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Zirkonium
Zirkonium

Zirconium 99,97 %

Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Zirkon

Verwendung



Rohstoff für Zirkonium und Zirkoniumverbindungen

Zirkon ist das wichtigste Zirkonium- und Hafniumerz. Es wird für feuerfeste Steine (zusammen mit Tonerde bzw. Korund), als Formsand in Gießereien, in der Glasindustrie und als Schleifmittel verwendet.

Zirkonium und Zirkoniumlegierungen

Zirconium ist ein silbrig-glänzendes Schwermetall, es ähnelt äußerlich Stahl. Das Metall kristallisiert in zwei unterschiedlichen Modifikationen, in die es durch Temperaturänderung überführt werden kann.

Zirconium ist relativ weich und biegsam. Es lässt sich gut durch Walzen, Schmieden und Hämmern verarbeiten. Durch geringe Verunreinigungen von Wasserstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff im Metall wird es aber spröde und schwer zu verarbeiten. Die elektrische Leitfähigkeit ist nicht so gut wie die anderer Metalle.

Zirconium ist ein unedles Metall, welches besonders unter hoher Temperatur mit vielen Nichtmetallen reagiert. Vor allem als Pulver verbrennt es mit weißer Flamme zu Zirconiumdioxid, bei Anwesenheit von Stickstoff auch zu Zirconiumnitrid und Zirconiumoxinitrid. Kompaktes Metall reagiert erst bei Weißglut mit Sauerstoff und Stickstoff.

Zirconium ist an der Luft durch eine dünne, sehr dichte Zirconiumoxidschicht passiviert und deshalb reaktionsträge. Es ist darum in fast allen Säuren unlöslich, lediglich Königswasser und Flusssäure greifen Zirconium schon bei Raumtemperatur an. Wässrige Basen reagieren nicht mit Zirconium.

Wegen seiner Eigenschaft, beim Verbrennen ein sehr helles Licht auszusenden, wurde metallisches Zirkoniumpulver neben Magnesium als Blitzlichtpulver verwendet. Im Gegensatz zu Magnesium hat Zirconium den Vorteil, rauchfrei zu sein. Diese Eigenschaft wird ebenso in Feuerwerkskörpern und Signallichtern ausgenutzt.

Eine wichtige Verwendung für Zirkonium sind die aus Zircaloy hergestellten Hüllen der Uran-Brennelemente in Kernkraftwerken. Diese Legierung besteht aus ca. 90 % Zirkonium und geringen Anteilen an Zinn, Eisen, Chrom oder Nickel, darf jedoch kein Hafnium enthalten. Der Grund für die Wahl dieses Elements ist der geringe Einfangsquerschnitt. Zirkonium ist fast transparent für thermische Neutronen (0.0253 eV) mit 0.185 barn, während das chemisch nahe Hafnium (direkt untereinander im Periodensystem, mit gleicher Valenz) mit 102 barn ein sehr wirksamer Neutronenfänger ist.

Da Zirkonium mit geringen Mengen Sauerstoff und Stickstoff reagiert, kann es als Gettermaterial in Glühlampen und Vakuumanlagen zur Aufrechterhaltung des Vakuums genutzt werden. Diese Eigenschaft wird auch in der Metallurgie ausgenutzt, um Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel aus Stahl zu entfernen.

Zirkonium sendet beim Aufprall auf Metalloberflächen einen Funkenschwall ab und ist brennbar. Dieses nutzt das Militär in einigen Munitionssorten wie der Schrotflinten-Spezialmunition Dragon's Breath und der US-amerikanischen Allzweck-Streumunition BLU-97 aus. In der Filmtechnik wird dieser Effekt für nicht-pyrotechnische Aufpralleffekte von beispielsweise Gewehrkugeln auf Metalloberflächen benutzt.

Wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit dient Zirkonium als Metall und als Legierungszusatz auch als Werkstoff für chemische Anlagen und vor allem für spezielle Apparateteile wie Ventile, Pumpen, Rohre und Wärmeaustauscher geeignet ist. Aus entsprechenden Legierungen werden unter anderem chirurgische Instrumente hergestellt.

