Refraktärmetalle: Wichtige Eigenschaften, Typen und industrielle Anwendungen

Refraktärmetalle werden aufgrund ihrer einzigartigen und wünschenswerten Eigenschaften und Verhaltensweisen weit verbreitet eingesetzt, insbesondere ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer außergewöhnlichen Verschleiß- und Hitzebeständigkeit.

Diese Metalle finden hauptsächlich in den Bereichen Ingenieurwesen, Wissenschaft und Metallurgie Verwendung. Die fünf Hauptelemente, die zu dieser Metallklasse gehören, sind:

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

Diese fünf Elemente teilen einige Schlüsseleigenschaften, wie einen hohen Härtegrad bei Raumtemperatur und einen hohen Schmelzpunkt, insbesondere bei Temperaturen über 3.600 Grad Fahrenheit (2.000 Grad Celsius). (Mehr zur Härteerhöhung siehe: Nitrieren für Korrosions- und Verschleißermüdungsbeständigkeit.)

Refraktärmetalle weisen auch eine hohe Dichte auf und sind chemisch inert. Ihre hohen Schmelzpunkte machen Pulvermetallurgie zur bevorzugten Fertigungsmethode für verschiedene Komponenten.

Einige der häufigsten Anwendungen für Refraktärmetalle sind Drahtfäden, Werkzeuge, chemische Gefäße in korrosiven Atmosphären und Gussformen. Mit ihren extrem hohen Schmelzpunkten sind Refraktärmetalle hochstabil.

Nun werfen wir einen tieferen Blick auf Refraktärmetalle – einschließlich ihrer Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen:

Die wichtigsten Merkmale von Refraktärmetallen

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

Refraktärmetalle bleiben auch unter extrem hohen Temperaturen fest und sind von Natur aus hart, was sie ideal für Bohr- und Schneidwerkzeuge macht. Refraktärmetalle sind hochbeständig gegen Faktoren wie Temperaturschock. Das bedeutet, sie erfahren keine Rissbildung, Ausdehnung oder Spannung bei wiederholtem Abkühlen und Erhitzen. (Mehr zu Metallen unter Hitze siehe: Top 5 Überlegungen bei der Beschichtung von Hochtemperaturoberflächen.)

Zudem haben alle fünf Metalle dieser Gruppe hohe Dichtewerte und gute Wärme- und elektrischen Eigenschaften. Sie sind auch kriechbeständig, sodass sie sich bei sehr belastenden Umgebungen oder Bedingungen nur langsam verformen. Dies liegt daran, dass Refraktärmetalle eine Schutzschicht strukturieren können, was sie korrosionsbeständig macht – obwohl sie bei hohen Temperaturen oxidieren können.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Refraktärmetallen

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

Die physikalischen Eigenschaften von Refraktärmetallen

Refraktärmetalle zeichnen sich durch folgende physikalische Merkmale aus:

• Ein hoher Siedepunkt. Die Schmelzpunkte von Refraktärmetallen sind höher als die aller anderen Metalle außer Kohlenstoff, Osmium und Iridium.
• Eine körperzentriert kubische Kristallstruktur.
• Eine hohe Kriechbeständigkeit.

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

So hat von allen fünf Refraktärmetallen Rhenium den höchsten Schmelzpunkt – bei 5.757 Grad Fahrenheit (3.186 Grad Celsius) – während Niob den niedrigsten hat – bei 4.491 °F (2.477 °C). Beim Siedepunkt liegt Niob bei 8.572 °F (4.744 °C), während Rhenium bei 10.105 °F (5.596 °C) liegt. (Mehr zu Anwendungen mit Hochtemperaturmaterialien siehe: All Steamed Up: The Many Types and Uses of Steam.)

Dasselbe gilt für die Kriechbeständigkeit; es gibt Metalle, die bei 1.832 °F (1.000 °C) zu kriechen beginnen, während andere erst bei weniger als 932 °F (500 °C) beginnen.

Die chemischen Eigenschaften von Refraktärmetallen

Refraktärmetalle weisen eine breite Palette chemischer Eigenschaften auf, da jedes zu einer anderen Klassifikation im Periodensystem gehört.

Im Allgemeinen oxidieren diese Metalle leicht; die Reaktion kann jedoch durch die Bildung stabiler Oxidschichten auf dem Metall kontrolliert werden. Dies gilt insbesondere für Rhenium, da es hochflüchtig ist. Daher kann es seine Stabilität gegen Sauerstoffangriff bei hohen Temperaturen verlieren, da die Oxidschicht verdampft.

