Refraktäre Metalle:Eigenschaften, Typen und Anwendungen

Hochschmelzende Metalle werden aufgrund ihrer einzigartigen und wünschenswerten Eigenschaften und Verhaltensweisen, insbesondere ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer außergewöhnlichen Verschleiß- und Hitzebeständigkeit, weit verbreitet verwendet.

Diese Metalle werden hauptsächlich in den Bereichen Technik, Wissenschaft und Metallurgie verwendet. Die fünf Hauptelemente, die zu dieser Metallklasse gehören, umfassen die folgenden:

• Molybdän (Mo)
• Rhenium (Re)
• Niob (Nb)
• Wolfram (W)
• Tantal (Ta)

Diese fünf dieser Elemente haben einige Schlüsseleigenschaften gemeinsam, wie z. B. eine hohe Härte bei Raumtemperatur und einen hohen Schmelzpunkt, insbesondere wenn sie Temperaturen über 2.000 Grad Celsius ausgesetzt sind. (Weitere Informationen zur Erhöhung der Härte finden Sie unter:Nitrieren für Korrosions- und Verschleißermüdungsbeständigkeit.)

Refraktäre Metalle haben auch eine hohe Dichte und sind chemisch inert. Ihre hohen Schmelzpunkte weichen der Pulvermetallurgie als Wahl für die Herstellung verschiedener Komponenten.

Einige der häufigsten Anwendungen für Refraktärmetalle sind Drahtfilamente, Werkzeuge, chemische Behälter in korrosiven Atmosphären und Gussformen. Refraktärmetalle sind mit ihrem sehr hohen Schmelzpunkt sehr stabil.

Werfen wir nun einen genaueren Blick auf hochschmelzende Metalle – einschließlich ihrer Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen:

Die Hauptmerkmale von Refraktärmetallen

Ein wichtiger Erkennungsfaktor für Refraktärmetalle ist die Hitzebeständigkeit. Alle fünf Metalle dieser Klasse zeichnen sich durch einen Schmelzpunkt von über 2.000 Grad Celsius (3.632 Grad Fahrenheit) aus.

Refraktäre Metalle bleiben auch bei extrem hohen Temperaturen stark und sind von Natur aus hart, was sie perfekt für Bohr- und Schneidwerkzeuge macht. Refraktäre Metalle sind sehr widerstandsfähig gegenüber Faktoren wie Temperaturschocks. Das bedeutet, dass sie beim wiederholten Abkühlen und Erhitzen keine Risse, Ausdehnungen oder Spannungen erfahren. (Weitere Informationen zu Metallen unter Hitze finden Sie unter: Die 5 wichtigsten Überlegungen bei der Beschichtung von Oberflächen mit hoher Hitze .)

Darüber hinaus haben alle fünf Metalle dieser Gruppe eine hohe Dichte und gute Wärme- und elektrische Eigenschaften. Sie sind auch kriechfest, sodass sie sich langsam verformen, wenn sie sehr belastenden Umgebungen oder Bedingungen ausgesetzt sind. Denn Refraktärmetalle können eine Schutzschicht aufbauen, die sie korrosionsbeständig macht – trotz der Tatsache, dass sie bei hohen Temperaturen oxidieren können.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Refraktärmetallen

Refraktäre Metalle können nach ihren einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften klassifiziert werden. Und um das Beste aus diesen Elementen herauszuholen, ist es wichtig, sie gründlich zu verstehen.

Die physikalischen Eigenschaften hochschmelzender Metalle

Refraktäre Metalle sind durch die folgenden physikalischen Hauptmerkmale gekennzeichnet:

• Ein hoher Siedepunkt. Die Schmelzpunkte hochschmelzender Metalle sind höher als die aller anderen Metalle außer Kohlenstoff, Osmium und Iridium.
• Eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur.
• Eine hohe Kriechfestigkeit.

Allerdings variieren die spezifischen Eigenschaften von Refraktärmetallen ziemlich stark, da sie aus verschiedenen Gruppen des Periodensystems stammen.

Zum Beispiel hat Rhenium von allen fünf Refraktärmetallen den höchsten Schmelzpunkt – bei 5.757 Grad Fahrenheit (3.186 Grad Celsius) – während Niob den niedrigsten hat – bei 4.491 deF (2.477 °C). In Bezug auf den Siedepunkt liegt Niob bei 8.572 Grad Fahrenheit (4.744 Grad Celsius), während Rhenium bei 10.105 Grad Fahrenheit (5.596 Grad Celsius) liegt. (Weitere Informationen zu Anwendungen mit Materialien mit hoher Hitze finden Sie unter: Alles unter Dampf:Die vielen Arten und Verwendungen von Dampf .)

