Aleaciones de circonio: composición, propiedades, aplicación

2025 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2025-01-24 13:15

El uso de la aleación de circonio está bastante extendido actualmente en medicina y energía nuclear. En otras industrias también se utiliza este material, pero en menor medida. Vale la pena señalar que varias aleaciones de esta materia prima han ganado popularidad. Por sí solo, el circonio no se ha convertido en un material popular, ya que su calidad es mucho peor que la de una aleación del mismo metal.

Información general

El circonio (Zr) es un elemento de la tabla periódica cuyo número atómico es 40 y su peso atómico es 91,22. En condiciones normales y en condiciones normales, este material es un metal brillante con un tinte blanco plateado. La densidad de dichas materias primas alcanza los 6,45 g/cm3. Este metal en su forma pura, que no contiene impurezas, se distingue por tener una ductilidad muy alta y es muy fácil de procesar tanto en frío como en caliente. Vale la pena señalar aquí que esta materia prima, como el titanio, por ejemplo, perderá drásticamente sus propiedades mecánicas si se combina con impurezas de sustancias no metálicas. El circonio y el oxígeno se consideran los peores compuestos.

Propiedades de los materiales yaleación

El circonio en sí mismo se distingue por el hecho de que tiene una resistencia bastante alta a varios ácidos. Esta materia prima no se disuelve en un ambiente como el ácido nítrico y clorhídrico o álcali. Esta característica es clave. Sobre esta base, se crean muchas aleaciones de circonio. Por ejemplo, si toma aleaciones de magnesio de varios componentes y les agrega un elemento como el circonio, el material se volverá mucho más resistente a la corrosión. Si crea una aleación de titanio y circonio, la resistencia al ácido del primer elemento aumentará.

También vale la pena señalar que todas las aleaciones de circonio con otros metales se caracterizan por el hecho de que no pierden su tenacidad en un amplio rango de temperatura, la resistencia a los choques mecánicos se mantiene en un nivel muy alto. Un ejemplo es una aleación de magnesio con un pequeño porcentaje de zinc y solo unas pocas décimas de un porcentaje de circonio. El metal resultante será casi el doble de fuerte que el magnesio y también podrá mantener su resistencia a temperaturas de hasta 200 grados centígrados.

Descripción de las funciones

Las aleaciones de circonio se usan más activamente en áreas tales como revestimientos de elementos combustibles, tuberías de canales de combustible y diversas partes de conjuntos combustibles. El propio circonio también se caracteriza por el hecho de que la sección transversal de absorción de neutrones es bastante baja. Según este indicador, es superado solo por sustancias como el magnesio y el berilio. Además, el punto de fusión del circonio es muy alto.

Las aleaciones de circonio utilizadas en diversas industrias se caracterizan por tener una muy alta resistencia a la corrosión en agua, en mezcla de vapor y agua, en vapor saturado y sobrecalentado hasta una temperatura de aproximadamente 350-360 grados centígrados. También vale la pena señalar que se espera que este límite de temperatura se eleve a valores más altos en un futuro próximo.

Parámetros de aleación

Las propiedades de las aleaciones de circonio en términos de estabilidad mecánica son bastante altas, lo que no se puede decir del circonio puro. Es mediante la aleación que se logra la alta resistencia del material. Por ejemplo, una aleación como el niobio (Nb) y un 1% de circonio (Zr) se caracterizará por el hecho de que el límite elástico del material a temperaturas de 20, 200, 300 y 400 grados centígrados será de 200, 160, 120 y 90 MPa. Esta aleación se usa activamente para el revestimiento de barras de combustible. Y, por ejemplo, si cambia la composición de la aleación de circonio con niobio, es decir, aumenta el contenido de circonio al 2,5 %, entonces el límite elástico aumentará a 280, 220, 200 y 180 MPa, a las mismas temperaturas.

Sin embargo, estos materiales tienen sus inconvenientes. Las desventajas incluyen el hecho de que la aleación con circonio resulta demasiado espeluznante cuando la temperatura alcanza los 320-350 grados centígrados y más. Otra desventaja es que Zr disuelve activamente el hidrógeno, lo que a menudo ocurre durante la corrosión. Debido a esto, se formarán sustancias como los hidruros de circonio, que reducen en gran medida la ductilidad de la materia prima, lo que hace que el metal sea más quebradizo.

Zirconio en medicina

Las aleaciones de circonio se utilizan de forma bastante activa en medicina. A través de experimentos, los científicos han descubierto que incluso usar pulseras de zirconio simples puede ayudar a tratar ciertas enfermedades y también puede aumentar el bienestar general de una persona.

Hoy en día, los implantes (retenedores) se utilizan a menudo en áreas de la medicina como la traumatología y la cirugía maxilofacial. Los fijadores se utilizan para fracturas, fijando los huesos para que no se muevan. Es en estos casos que se pueden distinguir tales ventajas de usar aleaciones de circonio como: alta compatibilidad biológica (es decir, la ausencia de reacciones alérgicas del cuerpo humano a tal aleación o rechazo), características de alta resistencia de la aleación, lo cual es muy importante para fijadores. También vale la pena señalar que la ausencia de rechazo o alergia a dicha sustancia llevó al hecho de que no había necesidad de repetir la operación quirúrgica para retirar el retenedor si el cuerpo repentinamente comenzaba a rechazar el implante.

Zirconio en la industria de la energía nuclear

Hasta los años 50 del siglo pasado, se creía que el zirconio no era adecuado para su uso en esta área. Sin embargo, fue en los años 50. Por primera vez, se obtuvo un material completamente purificado de una impureza como el hafnio. Después de la purificación, resultó que el circonio puro tiene una sección transversal de absorción de neutrones térmicos muy pequeña. Fue esta cualidad la que se convirtió en la principal e hizo posible el uso de aleaciones de circonio en la industria de la energía nuclear.

Cabe añadir que no se podía utilizar circonio simplemente purificado porque la resistencia a la corrosión era demasiado baja en agua caliente. Después de eso, se decidió utilizar aleaciones a base de circonio. Han demostrado su valía en reactores enfriados por vapor y entornos corrosivos similares.

Aplicaciones generales de las aleaciones

El circonio se usa mucho como elemento de aleación. Esto se debe al hecho de que los metales a los que se les agrega esta sustancia se vuelven más resistentes al calor, a los ácidos, etc. Es decir, la aleación de metal y circonio supera en gran medida a la materia prima inicial en sus características.

El ferrozirconio se usa bastante. Es una aleación de circonio y hierro. El contenido del elemento de aleación Zr alcanza el 20% de la masa total. Tal sustancia se usa en metalurgia como desoxidante y desgasificador para acero. Las aleaciones de aluminio y circonio, por ejemplo, se consideran las más resistentes a la corrosión y se utilizan en rejillas catódicas para tubos de vacío. El contenido de Zr en dicha aleación no supera el 3 % de la masa total.

En la metalurgia ferrosa, además del ferrozirconio, se suele utilizar una aleación de Zr y silicio. Se utiliza para desgasificar acero. Una aleación de cobre y zirconio se usa ampliamente para la fabricación de elementos conductores para equipos eléctricos.

Encontrar circonio

Vale la pena señalar que el circonio es un elemento bastante raro. El contenido de esta sustancia en la corteza terrestre no excede0,025% en peso. El circonio ocupa la duodécima línea en la tabla de prevalencia de metales. Esta materia prima se encuentra bastante dispersa, por lo que es muy difícil encontrar grandes depósitos de la misma. Se encuentra más comúnmente como un compuesto químico ubicado en la litosfera, ya que el propio circonio es un elemento litófilo.