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ジルカロイ・ジルコニウムの特徴や加工性について詳しく解説

金属の種類について
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ジルカロイとは

ジルカロイとはジルコニウム(Zr)を主成分とし、スズ(Sn)・鉄(Fe)・ニッケル(Ni)・ハフニウム(Hf)などを混ぜ合わせた合金のことを言います。

鉄(Fe)やステンレス(SUS)・アルミニウム(Al)のように私達が日常的に使っている金属ではないので、ぱっとイメージすることは難しいですが、主な用途として原子炉の材料とされています。

ジルカロイの種類

一言にジルカロイと言っても細かく見ていくと数種類に分類することができます。

ジルカロイ-1

主成分であるジルコニウムと、2.5%のスズで形成されているジルカロイです。

ジルカロイ-1は時間の経過と共に腐食への耐性が減少し、急激に腐食が早まります。

ジルカロイ-2

主成分であるジルコニウム98.25%、スズ1.45%、鉄0.135%、ニッケル0.055%、ハフニウム0.01%から形成されるジルカロイです。

ジルカロイ-1に比べて高温水に対する優れた耐食性を持つという特徴があります。

ジルカロイ-3

主成分であるジルコニウム・スズ・鉄・ニッケル・ハフニウムから形成され、ジルカロイ-2と比べ、スズを少なく配合されているジルカロイです。

スズを少なくすることで、加工性の向上に繋がっています。

ジルカロイ-4

主成分であるジルコニウム98.23%、スズ1.45%・鉄0.21%・ハフニウム0.01%から形成されるジルカロイです。

ジルカロイ-1、-2、-3は水素を吸収するという問題があったので、ニッケルを除き鉄の割合を増やすことで水素を吸収するという問題を解決しました。

4種類のジルカロイを紹介しましたが、ジルカロイ-2とジルカロイ-4のみが現在は実用されています。

ジルカロイの成り立ち

軽水炉の燃料被覆管として使用されているジルカロイですが、その主成分であるジルコニウムは熱中性子吸収断面積が小さいことが特徴で、原子炉で使用する材料として研究され始めました。

しかし、ジルコニウムは高温水に対して酸化や窒化しやすく、が耐食性が悪くなるという弱点があり、その弱点を補うために開発れたのがジルカロイです。

ジルカロイの主成分「ジルコニウム」とは

ジルカロイはジルコニウムを主成分とした合金ですが、そのジルコニウムとは一体どんな金属なのでしょうか。

これからジルコニウムについて解説していきます。

ジルコニウムの特徴

ジルコニウムとは、チタン族元素の一種で、優れた強度と耐食性を持つことに加え、融点が1852℃と非常に高く耐熱性にも優れています。

表面は酸素と結合し、不動態皮膜となっているため、生体親和性が高く人体に対して優しい金属とも言えます。

チタン族元素と言うことで性質はチタンとよく似ており強度はチタンより劣りますが、チタンより優れた耐食性を持っています。

また、ジルコニウムはステンレスよりも優れた耐食性を持っており、塩酸や硝酸などの強い酸性にはもちろん、高濃度水酸化ナトリウムなどの強いアルカリ性に耐えることができます。

更に海水中などの塩化物が存在する環境下でもほぼ錆びることがなく、金属の中ではトップクラスの耐食性になります。

ジルコニウムの用途

ジルカロイは主に原子炉の部品として使用されますが、ジルコニウムはその耐食性と強度から幅広く使用されています。

主な用途としては薬品を多く取り扱う施設や医療用機器に加え、近年では指輪など装飾品としての用途も増えています。

ステンレスの代用としても使用されることがあり、稼働効率の上昇や機器の耐久性向上に繋がっています。

ジルコニウムの切削加工

ジルコニウムは切削加工を簡単に行うことができますが、粉体になると燃焼しやすくなるため難削材と言われています。

ジルコニウムは空気に触れることで激しい酸化反応による発熱で発火します。

しかし、発火した際に水をかけると水分と反応して水素ガスが発生するため、消火に使用できません。

そのため、金属火災用の消火剤や乾いた砂などを使い消火する必要があります。

また、ジルコニウムは熱伝導性が低いため、切削加工時に工具へ熱が集中してしまい摩耗や欠損に繋がりやすいです。

そのため、加工を行う速度や工具の形状、材質などについて正しい知識や技術がが必要になります。

ジルコニウムの溶接加工

ジルコニウムは溶接中に高温になると空気中の窒素や酸素と反応し、脆くなるため注意が必要です。また溶接時に出る粉塵などの影響で、品質が大きく低下する可能性も高いためガスや粉塵に十分注意しましょう。

ジルカロイの溶接加工

ジルカロイは融解状態もしくは高温度状態では空気中の窒素や酸素と結合しやすくなるため、溶接加工時には空気を遮断し、不活性ガス(ArやHe)置換した後に行う必要があります。

そのため一般的にジルカロイの溶接加工時には溶接チャンバーを使用し、溶接部分を入れて加工作業が行われます。

ポイント

・ジルカロイは主に原子炉の部品として使用されている。

・ジルカロイには4つの種類がありそれぞれ耐食性や強度、加工性など異なる特性を持っているが、実際に使用されているのは2種類のみ。

・ジルコニウムは人体への毒性がなく、ステンレスの代用としても使用されている。

・ジルコニウムの切削加工時には粉体の発火が起こる可能性があるため、金属火災用の消火剤を用意する。

・ジルカロイの溶接加工時には窒素や酸素と反応しないよう、空気を遮断した状態で加工する必要がある。

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