[스크랩] 지르코늄

[가오리]

    지루코늄이란

ZIRCONIUM(Zr) 주기율표 4족에 속하는 금속. 원자로의 구조물로 사용된다.

    성질·산출·용도

1940년대말 이전까지 잘 알려지지 않았던 지르코늄은 중성자의 고투과성 때문에 핵에너지와 관련된 공학용 물질로 중요하게 쓰이기 시작했다. . 순도가 99％라도 불순한 금속은 단단하며 부서지기 쉽고 이보다 순도가 높은 금속은 흰색을 띠고 연하며 연성과 전성이 있다. 1925년 네덜란드의 화학자 안톤 E. 반 아르켈과 J. H. 데 부르가 사요오드화지르코늄(ZrI4)을 열분해시켜 최초로 대량 생산했다. 1940년대초 룩셈부르크의 윌리엄 저스틴 크롤은 사염화지르코늄(ZrCl4)을 마그네슘으로 환원시켜 지르코늄 금속을 생산하는 저렴한 공정을 개발했다. 비교적 지각에 풍부하며, S형 별에서 특징적으로 관찰된다. 지르코늄은 상업적으로 광물인 지르콘과 바델라이트에서 주로 얻는다. 지르코늄은 자체의 고유한 여러 성질 때문에 원자로의 연료봉을 피복하는 데, 우라늄과의 합금에, 그리고 원자로심 구조물 등의 용도로 매우 중요하게 사용된다. 지르코늄은 고온에서 강도가 좋고, 순환하는 냉각제에 빨리 부식되지 않으며, 방사성 동위원소를 형성하지 않고, 중성자 포격에 의한 기계적 손상이 없다. 지르코늄과 화학적으로 비슷하며 모든 지르코늄 광석에 들어 있는 하프늄은 열중성자 흡수성이 크기 때문에 원자로에 이용하기 위해서는 광석에서 반드시 제거해야 한다. 지르코늄은 많은 양의 산소·질소·수소를 흡수한다. 약 800℃에서 화학적으로 산소와 결합하여 산화물(ZrO2)이 된다. 지르코늄은 마그네슘·베릴륨·토륨의 산화물과 같은 내화성이 있는 도가니 물질을 환원시킨다. 산소 및 여러 기체와 친화도가 크기 때문에 전자관에 남아 있는 잔류 기체를 제거하는 게터(getter)로 쓰인다. 공기 중의 정상온도에서 지르코늄은 산화물 또는 질소화물의 보호막을 형성하기 때문에 부동상태이다. 이런 보호막이 없어도 지르코늄은 약산과 산성염의 작용에 영향을 받지 않는다. 지르코늄은 내식성(耐蝕性)이 크기 때문에 펌프·밸브·열교환기의 제작에 널리 사용된다. 또한 일부 마그네슘 합금을 생산하는 데 합금제로, 그리고 특정 강철을 제조하는 데 첨가제로 쓰인다. 천연에 존재하는 지르코늄은 5개의 안정한 동위원소, 즉 지르코늄-90(90Zr 51.46％), 91Zr (11.23％), 92Zr(17.11％), 94Zr(17.40％), 96Zr(2.80％)의 혼합물이다. 2개의 동소체가 존재하는데 862℃ 이하에서는 육방 최밀구조를, 그 이상의 온도에서는 체심입방구조를 갖는다.

    화합물

화합물에서 지르코늄의 원자가는 주로 4가이며 다소 불안정한 3가 화합물도 알려져 있다. 많은 지르코늄 화합물은 공업에서 중요한 용도로 쓰인다. 이산화지르코늄(ZrO2：지르코니아라고도 함)은 녹는점이 매우 높은(약 2,700℃) 흰색 또는 황갈색 고체이다. 보통 연마제, 내화물, 연료 전지에 쓰이는 세라믹, 그리고 내산성 및 내알칼리성 유리의 성분으로 쓰인다. 이산화지르코늄은 천연에서 바델라이트로 산출되지만, 상업제품으로는 지르콘에서 저렴하게 회수한다. 그외 공업적으로 중요하게 이용하는 지르코늄 화합물로는 사염화물(ZrCl4)과 황산염(Zr(SO4)2·4H2O)이 있다. 탄화지르코늄 또는 산화지르코늄을 염소화시켜 만드는 사염화지르코늄은 유기 지르코늄 화합물을 생산하는 데, 그리고 석유의 분해증류와 에틸렌의 중합반응 같은 반응의 촉매로 사용된다. 수산화지르코늄(Zr(OH)4)에 황산을 반응시켜 만든 황산지르코늄은 윤활유, 화학시약, 흰가죽을 무두질할 때 사용된다.

