Zirkonium

Zirkonium is een uiterst corrosiebestendig metaal dat qua mechanisch gedrag en fysische eigenschappen behoorlijk overeenkomt met titaan. Het metaal reageert uiterst snel met zuurstof waardoor het een hechte stabiele oxidehuid vormt. 

Vanwege de hexagonale pakkingstructuur heeft zirkonium slechts een beperkt aantal glijvlakken en daarom zijn bepaalde waarden, zoals de uitzettingscoëfficiënt, treksterkte, rek en de buigweerstand variabel in afhankelijkheid van de oriëntatie van het kristalrooster. Zirkonium kan goed worden bewerkt mits men drie parameters in acht neemt te weten: lage snijsnelheid, hoge voeding en een overvloedige toediening van snijolie. 

Zirkonium is niet giftig en daarom vereist de verwerking geen speciale eisen. Het enige gevaar schuilt in de grote verbrandingsneiging waarbij zeer veel energie vrijkomt. Zeer kleine deeltjes kunnen gemakkelijk tot zelfontbranding komen. Daarom moet men zirkoonspanen of slijpsel altijd bewaren in speciale opslagvaten die dusdanig met water zijn gevuld zodat de zirkoonresiduen altijd onder water staan.

Erts

Zirkonium is een metaal dat nooit puur wordt gevonden in de aardkorst maar meestal als zirkoonsilicaat (ZrSiO4), beter bekend als het mineraal zirkoon. Dit erts wordt hoofdzakelijk aangetroffen in Australië, Brazilië, India, Rusland, Zuid-Afrika en in Amerika. Dankzij het Kroll-proces kan men er door een vrij gecompliceerd reductieproces metallisch zirkonium van maken. Eigenlijk wordt het erts als bijproduct gevonden bij het delven van titaan- en tinerts. Al met al is dit, net als bij het metaal titaan, een zeer energieconsumerend proces. Als bijproduct ontstaat er ook nog zo’n 1 tot 3% hafnium.

Men denkt wel eens dat zirkonium een edelmetaal is omdat het zich zo enorm edel gedraagt maar dat is niet het geval. De oxidehuid is edel en zeer stabiel waardoor het onderliggende metaal optimaal beschermd blijft tegen allerlei chemische reagentia. Op dit gebied wint zirkoon het ook van haar zustermetaal titaan en dat vooral bij verhoogde temperaturen. Dit komt vooral tot uiting bij de bereiding van salpeterzuur waar zirkonium een extreme weerstand tegen corrosie biedt en dat zelfs indien er chloriden aanwezig zijn. Ook kan men met zirkonium de procestemperaturen probleemloos verhogen waardoor men efficiënter kan werken.
Zirkonium is net als titaan een reactief metaal, en nog corrosie bestendiger dan titanium. 

Lassen

Zirkonium is qua lassen goed te vergelijken met titaan. Zirkonium wordt meestal gelast m.b.v. het TIG of MIG-lasproces maar ook wel met het plasma-lasproces en laserlassen. Vanwege de grote reactiviteit van zirkonium met zuurstof, stikstof en waterstof bij hoge temperaturen zal tijdens het lassen de las beschermd moeten worden met een zuiver inert gas, zoals argon, of in een afdoende vacuüm omgeving. Bovendien dient zirkonium ook vrij te zijn van vet, olie en vuil teneinde te voorkomen dat koolstof- en zuurstofhoudende vervuilingen het materiaal verbrost of poreusheid veroorzaakt.
Zirkonium heeft een lage uitzettingcoëfficiënt en dat is een groot voordeel omdat het materiaal dan nauwelijks vervormt tijdens een thermische belasting. Vanwege de lage elasticiteitsmodulus zijn de restspanningen in de lasverbindingen gering. Ondanks dit is het toch aan te raden na het lassen spanningsvrij te gloeien bij 550-600°C. Als richtlijn wordt 1 uur gloeitijd aanbevolen per 25 mm materiaaldikte.

Een groot verschil met het lassen van roestvast staal is dat zirkonium een veel hogere graad van schoon werken vereist en dat men naast het gesmolten metaal ook de afkoelende las goed moet beschermen met een overmaat aan inert gas totdat het materiaal een temperatuur heeft bereikt van 480°C. Ook moet het inerte gas (meestal argon) vrij zijn van vocht en andere verontreinigingen. 

Legeringen

De commercieel zuivere kwaliteit Zr 702 wordt het meest industrieel toegepast in de chemische sector. Deze kwaliteit heeft de beste corrosiebestendigheid maar is mechanisch de zwakste in vergelijking met alle andere zirkoniumlegeringen. De zirkonium kwaliteit Zr 705 heeft echter nagenoeg dezelfde corrosiebestendigheid als Zr 702 maar heeft vanwege de gemengde kristalstructuur mechanische waarden die bijna twee keer zo groot zijn.

Metaalkundige, Ko Buijs, heeft ook een interessant artikel gewijd aan zirkonium dat werd gepubliceerd in het magazine 'Stainless Steel World'

Zirconium facts at your fingertips