Allerdings sind alle Refraktärmetalle vergleichsweise stabil gegen Substanzen wie Säuren.

Was sind die Vorteile der Verwendung von Refraktärmetallen?

Dank ihrer einzigartigen Qualitäten sind Refraktärmetalle für eine Vielzahl von Anwendungen und Branchen hochvorteilhaft. Ihre wichtigsten Vorteile umfassen:

Sehr hoher Schmelzpunkt

Refraktärmetalle wie Wolfram, Molybdän und Tantal haben sehr hohe Schmelzpunkte, was sie in der Glasherstellung vorteilhaft macht.

Hohe Festigkeit

Refraktärmetalle sind einzigartig fest, selbst bei ultra-hohen Temperaturen.

Beispielsweise haben Raketenkappen aus Wolfram bei Normaltemperaturen die doppelte Zugfestigkeit von Eisen. (Mehr zu diesem Thema siehe: Was ist der Unterschied zwischen Festigkeit und Zähigkeit?)

Herausragende Abrieb- und Verschleißfestigkeit

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

Exzellente Korrosionsbeständigkeit

Rohrleitungen in chemischen Anlagen bestehen typischerweise aus Refraktärmetallen, was einen hohen Grad an Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Edelstahl ermöglicht.

Temperaturschockbeständigkeit

Metalle wie Wolfram können der durch schnelle Ausdehnung aufgrund von Hitze verursachten Spannung widerstehen.

Wolfram hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und kann eine Reihe von Ein-/Aus-Zyklen ohne Beeinträchtigung seiner Integrität überstehen.

Wärme- und elektrische Leitfähigkeit

Zusätzlich zu ihren vielen elektronischen oder elektrischen Anwendungen eignen sich Refraktärmetalle wie Wolfram und Molybdän gut als Wärmesenken.

Extreme Härte

Heute bestehen die meisten weit verbreiteten Schneidwerkzeuge aus Materialien wie Wolframkarbid.

Refraktärmetalle eignen sich auch hervorragend zum Umformen von Metallen und Stahl sowie im Bergbau und bei der Bohrung von Gas- oder Ölquellen. (Mehr zur Öl- und Gasindustrie siehe: Remote Corrosion Monitoring Systems in the Oil and Gas Industry.)

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 verfügen über ultra-nützliche Fähigkeiten – wie die Funktion als herausragende Strahlenschilde und chemische Katalysatoren.

Typen von Refraktärmetallen und ihre Anwendungen

Es gibt fünf Refraktärmetalle; jedes kommt mit eindeutigen Eigenschaften und Anwendungen.

Über alle hinweg umfassen gängige Anwendungen für Refraktärmetalle Drahtfäden, Werkzeuge, chemische Gefäße in korrosiven Atmosphären und Gussformen. Mit ihren sehr hohen Schmelzpunkten sind Refraktärmetalle hochstabil.

Hier sind spezifischere Anwendungen für jedes der fünf Refraktärmetalle:

Wolfram

Wolfram ist das häufigste unter den Refraktärmetallen. Es hat den höchsten Schmelzpunkt und eine der höchsten Metall-Dichten unter den Refraktärmetallen. Es kann sehr hart sein, wenn es mit anderen Elementen wie Kohlenstoff kombiniert wird. Es ist auch hochkorrosionsbeständig.

Beleuchtungsanwendungen

Wolfram wird häufig in Drahtfäden verwendet, wie sie in den meisten in Haushalten verwendeten Glühlampen zu finden sind. Aber es ist auch in industriellen Lichtbogenlampen und Beleuchtung üblich. (Mehr zu industriellen Anwendungen siehe: 8 Things to Know About Polyurea Coatings.)

Bühnenbeleuchtung wird in Fernsehstudios und auf Tonbühnen sowie in Veranstaltungsorten eingesetzt, an denen Theaterproduktionen, Konzerte und andere Live-Events stattfinden. Und während Bühnenbeleuchtung weiterhin Glühlampentechnologie nutzt, handelt es sich meist um proprietäre Hochleistungs-Wolfram-Halogen- (oder Quarz-Halogen-) Lampen mit sorgfältig kalibrierten Farbtemperaturwerten zur Steuerung der Gesamtszenenwiedergabe.

Koronaentladung

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

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

Öfen

Wolframdraht wird häufig verwendet, um in industriellen Öfen Halt oder Ziehwirkung zu bieten.

Dies ist auf die Nicht-Durchhang-Eigenschaften des Wolframdrahts und seine Hitzebeständigkeit zurückzuführen. Beispielsweise wird Wolframdraht oft zu Matten verwoben, die verwendet werden, um Objekte in der konstruierten Heißzone von industriellen Öfen, Furnaces und Brennöfen zu positionieren und zu halten.

