Lo zirconio è un metallo passivante bianco argenteo- la cui pellicola superficiale è sufficientemente densa da resistere alla maggior parte degli acidi organici e inorganici, agli alcali forti, ai sali fusi e all'acqua ad alta-temperatura. Quella pellicola è la ragione per cui le leghe di zirconio vengono scelte per gli impianti chimici, e la sezione trasversale-a bassissimo assorbimento di neutroni del metallo è la ragione per cui vengono scelte per il rivestimento del combustibile nucleare. Lo stesso elemento è alla base anche di una vasta famiglia di prodotti refrattari e chimici derivati dalla sabbia di zirconio e dalla zirconia.
Caratteristiche fisiche e metallurgiche
| Proprietà | Valore o comportamento tipico |
|---|---|
| Aspetto | metallo bianco argentato |
| Densità | circa 6,5 g/cm3 |
| Punto di fusione | circa 1855 gradi |
| Pellicola superficiale | ossido passivo denso, autoriparante-in aria e acqua |
| Duttilità | forte plasticità; facilmente formato in piastra, tubo e filo |
| Affinità del gas | assorbe ossigeno, idrogeno e azoto a temperatura elevata |
| Abbondanza | 19esimo elemento più abbondante nella crosta terrestre, vicino al cromo |
A temperature molto elevate lo zirconio reagisce con molti elementi metallici e non-metallici per formare soluzioni e composti solidi. Questo comportamento gettering è utile nella tecnologia del vuoto e rende lo zirconio un materiale candidato per lo stoccaggio dell'idrogeno, poiché assorbe facilmente l'idrogeno e lo rilascia nuovamente quando riscaldato o quando la pressione dell'idrogeno diminuisce. La stessa affinità significa che la fusione e la saldatura devono essere effettuate sotto vuoto o gas inerte per evitare l'assorbimento di ossigeno e azoto.
Resistenza alla corrosione e suoi limiti
Lo zirconio è più resistente alla corrosione del titanio in molti ambienti, motivo per cui appare in ambienti chimici aggressivi. Non dovrebbe essere selezionato, tuttavia, per i media che attaccano il film passivo:
soluzioni contenenti acido fluoridrico e fluoruro-;
acido solforico concentrato e acido fosforico concentrato;
acqua regia e acqua bromo;
cloro umido e cloruri ossidanti come soluzioni di cloruro rameico e cloruro ferrico.
Al di fuori di queste eccezioni, le apparecchiature allo zirconio gestiscono la maggior parte degli acidi organici, acidi minerali a concentrazione e temperatura moderate, alcali, sali fusi e acqua ad alta-temperatura ed è comune negli scambiatori di calore, reattori, colonne, pompe e tubazioni dove è necessario evitare la contaminazione da prodotti di corrosione.
Gradi di leghe e forme di prodotto
Lo zirconio commercialmente puro viene utilizzato per apparecchiature di processi chimici, mentre le leghe di zirconio-stagno come Zr-2 e Zr-4, coperte da specifiche di prodotti di laminazione come ASTM B352 per piastre, fogli e nastri, ASTM B353 per tubi senza saldature e saldati e ASTM B550 per barre e fili, vengono utilizzate per applicazioni nucleari e altri compiti impegnativi. Le leghe con niobio vengono scelte laddove sono richieste migliori prestazioni o resistenza alla corrosione. Le forme disponibili includono piastre, fogli, nastri, tubi saldati e senza saldatura, barre, fili e pezzi forgiati, prodotti da spugna di zirconio mediante fusione sotto vuoto e successiva lavorazione a caldo e a freddo con ricottura intermedia controllata. Il contenuto di ossigeno è il punto di specifica chiave, perché controlla la resistenza e la duttilità.
Principali Campi di Applicazione
Energia nucleare.Le leghe di zirconio con una sezione trasversale di assorbimento di neutroni termici molto bassa- sono il rivestimento standard e il materiale strutturale per le barre di combustibile, dove devono contenere combustibile, trasferire il calore in modo efficiente e rimanere dimensionalmente stabili sotto irradiazione.
Attrezzature chimiche e metallurgiche.Piastre, tubi e fili di zirconio vengono fabbricati in scambiatori di calore, recipienti, rivestimenti e componenti interni per servizi corrosivi, e lo zirconio viene aggiunto a determinate leghe per migliorare il comportamento alla corrosione e agire come affinatore del grano.
Refrattari, fonderia e ceramica.Lo zirconio e la zirconia vengono consumati in grandi quantità come mattoni refrattari a base di zirconio-, sabbia per colata di precisione e rivestimenti per stampi, nonché in ceramica, smalti e vetro, dove aumentano la refrattarietà e la durabilità chimica.
Prodotti chimici allo zirconio.Il biossido di zirconio, l'ossicloruro di zirconio, il solfato di zirconio, lo zirconato di sodio e il fluorozirconato di potassio sono prodotti dalla sabbia di zirconio e utilizzati in catalizzatori, trattamenti superficiali, pigmenti, lavorazione tessile e carta e altri prodotti chimici speciali.
Domande frequenti
D: A cosa serve la lega di zirconio?
Gli usi principali sono rivestimenti di combustibile nucleare e componenti strutturali, apparecchiature per processi chimici resistenti alla corrosione-come scambiatori di calore e reattori, aggiunte di leghe e un'ampia gamma di materiali refrattari, sabbie di fonderia e prodotti chimici allo zirconio.
D: Qual è il punto di fusione e la densità dello zirconio?
Lo zirconio fonde a circa 1855 gradi e ha una densità di circa 6,5 g/cm3, con un aspetto bianco argentato-.
D: Quali sostanze chimiche attaccano lo zirconio?
L'acido fluoridrico, l'acido solforico e fosforico concentrato, l'acqua regia, l'acqua bromo, il cloro umido e i cloruri ossidanti come le soluzioni di cloruro rameico e ferrico attaccano tutti la pellicola passiva, quindi lo zirconio non è selezionato per tali compiti.
D: Lo zirconio è più resistente alla corrosione del titanio?
In molti ambienti acidi e alcalini lo zirconio resiste alla corrosione meglio del titanio, motivo per cui viene scelto per servizi chimici severi nonostante il suo costo più elevato.
D: Perché lo zirconio viene utilizzato nei reattori nucleari?
Combina una sezione trasversale di assorbimento di neutroni termici molto bassa-con buona robustezza, duttilità e resistenza alla corrosione in acqua ad alta-temperatura, rendendolo il materiale standard per il rivestimento del carburante.
D: Qual è la differenza tra Zr-2 e Zr-4?
Entrambe sono leghe di zirconio-stagno utilizzate nel servizio nucleare; differiscono nelle aggiunte di lega e Zr-4 è stato sviluppato per ridurre l'assorbimento di idrogeno in condizioni di reattore ad acqua pressurizzata.
