleerd. De naam is afgeleid van het mineraal zirkoon en dat is te herleiden tot het Perzische zargūn, dat goudkleurig betekent.

Algemene eigenschappen van zirkonium

Chemische eigenschappen van zirkonium

Fysische eigenschappen van zirkonium

Mechanische eigenschappen van ongelegeerd (constructiemetaal) zirkonium Zr 702

Zirconium in de voorraadhoudende handel: PLAAT, BUIS, STAF, DRAAD, STRIP

Het voorkomen van zirkonium houdende erts

In de natuur komt zirkonium niet als vrije element voor. De belangrijkste bron is het zirkonium houdende mineraal zirkoon in de aardbodem van Australië, Brazilië, India, Rusland en VS. Vaak is zirkonium een bijproduct van de winning van titanium.

Bereiding van zirkonium

Zirkoonsilicaat (ZrSiO4) wordt hoofdzakelijk aangetroffen in Australië, Brazilië, India, Rusland, Zuid Afrika en in Amerika. Vaak is zirkoonerts een bijproduct bij het delven van titaan- en tinerts. Met het chloreren wordt zirkoonerts omgezet in zirkoonchloride. Daarna wordt deze verbinding gereduceerd met magnesium waardoor er metallisch zirkonium ontstaat en magnesiumchloride.

Eigenschappen van zirkonium

• Zirkonium is lichter dan staal.
• De hardheid is ongeveer gelijk aan die van koper.
• Het metaal is bestand tegen vele chemicaliën.
• Bij temperaturen boven de 900 °C wordt zirkonium onder water bros en oxideert snel.
• Zirkoniummetaal is bedekt met een inactieve oxidelaag, waardoor koude minerale zuren het metaal niet aantasten.
• Zirconium reageert niet met basen, zelfs niet bij verhitting.

Anisotroop

Zirkonium heeft een hexagonale atoomrooster die transformeert naar een kubisch ruimtelijk rooster boven 860°C . De hexagonale atoomrooster heeft maar twee glijvlakken en daarom moeilijker te vervormen. Vanwege de hexagonale structuur zijn waarden als de uitzettingscoëfficiënt, treksterkte, rek en buigweerstand afhankelijkheid van de oriëntatie van het kristalrooster en die is weer afhankelijk van de walsrichting.

Invloed legeringselementen op de structuur

Legeringselementen kunnen de vorming van de alfa fase of de beta fase bevorderen. De z.g.n. alfa(hexagonaal rooster) en beta(kubisch ruimtelijk rooster) stabilisatoren. De alfa-fase wordt bevorderd door aluminium, antimoon, tin, beryllium, hafnium, stikstof, zuurstof en cadmium, de beta fase door ijzer, chroom, nikkel, molybdeen, koper, niobium, tantaal, vanadium, uranium, titaan, mangaan, kobalt en zilver.

Het verwerken van zirkoon

• Zirkoon wordt verspaand met hoge voeding, lage snijsnelheid en overvloedig snijolie. Omdat zirkonium koud verstevigt moet de beitel dieper in het materiaal, onder de verstevigde laag dringen.
• Zirkoonspanen en slijpsel onder water bewaren omdat ‘versnipperd’ zirkoon tot zelfontbranding kan komen.
• Zirkoon is goed lasbaar bij de juiste lasparameters. Niet alleen de laszone maar ook het afkoelende metaal moet beschermd worden tegen diffusie van zuurstof. die het zirkoon bros maken.
• Zirkoon wordt meestal gelast met het TIG- of het MIG-lasproces. Ook is het laserlassen een optie.
• Zirkoon is niet giftig en dat vergemakkelijkt het lasproces.
• Dankzij de lage thermische uitzetting heeft men tijdens het lassen weinig last van vervormingen en spanningen.
• Het is belangrijk dat men van te voren het materiaal goed ontvet en reinigt.
• Zirkoon is slechts aan enkele metalen te lassen en dat zijn titaan, vanadium en niobium. Indien zirkoon aan koolstofstaal gelast wordt dan last men eerst eerst een laagje vanadium op het staal, daarna last men zirkonium aan het vanadium.

Toepassing van zirkonium

• Zirkonium wordt gebruikt als zirkoon (ZrSiO4) voor het maken van gietvormen voor het gieten van metalen.
• Van zirkoon worden edelstenen gemaakt voor in juwelen te zetten. Zirkoon is van kleur te voorzien door diffusie van atomair zuurstof in de oxidehuid waardoor deze dikker wordt. De dikte van de transparante huid bepaalt de brekingsindex en door het prisma-effect alle kleuren van de regenboog te realiseren zijn en de zirkoon edelsteen is geboren.
• Zirkonium absorbeert slecht neutronen en om die reden, gelegeerd met tin (zircalloy), gebruikt in nucleaire installaties als bekleding van brandstofstaven.
• Bij hoge temperaturen (ca.1000 °C) kan zirkonium in watergekoelde reactoren een reactie aangaan met water (of stoom), waarbij het zirkonium oxideert en ontplofbaar waterstofgas vrijkomt, hetgeen gebeurde in 2011 bij de kernramp in Japan.
• Het wordt toegepast in brandbommen omdat het in poedervorm hevig brandt.
• Wegens de goede corrosiebestendigheid, wordt het materiaal in de chemische industrie gebruikt in pijpleidingen voor chemicaliën.
• Zirkoniumpoeder wordt in de pyrotechniek toegepast om een vuurpijl een witte staart te geven.
• In legeringen met niobium vormt het supergeleiders en wordt het gebruikt bij de productie van supergeleidende magneten.

Toepassing van zirkonium in de bereiding van zuren

De stabiele oxidehuid van zirkonium beschermt het onderliggende materiaal. Bij de bereiding van salpeterzuur en andere zuren als zoutzuur en zwavelzuur biedt zirkoon een uitzonderlijke weerstand tegen corrosie. Ook kan men met zirkoon de procestemperaturen verhogen waardoor men efficiënter kan werken. Tot dusver wordt austenitisch roestvaststaal gebruikt met een forse wanddikte wegens de corrosietoeslag. Veel geschikter is zirkonium. De potentiaal van de passieve zirkoon oxidehuid is veel hoger dan van roestvast staal.

De toepassing van zirkonium drukt onderhoudskosten en materiaalverbruik (de corrosietoeslag is kleiner). De warmte overdracht in warmtewisselaars bij een dunnere wand verloopt efficiënter, de harde oxidehuid maakt hogere vloeistofsnelheden mogelijk en de lage uitzettingscoefficient geeft minder storing wegens thermische vermoeiing bij de thermische wisselbelasting in de wisselaars.

Toepassingen van zirkonium(IV)oxide

• Zirkonium(1V)oxide wordt gebruikt als keramisch materiaal.
• In de tandtechniek als de basis voor (porseleinen) kronen en bruggen.
• In laboratoriumglaswerk waardoor het hittebestendig wordt.
• Voor het vervaardigen van keramische messen.

Effect van zirkonium op milieu en volksgezondheid

• Metallisch zirkonium is onschadelijk voor de mens.
• Zirkonium poeder kan spontaan ontbranden aan de lucht en is brand- en explosiegevaarlijk.
• Zirkonium verbindingen en Zirconium-zouten hebben een zeer lage toxiciteit.
• Zirkonium-95 is een radioactieve stof die wordt gebruikt voor testen van nucleaire wapens, de radioactieve stof die als elk radioactieve stof de kans op kanker verhoogt.
• Zirkoon levert, buiten de experimenten met nucleaire wapens, geen gevaar op voor milieu en volksgezondheid.