Sonden

Die Steifigkeit von Wolframdraht, selbst bei sehr kleinen Durchmessern, ist ein entscheidender Faktor, der ihn für den Einsatz in verschiedenen Arten von Sonden prädestiniert, einschließlich Kragarm-Halbleiter-Testsonden, die für Siliziumwafer-Tests in der Halbleiterfertigung verwendet werden.

Steifigkeit ist auch ein Vorteil von Wolframdraht für neurale Sonden, die in medizinischer Diagnostik und Behandlung eingesetzt werden. (Mehr zu Materialwissenschaft im Gesundheitswesen siehe: How to Get Started in a Career as a Materials Scientist.)

Schneidwerkzeuge und -teile

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

Wolframkarbid-Einsätze mit geschliffenen Schneidkanten werden durch Löten oder mechanische Befestigung an den Körpern von Stahlwerkzeugen angebracht. Der Einsatz von Wolframkarbid-Werkzeugen gewährleistet höhere Schnittgeschwindigkeiten und längere Werkzeugstandzeiten. Wolframkarbid-Ziehsteine werden häufig zum Ziehen von Draht verwendet.

Molybdän

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

Dieses Metall bildet auch keine Amalgame, was es korrosionsbeständig macht. Es wird hauptsächlich zur Verstärkung von Stahllegierungen verwendet, insbesondere in Strukturrohren und -leitungen. Molybdän hat auch ausgezeichnete Reibungsminderungseigenschaften, was es zu einer idealen Komponente von Ölen und Fetten macht, die in Automobilen verwendet werden. (Mehr zu Korrosion in der Automobilindustrie siehe: The Corrosion of Lightweight Materials Used in Automotive Applications.)

Edelstahl

Edelstähle 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 wieder zu bilden, wenn er durch Chloride gestört wird. Die Erhöhung des Molybdängehalts in Edelstählen erhöht ihre Beständigkeit gegen Lochfraß- und Spaltkorrosion.

Werkzeuge und Schnellarbeitsstahl

Molybdän in Werkzeugstählen erhöht deren Härte und Verschleißfestigkeit. Durch die Reduzierung der kritischen Abkühlrate fördert Molybdän die Bildung einer optimalen martensitischen Matrix, selbst in massiven und komplexen Formen, die nicht schnell abgekühlt werden können, ohne Verzug oder Risse.

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. (Mehr zum Schneiden von Metallen siehe: How Hot Shortness and Welding Affect Corrosion in Metals.)

Rauchunterdrücker

In der Elektroniktechnik stellen Draht- und Kabelisolierung eine Feuer- und Rauchgefahr für Feuerwehrleute und Personen in Flugzeugen und Krankenhäusern dar. Ammoniumoktamolybdat wurde mit PVC verwendet, um Rauchbildung zu unterdrücken.

Da Molybdän einen Elastizitätsmodul von 47×10⁶ psi bei Raumtemperatur hat, wird es für Bohrstangen und Quills für hochdrehende Innenschleifer verwendet. Dies gewährleistet Freiheit von Vibrationen und Rattern.

Tantal

Tantal ist das korrosionsbeständigste Refraktärmetall.

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

Obwohl erheblich teurer als Aluminium, hat Tantal zwei entscheidende Vorteile gegenüber ihm:

1. Es hat eine höhere Dielektrizitätskonstante, was kleinere Kondensatoren ermöglicht.
2. Seine Oxidschicht ist stabiler, was Tantal-Kondensatoren einen Vorteil in Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeitsanforderung verschafft.

Tantal wird auch in der Elektronikindustrie als Barriere verwendet, um zu verhindern, dass Kupfer Silizium in Produkten wie Computerchips und Speichergeräten verunreinigt. Diese Trennung ist notwendig, da die Präsenz von Kupfer in Silizium zu Gerätedegradation und -ausfall führt. (Mehr zu Kupferkorrosion siehe: Increased Rates of Copper Corrosion in the Zone of Aeration Explained.)

Medizinische Anwendungen

Tantal wird in chirurgischen und biomedizinischen Anwendungen aufgrund seiner Bio-Inertheit eingesetzt – was wiederum auf der anhaftenden Oxidschicht beruht, die sich spontan auf der Oberfläche von Tantalmetall bildet, wenn es Luft ausgesetzt ist.