    특성

1.	지루코늄의 일반 특성
	1-1 ZIRCADYNE ALLOYS 1) ZIRCADYNE 702 ( UNS R60702 ) : UNALLOYED ZIRCONIUM     일반 화학 장치에 사용되며 내식성이 우수, 내력은 비교적 약함 2) ZIRCADYNE 704 ( UNS R60704 ) : Zr-Sn-Fe-Cr     내식성이 우수하며 고압에서 특성이 우수함 3) ZIRCADYNE 705 ( UNS R60705 ) : Zr-Nb     내식성이 702와 유사하고 강도는 약 2배 4) ZIRCADYNE 706 ( UNS R60706 ) : ZR-Nb     705에 성형성을 증대시킨 신규 합금 원자번호 40 원자량 91.22 녹는점 1,852℃ 끓는점 3,578℃ 비중 6.49(20℃) 1-2 피로특성     ZIRCONIUM 과 그 합금은 대부분의 일반 철 금속과 유사한 특성을보이고 있지만,     철 금속과는 달리 ROLLING 방향과 직교하는 방향으로 높은 강도를 보인다.
2.	지르코늄 가공 기술
	2-1 MACHINING 지르코늄의 가공은 다음 요령으로 일반적인 기계가공이 가능하다. 1) 저속회전 2) HEAVY FEEDS 3) 수용성 윤할유를 사용한 냉각     기계가공시 CEMENTED CARBIDE 나 HIHG SPEED TOOL을 사용하면 유리하고,     CARBIDE 를 사용하는경우 높은 생산성과 미려한 마무리를 할수있다. 2-1-1 TURNING AND BORING     지르코늄은 날카로운 TOOL과 냉각 윤할유를 사용하면 쉽게 선반 작업을할수있다. 2-1-2 MILLING     수직, 수평 MILLING 모두에서 그리 큰 어려움이 없다. 그러나 MILLING CUTTER날은     잘세워져 적당한 각도를 유지해야 하며, 작업시 냉각 윤할유가 필수적이며 ?의 완전한     제거가수반되어야 HOLE 가공시 150∼250 SFPM에서 0.002∼0.010 in/Tooth로 가공     가능 하다. 2-1-3 DRILLING     DRILL 작업시 SPEED는 일반적인 SPEED(40-60SFPM)보다 약간 늦게 하고, 1PR당     0.005∼0.010 IN 로 하고 충분한 냉각유의 공급이 뒤따르면 좋다. 2-1-4 성형(FORMING)     ZIRCONIUM은 인성이 있는 금속으로 특별한 기술만이 있다면 일반 가공기계에 약간의     변형을 주면 FORMING은 가능하다. FORMING 작업중에 ZR 표면의 OXIDE FILM은     윤할재및 스크레치를 막는 역할을 하고 있기는 하지만 윤할유가 필요하다면 HALOGEN 이나     SULFUR가 포함되지 않는 윤할유를 사용하면 된다.ZIRCONIUM은 BENDING은 쉽게 작업     되며 할수 있다. 일반 상온에서는 5T BEND RADIUS를, 3T RADIUS는 200℃ 정도에서     행하면 된다. 2-1-5 타공(PUNCHING)     PUNCHING에 있어서 PURE ZIRCONIUM과 ZIRCONIUM합금에 있어서 차이가 있다.     PURE ZIRCONIUM인 경우 HIGH PRESSURE의 기기가 필요하며 매우 정밀한 오차만이     요구되는 DIE가 필요하다. 만일 덜 정밀한 오차를 갖는 DIE를 이용하게되면 ZIRCONIUM     合金에서는 가능하게 된다. 그러나 두가지 경우 모두 예리하게 가공된 DIE가 필요로 하다     .PUCHING 작업시 윤할제를 사용하면 DIE 마모나 GOLLING을 줄일수 있다. 2-1-6 GAS CUTTING     ZIRCONIUM은 OXYACETYLENE TORCH나 플라즈마 CUTTING이 가능하다.