Zirkonium-Niob-Legierungen sind supraleitend und bleiben dies auch, wenn starke Magnetfelder angelegt werden. Sie wurden daher früher für supraleitende Magnete verwendet.

Zirkoniumdioxid

Zirkoniumdioxid dient zur Herstellung feuerfester Auskleidungen in Tiegeln und Öfen. Um es hierfür zu verwenden, muss es aber zur Stabilisierung der kubischen Hochtemperaturphase mit Calcium, Yttriumoxid oder Magnesiumoxid stabilisiert werden. Zirkoniumdioxid-verstärktes Aluminiumoxid (ZTA, Zirconia Toughened Aluminum Oxide) wird als Technische Keramik für hohe Temperaturen eingesetzt. Daneben wird Zirconiumdioxid als Schleifmittel und wegen der weißen Farbe als Weißpigment für Porzellan genutzt.

Wird Zirconiumoxid mit Yttriumoxid dotiert, ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten. Bei drei Prozent Yttriumoxid-Gehalt wird das ZrO2 in einer verzerrten Fluorit-Struktur stabilisiert. Dadurch wirkt es bei Temperaturen von über 300 °C als Leiter für Sauerstoff-Ionen. Eine wichtige Anwendung hierfür ist die Lambdasonde in Autos, die zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Abgasen für den Katalysator dient.

Bei 15 % Yttriumoxidgehalt sendet Zirconiumoxid bei 1000 °C ein sehr helles, weißes Licht aus. Dieses findet in der so genannten Nernst-Lampe Anwendung. Da Yttrium-Zirconium-Keramiken eine extrem hohe Bruchzähigkeit besitzen, werden sie beispielsweise in der Zahntechnik als hochstabiles Kronen- und Brückengerüst, in künstlichen Hüftgelenken und Zahnimplantaten oder als Verbindungselement bei Teleskopen verwendet. Dabei lösen sie zunehmend Gold und andere Metalle in der Funktion ab.

Zirconiumoxid wird zudem oft für Kugellager verwendet. Vor allem für die Laufringe der Lager hat ZrO2 den großen Vorteil, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem von Stahl ist. Andere technische Keramiken wie Siliciumnitrid haben üblicherweise einen erheblich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Das aus Zirkon hergestellte Zirconiumdioxid (ZrO2) hat einen Schmelzpunkt von etwa 2800 °C und wird zur Herstellung von Schmelztiegeln und abrasionsfesten Werkstoffen verwendet (wie beispielsweise Zahnimplantataufbauten und Zahnkronen/brückengerüsten; s.u.).

Zirkon(ium)glas dient der Ummantelung von radioaktiven Abfällen (z. B. Plutonium) zur Endlagerung, wobei die Behälter nach aktuellen Forschungen etwa 2000 Jahre der Strahlung standhalten (sollen). Wissenschaftler um Ian Farnan von der britischen University of Cambridge haben allerdings im Experiment herausgefunden, dass die erwartete Haltbarkeit des Zirkons gegen Plutonium 239 eher 210 Jahre beträgt.


Schmuckstein

Wegen seiner hohen Dispersion von 0,038 (im Vergleich dazu: Diamant: 0,044, Zirkonia: 0,066 und Quarz: 0,013) sind größere Exemplare geschätzte Schmucksteine. Durch Hitzebehandlung kann die Farbe von braunen oder trüben Zirkonen verändert werden, je nach Hitzezufuhr entstehen so farblose, blaue oder goldgelbe Kristalle. Für Laien ist eine Verwechslung des farblosen Zirkons mit Diamant leicht möglich. So wurden im 19. Jahrhundert die in Sri Lanka vorkommenden farblosen Zirkone für minderwertige Diamanten gehalten. Ebenso ist für Laien eine Verwechslung des blauen Zirkons mit Spinell möglich.