Dasselbe gilt für die Kriechfestigkeit; Es gibt Metalle, die bei 1.832 Grad Fahrenheit (1.000 Grad Celsius) zu kriechen beginnen, während es Metalle gibt, die bei weniger als 932 Grad Fahrenheit (500 Grad Celsius) beginnen.

Die chemischen Eigenschaften hochschmelzender Metalle

Refraktäre Metalle haben ein breites Spektrum an chemischen Eigenschaften, da jedes zu einer anderen Klassifikation im Periodensystem gehört.

Im Allgemeinen oxidieren diese Metalle leicht; Die Reaktion kann jedoch gesteuert werden, indem stabile Oxidschichten auf einem Metall erzeugt werden. Dies gilt insbesondere für Rhenium, da es sehr flüchtig ist. So kann es bei hohen Temperaturen durch Verdampfung der Oxidschicht seine Stabilität gegen Sauerstoffangriff verlieren.

Alle Refraktärmetalle sind jedoch vergleichsweise stabil gegenüber Stoffen wie Säuren.

Welche Vorteile hat die Verwendung hochschmelzender Metalle?

Refraktärmetalle sind dank ihrer einzigartigen Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen und Branchen von großem Nutzen. Zu ihren wichtigsten Vorteilen gehören:

Ein sehr hoher Schmelzpunkt

Refraktäre Metalle wie Wolfram, Molybdän und Tantal haben sehr hohe Schmelzpunkte, was sie für die Glasherstellung nützlich macht.

Hohe Stärke

Hochschmelzende Metalle sind einzigartig stark, selbst bei ultrahohen Temperaturen.

Beispielsweise haben Raketenkegel aus Wolfram bei normalen Temperaturen die doppelte Zugfestigkeit von Eisen. (Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter:Was ist der Unterschied zwischen Stärke und Zähigkeit? )

Hervorragende Abrieb- und Verschleißfestigkeit

Hochschmelzende Metalle, insbesondere Legierungen, können die Lebensdauer von Ventilsitzen, Dichtungen, Düsen und anderen Bereichen mit hohem Verschleiß verlängern.

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Die Rohrleitungen in Chemieanlagen bestehen typischerweise aus hochschmelzenden Metallen, was im Vergleich zu Edelstahl eine hohe Korrosionsbeständigkeit ermöglicht.

Thermoschockbeständigkeit

Metalle wie Wolfram können der Belastung widerstehen, die durch schnelle Wärmeausdehnung entsteht.

Wolfram hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und kann einer Reihe von Ein- und Ausschaltzyklen standhalten, ohne seine Unversehrtheit zu beeinträchtigen.

Wärme und elektrische Leitung

Refraktäre Metalle wie Wolfram und Molybdän sind neben ihren vielen elektronischen oder elektrischen Anwendungen auch gute Wärmesenken.

Extreme Härte

Heutzutage werden die am häufigsten verwendeten Schneidwerkzeuge aus Materialien wie Wolframcarbid hergestellt.

Refraktäre Metalle eignen sich auch hervorragend zum Formen von Metallen und Stahl sowie beim Bergbau und Bohren von Gas- oder Ölquellen. (Weitere Informationen zur Öl- und Gasindustrie finden Sie unter: Korrosionsfernüberwachungssysteme in der Öl- und Gasindustrie .)

Hohe Dichte und spezifisches Gewicht

Die meisten Refraktärmetalle haben eine hohe Dichte und können daher sehr nützlich für die Herstellung von Golfschlägerköpfen und Flugzeuggyroskopen sein.

Einzigartige Fähigkeiten

Einige Refraktärmetalle mit äußerst nützlichen Eigenschaften, z. B. als hervorragende Strahlungsabschirmung und chemische Katalysatoren.

Arten hochschmelzender Metalle und ihre Anwendungen

Es gibt fünf hochschmelzende Metalle; und jedes hat unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen.

Allgemeine Anwendungen für hochschmelzende Metalle umfassen Drahtfäden, Werkzeuge, chemische Gefäße in korrosiven Atmosphären und Gussformen. Hochschmelzende Metalle sind aufgrund ihrer sehr hohen Schmelzpunkte sehr stabil.