산소 용접기에     의한 CUTTING의 경우 TORCH의 이동속도를 빨리해야 한다. 예로 25mm THK의 PLATE를     CUTTING하는 경우 분당 20 Ft의 속도를 CUTTING해나가야 한다. 2-1-7 TUBE BENDING     ZIRCONIUM TUBE BENDING DMS STAINLESS 작업시와 같은 조건과 기술로 행하면된다.     그러나 SPRING BACK 현상을 고려 해야한다. 일반적으로 최소한의 BEND RADIUS는 외경의     3배까지 보면된다. HOT FORMING 時는 200℃∼425℃ 사이에서 행하는것이 좋으나 특별한     기술을 요한다. 주름이지거나 두께가 얇아지는 현상을 막기위해서는 TUBE의 IN SIDE,     OUT SIDE모두에 TENSION을 주어야 한다. 2-1-8 HEAT TRECTMENT     열처리 시작전에 깨끗한 상태를 유지시켜 놓고 열처리로에 넣어야 한다.     로 내에서는 불꽃이 직접 표면에 닿지 않도록 해야 한다. ZIRCONIUM은 675℃∼785℃에서     2∼4시간 두면 품질이 일어난다. 냉각시 400℃ 이하가 되기전에는 시간당 95℃ 이하로     떨어뜨리지 않도록 해야한다. STRESS RELIEVING은 565℃에서 ½∼1시간 정도 행한다.     이온도에서는 대기중에 작업하면 OXIDE FILM을 형성하게 되므로 내식성에는 영향이 없다. 2-1-9 WELDING     ZIRCONIUM은 적당한 공정을 사용하면 WELDING 에서는 큰문제는 발생하지 않으나     ,SHIELDING에 대한 특별 기술을 요한다. 만일 작업이 완벽하지 않을 경우 티타늄 경우와     마찬가지로 ZIRCONIUM은 수소, 산소, 질소를 흡수하여 WELDING 부분이 쉽게 부스러지는     현상이 나타난다. 따라서 매우 높은 용접기술이 필요하다. ZIRCONIUM은 GTAW 나 GMAW,     PLESMA EBW 저항 용접법등이 가능하다. ZIRCONIUM은 열 팽창계수가 낮아 용접 작업시     비틀림이 적다. 용접 유연성을 갖기 위해서는 WELDING 작업후 STRESS     RELIEVING이 필요하며 705, 706등이 열처리 가능 재질로 개발 된 것이다.
3.	ZIRCONIUM용도
	CHEMICAL PROCESSING에서 ZIRCONIUM은 구조재로 사용이 가능하며 유.무기산,     강알카리등에 매우 뛰어난 내식성을 보이고 있으므로, 화학 공정에서 장치의 수명을 높히고     유지 하는데 상당한 장점을 보이고 있다. 따라서 열교환기, CONDENSER, COLUMNS,     VESSEL, PUMP, VALVES와 배관 LINE등 다양하게 적용되 있으므로 내식성을 고려한 재질     선택에 유리하다면 어떤 형태로든 적용이 가능하다.

ZIRCONIUM ALLORY

Grade	Density (g/c㎥)	6.64UNS NO.	CHEMICAL CONTENTS
			Zr+Hf	Hf	C	Sn	Cb	O	Fe+Cr
ZIRCONIUM 702	6.51	R60702	99.2	4.5	0.05	-	-	0.1	0.2
ZIRCONIUM 704	6.57	R60704	97.5	4.5	0.05	1.0-2.0	-	0.1	0.2-0.4
ZIRCONIUM 705	6.64	R60705	95.5	4.5	0.05	-	2.0-3.0	0.18
ZIRCONIUM 706	6.64	R60706	99.5	4.5	0.05	-	2.0-3.0	0.16	0.2