Zirkon
Zirkon

Zirkon aus Tansania;
natürliche Farbe, nicht gebrannt;
Gewicht: 30 ct;
Sammlungs-Nr. (CatNo.) Smithsonian Institution : 10653

Smithsonian Institution

Zirkonia

Die wichtigste Zirkoniumverbindung ist Zirkoniumdioxid ZrO2, ein sehr stabiles und hochschmelzendes Oxid. Zirkoniumdioxid-Kristalle sind farblos und besitzen einen hohen Brechungsindex. Darum dienen sie unter dem Namen Zirkonia als künstlicher Schmuckstein und Ersatz für Diamanten.

Zirkonia ist eine Diamantimitation für Schmuck. Es handelt sich um künstlich hergestellte Einkristalle aus Zirconiumdioxid, die in der kubischen Hochtemperaturphase stabilisiert wurden. "Cubic Zirkonia" (Fianit), auch als CZ abgekürzt, wurde erstmals um 1937 von den zwei deutschen Mineralogen Mark Freiherr von Stackelberg und Karl Chudoba in natürlichem Zirkon entdeckt.

Zirkonia - Scull Crucible Process
Zirkonia - Scull Crucible Process

Roh-Zirkonia-Masse als Resultat des Scull Crucible Induktionsschmelze-Prozesses; Ausgangsmaterial der schleifwürdigen Zirkonia-Schmucksteine

Larry P Kelly
Zirkonia
Zirkonia

Geschliffener Zirkonia

Wikipedia Commons

Anfang der 1970er Jahre wurde im Lebedew-Institut (FIAN physikalisches Institut der russischen Akademie der Wissenschaften, daher der Name Fianit) der Wert von künstlichem kubischem Zirkonia entdeckt und wenig später erstmals mittels Industionsschmelze (skull crucible process) synthetisiert. Aufgrund ihrer Härte von 8–8,5 auf der Mohs-Skala und eines fortgeschrittenen Produktionsprozesses entwickelten er sich zu hochqualitativen, kostengünstigen Schmucksteinen und ist heutzutage in der Schmuckindustrie gefragt.

Die Kurzbezeichnung KSZ bezeichnet kubisch stabilisiertes Zirconiumoxid. Als Schmuckstein können diese entweder mit Yttriumoxid (Y-KZP) oder mit Calciumoxid (CSZ) stabilisiert sein.

KSZ wird in allen Größen und Formen und sogar mit künstlichen Einschlüssen hergestellt. Ein einkarätiger Zirkonia kostet weniger als ein Tausendstel dessen, was man für einen gleich großen Brillanten guter Qualität zahlen muss (nur etwa 1 €gegenüber etwa 3000 € (Stand 2014)). Auch Experten können gute Zirkoniasteine nicht durch Augenschein, sondern erst durch eine Messung des Wärmeleitwerts von Diamanten unterscheiden: Während Diamanten besonders gut wärmeleitend sind, leiten Zirkonia Wärme besonders schlecht . Weitere relativ einfache und durch nichtdestruktive Messverfahren zu ermittelnde Unterschiede zum Diamanten sind die unterschiedliche Lichtbrechung (Brechungsindex Zirkonia 2,18, Diamant 2,42) und Dichte (Zirkonia 5,8 g/cm³, Diamant 3,5 g/cm³).


Medizintechnik

In der populärwissenschaftlichen Literatur wird Zirkon mitunter fälschlich als moderner Hochleistungswerkstoff in der Wiederherstellungsmedizin, vor allem der Zahnmedizin genannt. Dabei ist jedoch regelmäßig nicht das über seine chemische Formel ZrSiO4 definierte Silikat Zirkon gemeint, sondern Zirkoniumdioxid ZrO2 mit geringen Beimengungen von Yttriumoxid zur Erzielung herausragender Materialeigenschaften. Das Silikat Zirkon hingegen wird in der Wiederherstellungsmedizin nicht eingesetzt.

Zirkonium in Form von Yttrium-Zirconium-Keramiken ist ein abrasionsfester Werkstoff mit extrem hoher Bruchzähigkeit und wird in der Zahntechnik als hochstabiles Kronen- und Brückengerüst, als Zahnimplantat und in künstlichen Hüftgelenken benutzt.

Zirkonium in der Zahnmedizin
Zirkonium in der Zahnmedizin

Zirkonium-Brücken

Dentistry -in-Hungary

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