Hier sind spezifischere Anwendungen für jedes der fünf Refraktärmetalle:

Wolfram

Wolfram ist das am häufigsten vorkommende unter den Refraktärmetallen. Es hat den höchsten Schmelzpunkt und eine der höchsten Metalldichten unter den Refraktärmetallen. Es kann sehr hart sein, wenn es mit anderen Elementen wie Kohlenstoff kombiniert wird. Es ist auch sehr korrosionsbeständig.

Beleuchtungsanwendungen

Wolfram wird häufig in Drahtfilamenten verwendet, wie sie in den meisten Glühlampen in Häusern verwendet werden. Aber es ist auch in industriellen Bogenlampen und Beleuchtungen üblich. (Weitere Informationen zu industriellen Anwendungen finden Sie unter: 8 Wissenswertes über Polyurea-Beschichtungen .)

Bühnenbeleuchtung wird in Fernsehstudios und auf Tonbühnen sowie an Orten eingesetzt, an denen Theateraufführungen, Konzerte und andere Live-Veranstaltungen stattfinden. Und obwohl die Bühnenbeleuchtung immer noch Glühtechnologie verwendet, handelt es sich normalerweise um proprietäre Hochleistungs-Wolfram-Halogen- (oder Quarz-Halogen-) Lampen mit sorgfältig kalibrierten Farbtemperaturwerten, um die gesamte Szenenwiedergabe zu steuern.

Corona-Entladung

Eine Koronaentladung ist der Plasmavorhang, der entsteht, wenn Luft um einen Leiter herum ionisiert wird.

Koronaentladung wird oft mit Wolframdraht durchgeführt und am besten erreicht. Für Luftfilter, Drucker, Kopierer und andere Anwendungen erzeugt nur Wolframdraht eine ausreichende Ionisierung und Oberflächenmodifizierung.

Öfen

Wolframdraht wird häufig zum Stützen oder Ziehen in Industrieöfen verwendet.

Dies liegt an den Standfestigkeitseigenschaften des Wolframdrahts und seiner Hitzebeständigkeit. Beispielsweise wird Wolframdraht häufig in Matten eingewebt, die zum Positionieren und Halten von Objekten in der technischen Heißzone von Industrieöfen, Hochöfen und Brennöfen verwendet werden.

Sonden

Die Steifheit von Wolframdraht, selbst bei sehr kleinen Durchmessern, ist ein entscheidender Faktor, der ihn für den Einsatz in verschiedenen Arten von Sonden prädestiniert, einschließlich freitragender Halbleitertestsonden, die zum Testen von Siliziumwafern in der Halbleiterfertigung verwendet werden.

Steifigkeit ist auch ein Vorteil bei Wolframdraht für neurale Sonden, die in der medizinischen Diagnostik und Behandlung verwendet werden. (Weitere Informationen zu Materialwissenschaft im Gesundheitswesen, siehe: Der Einstieg in eine Karriere als Materialwissenschaftler .)

Schneidwerkzeuge und -teile

Schneidwerkzeuge und -teile erfordern eine hohe Abriebfestigkeit und werden daher aus Wolframcarbid hergestellt.

Wolframcarbid-Einsätze mit geschliffenen Schneidkanten werden durch Löten oder mechanische Befestigung an den Körpern von Stahlwerkzeugen befestigt. Der Einsatz von Hartmetallwerkzeugen sorgt für höhere Schnittgeschwindigkeiten und längere Standzeiten. Wolframkarbidfarbstoffe werden üblicherweise zum Ziehen von Drähten verwendet.

Molybdän

Molybdän ist das am häufigsten verwendete Refraktärmetall, da es billiger als die meisten anderen ist und, wenn es zu einer Legierung verarbeitet wird, sehr beständig gegen Kriechen und hohe Temperaturen sein kann.

Dieses Metall bildet auch keine Amalgame und ist somit korrosionsbeständig. Es wird hauptsächlich zur Verstärkung von Stahllegierungen verwendet, insbesondere in Rohren und Rohren für den Bau. Molybdän hat auch hervorragende Gleiteigenschaften, was es zu einem idealen Bestandteil von Ölen und Fetten macht, die in Automobilen verwendet werden. (Weitere Informationen zu Korrosion in der Automobilindustrie finden Sie unter: Die Korrosion von leichten Materialien, die in Automobilanwendungen verwendet werden .)

Edelstahl

Rostfreie Stähle sind korrosionsbeständig, weil ihr Chromgehalt spontan einen dünnen, schützenden, passiven Film auf der Stahloberfläche bildet.