Zudem ist Tantal in Körperflüssigkeiten inert und besitzt gute mechanische Eigenschaften. Beispiele für seine Anwendungen in der Medizin sind:

• Chirurgische Clips
• Knochentransplantate
• Platten für Kranioplastiken
• Netze für Bauchwandrekonstruktionen
• Zahnimplantate

Chemieanlagen-Ausrüstung

Tantals Duktilität und exzellente Korrosionsbeständigkeit machen es geeignet für den Einsatz in chemischen Prozessanlagen, die unter korrosiven Bedingungen bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.

Die Korrosionsbeständigkeit des Metalls dient sowohl dem Schutz der Ausrüstung als auch der Erhaltung der Reinheit der behandelten Chemikalien. Tantal und seine Legierungen können Salzsäure, Bromwasserstoffsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure handhaben. Beispiele für Chemieanlagen-Ausrüstung, in denen Tantal verwendet werden kann, sind:

• Wärmetauscher
• Ventile
• Behälter
• Rohre. (Mehr zu Rohrkorrosion siehe: 21 Types of Pipe Corrosion & Failure.)

Niob

Niob wird immer zusammen mit Tantal verwendet. Es ist hochunique und lässt sich leicht bearbeiten, um hohe Elastizität und Festigkeit zu erhalten.

Ferro-Metallurgie

Die Hauptanwendung von Niob liegt in der Ferro-Metallurgie.

Etwa 75 % der weltweiten Niob-Produktion wird von der Stahlindustrie verwendet, um eine Vielzahl von Stahllegierungen herzustellen, die kleine Mengen anderer Metalle enthalten (Mikrolegierte und niedriglegierte Stähle), um – unter anderen Eigenschaften – Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Zähigkeit zu verbessern.

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

Diese Stähle werden in Pipelines, Transport und strukturellen Anwendungen eingesetzt. (Mehr zu Transport siehe: Temporary Corrosion Protection During Storage, Transportation and Handling.)

Supraleitende Magnete

Niob-Legierungen werden auch zur Herstellung supraleitender Magnete verwendet. Diese supraleitenden Magnete werden eingesetzt in:

• Magnetresonanztomographie (MRT)
• Kernmagnetresonanz-Instrumenten (NMRI)
• Teilchenbeschleunigern, wie dem Large Hadron Collider in Europa, der die größten supraleitenden Magnete der Welt enthält
• Elektrolytkondensatoren und Supraleitern

Niob-Legierungen werden anderen Refraktärmetallen bis zu 3.300 °F vorgezogen. Aufgrund ihrer geringen Oxidationsbeständigkeit sind Niob-Legierungen auf den Einsatz in strukturellen Anwendungen bei erhöhten Temperaturen beschränkt.

Rhenium

Rhenium ist das am kürzesten entdeckte Refraktärmetall.

Es kommt mit anderen Metallen in ultra-niedrigen Konzentrationen vor. 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 Additiv zur Herstellung von Superlegierungen verwendet, oft in Verbindung mit Eisen, Kobalt, Nickel, Wolfram und Molybdän. Die Zugabe von Rhenium verbessert die Gesamtkriechfestigkeit einer Superlegierung, was sie zu einem ausgezeichneten Material für Düsenstrahltriebwerksteile und Gasturbinenmotoren macht. (Mehr zu Strahltriebwerken und Turbinen siehe: Hot Corrosion in Gas Turbine Components.)

Katalysatoren

Rhenium-Verbindungen werden als Katalysatoren für homogene und heterogene Katalyse in vielen Branchen verwendet. Dazu gehören:

• Petrochemie
• Pharmazeutika
• Organische Syntheseprozesse, einschließlich Isomerisierung, Hydrierung und Alkylierung

Platin-Rhenium-Katalysatoren sind essenziell in einem chemischen Prozess namens katalytische Reformierung in Erdölraffinerien. (Mehr zu Erdöl siehe: The 6 Corrosive Components That Can Be Found in Crude Oil.)

Thermoelemente

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

Ihre Anwendungen umfassen Halbleiter, Heizelemente, metallische Beschichtungen und Schweißstäbe.

Wolfram-Rhenium-Legierungen werden insbesondere zur Herstellung rotierender Röntgenanoden verwendet.

Bei hohen Temperaturen widersteht Rhenium Angriffen in Wasserstoff- und Inertgasatmosphären. Es ist beständig gegen Salzsäure- und Meerwasserkorrosion und auch gegen die mechanischen Auswirkungen elektrischer Erosion.

Fazit

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

Umfangreiche Forschung ist im Bereich der Metallurgie erforderlich, um eine Vielzahl von Prozessen zu verbessern.