Molybdän verstärkt diesen passiven Film, indem es ihn stärker macht und ihm hilft, sich schnell neu zu bilden, wenn er durch Chloride zerstört wird. Die Erhöhung des Molybdängehalts in Edelstählen erhöht deren Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit.

Werkzeuge und Schnellarbeitsstahl

Molybdän in Werkzeugstählen erhöht deren Härte und Verschleißfestigkeit. Durch die Verringerung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit fördert Molybdän die Bildung einer optimalen martensitischen Matrix, selbst in massiven und komplizierten Formen, die nicht ohne Verformung oder Rissbildung schnell abgekühlt werden können.

Die Zugabe von fünf bis 10 % Molybdän kann die Härte und Zähigkeit von Schnellarbeitsstählen effektiv maximieren und diese Eigenschaften bei den hohen Temperaturen beibehalten, die beim Schneiden von Metallen entstehen. (Weitere Informationen zum Schneiden von Metallen finden Sie unter: Wie Heißbrüchigkeit und Schweißen die Korrosion in Metallen beeinflussen .)

Rauchunterdrücker

In der Elektrotechnik stellen Draht- und Kabelisolierungen eine Brand- und Rauchgefahr für Feuerwehrleute und Personen in Flugzeugen und Krankenhäusern dar. Ammoniumoctamolybdat wurde mit PVC verwendet, um die Rauchbildung zu unterdrücken.

Da Molybdän bei Raumtemperatur einen Elastizitätsmodul von 47 * 10 ^ 6 Pfund pro Quadratzoll hat, wird es für Bohrstangen und Pinolen für Hochgeschwindigkeits-Innenschleifmaschinen verwendet. Dadurch ist Vibrations- und Ratterfreiheit gewährleistet.

Tantal

Tantal ist das korrosionsbeständigste Refraktärmetall.

Es wird häufig in medizinischen und chirurgischen Umgebungen und in stark sauren Umgebungen eingesetzt. Tantal ist auch der Hauptbestandteil von Computer- und Telefonschaltkreisen oder Kondensatoren.

Obwohl Tantal deutlich teurer als Aluminium ist, hat es zwei entscheidende Vorteile:

1. Es hat eine höhere Dielektrizitätskonstante, wodurch Kondensatoren kleiner werden können.
2. Seine Oxidschicht ist stabiler, was Tantalkondensatoren einen Vorteil in Anwendungen verschafft, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.

Tantal wird auch in der Elektronikindustrie als Barriere verwendet, um zu verhindern, dass Kupfer Silizium in Produkten wie Computerchips und Speichergeräten verschmutzt. Diese Trennung ist notwendig, da das Vorhandensein von Kupfer in Silizium zu einer Verschlechterung und einem Ausfall des Geräts führt. (Weitere Informationen zur Kupferkorrosion finden Sie unter: Erklärung der erhöhten Kupferkorrosionsraten in der Belüftungszone .)

Medizinische Anwendungen

Tantal wird aufgrund seiner Bioinertheit in chirurgischen und biomedizinischen Anwendungen verwendet – was wiederum auf die anhaftende Oxidschicht zurückzuführen ist, die sich spontan auf der Oberfläche von Tantalmetall bildet, wenn es Luft ausgesetzt wird.

Darüber hinaus ist Tantal gegenüber Körperflüssigkeiten inert und hat gute mechanische Eigenschaften. Beispiele für seine Anwendungen in der Medizin sind:

• Chirurgische Clips.
• Knochentransplantate.
• Platten für Kranioplastiken.
• Netz für Bauchwandrekonstruktionen.
• Zahnimplantate.

Chemische Anlagenausrüstung

Die Duktilität und hervorragende Korrosionsbeständigkeit von Tantal machen es für den Einsatz in chemischen Prozessanlagen geeignet, die unter korrosiven Bedingungen bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.

Die Korrosionsbeständigkeit des Metalls dient sowohl dem Geräteschutz als auch der Reinheit der gehandhabten Chemikalien. Tantal und seine Legierungen können zur Handhabung von Salz-, Bromwasserstoff-, Salpeter- und Schwefelsäure verwendet werden. Beispiele für chemische Anlagen, in denen Tantal verwendet werden kann, sind:

• Wärmetauscher.
• Ventile.
• Schiffe.
• Rohre. (Weitere Informationen zu Rohrkorrosion finden Sie unter: 21 Arten von Rohrkorrosion und -versagen .)

Niob

Niob wird immer neben Tantal verwendet. Es ist sehr einzigartig und kann leicht bearbeitet werden, um eine hohe Elastizität und Festigkeit zu erhalten.

Eisenmetallurgie

Die Hauptverwendung von Niob ist in der Eisenmetallurgie.

Etwa 75 % der weltweiten Niobproduktion wird von der Stahlindustrie zur Herstellung einer Vielzahl von Stahllegierungen verwendet, die geringe Mengen anderer Metalle (mikrolegierte und niedriglegierte Stähle) enthalten, um – neben anderen Eigenschaften – Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Zähigkeit zu verbessern /P>

Niob wirkt als Kornverfeinerer und Ausscheidungshärter in hochfesten niedriglegierten und mikrolegierten Stählen und verbessert gleichzeitig die mechanische Festigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Diese Stähle werden in Pipelines, Transport- und Konstruktionsanwendungen verwendet. (Weitere Informationen zum Transport finden Sie unter: Temporärer Korrosionsschutz während Lagerung, Transport und Handhabung .)

Supraleitende Magnete

Nioblegierungen werden auch zur Herstellung von supraleitenden Magneten verwendet. Diese superleitenden Magnete werden verwendet in:

• Magnetresonanztomographie (MRT).
• Kernmagnetische Resonanzinstrumente (NMRI).
• Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider in Europa, der die größten supraleitenden Magneten der Welt enthält.
• Elektrolytkondensatoren und Supraleiter.

Nioblegierungen werden gegenüber anderen hochschmelzenden Metallen bis zu 3.300 Grad Fahrenheit bevorzugt. Aufgrund ihrer geringen Oxidationsbeständigkeit sind Nioblegierungen auf die Verwendung in strukturellen Anwendungen bei erhöhten Temperaturen beschränkt.

Rhenium

Rhenium ist das zuletzt entdeckte Refraktärmetall.

Es kann mit anderen Metallen in ultraniedrigen Konzentrationen gefunden werden. Es ist auch in anderen Refraktärmetallerzen vorhanden. Rhenium ist bekannt für seine hohe Zugfestigkeit und Duktilität.

Rhenium ist auch sehr selten und kann daher sehr teuer sein.

Superlegierungen

Rhenium wird als Zusatzstoff zur Herstellung von Superlegierungen verwendet, oft in Verbindung mit Eisen, Kobalt, Nickel, Wolfram und Molybdän. Die Zugabe von Rhenium verbessert die Gesamtkriechfestigkeit einer Superlegierung und macht sie zu einem hervorragenden Material für Strahltriebwerksteile und Gasturbinentriebwerke. (Weitere Informationen zu Strahltriebwerken und Turbinen finden Sie unter: Heißkorrosion in Gasturbinenkomponenten .)

Katalysatoren

Rheniumverbindungen werden in vielen Industrien als Katalysatoren für die homogene und heterogene Katalyse eingesetzt. Dazu gehören:

• Petrochemie.
• Arzneimittel
• Organische Syntheseverfahren, einschließlich Isomerisierung, Hydrierung und Alkylierung.

Platin-Rhenium-Katalysatoren sind in einem chemischen Prozess namens katalytisches Reformieren in Erdölraffinerien unerlässlich. (Weitere Informationen zu Erdöl finden Sie unter: Die 6 korrosiven Komponenten, die in Rohöl gefunden werden können .)

Thermoelemente

Wolfram-Rhenium- und Molybdän-Rhenium-Legierungen werden hauptsächlich zur Herstellung von Thermoelementen verwendet.

Ihre Verwendung umfasst Halbleiter, Heizelemente, Metallbeschichtungen und Schweißstäbe.

Insbesondere Wolfram-Rhenium-Legierungen werden zur Herstellung von rotierenden Röntgenanoden verwendet.

Bei hohen Temperaturen widersteht Rhenium Angriffen in Wasserstoff und inerten Atmosphären. Es ist beständig gegen Salzsäure- und Meerwasserkorrosion sowie beständig gegen die mechanischen Einwirkungen der Elektroerosion.

Schlussfolgerung

Refraktäre Metalle haben viele Anwendungen und Vorteile. Es gibt jedoch viele, die wir noch nicht vollständig verstehen.

Auf dem Gebiet der Metallurgie ist umfangreiche Forschung erforderlich, um eine Vielzahl von Prozessen zu verbessern.