Was sind Refraktärmetalle
Refraktärmetalle (auch: Hochschmelzende Metalle) zeichnen sich durch eine hohe Hitze- und Verschleißbeständigkeit aus. Welche Metalle genau zu dieser Gruppe gehören, ist nicht einheitlich geregelt. Die gängigste Definition von Refraktärmetallen umfasst jedoch die Elemente Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium. Eine weiter gefasste Definition umfasst 12 Elemente, darunter Titan, Vanadium und Chrom, um nur einige zu nennen.
Die häufigsten industriellen Anwendungen sind Glasschmelzelektroden, Ofenteile, Wärmesenken und Düsentriebwerke. Darüber hinaus werden Refraktärmetalle häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie eingesetzt.
Die Definition von Refraktärmetallen
Die Metalle haben viele gemeinsame Eigenschaften. Ein Merkmal sticht jedoch hervor: der extrem hohe Schmelzpunkt. So haben alle Elemente, die unter die engere Definition fallen, einen Schmelzpunkt von mehr als 2200 °C. Ein weiteres gemeinsames Merkmal ist das Mikrogefüge. Mit Ausnahme von Rhenium weisen alle Elemente eine kubisch-raumzentrierte Struktur auf. Weitere Gemeinsamkeiten sind die hohe Dichte sowie die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit.
Wolfram (W)
Wolfram wurde 1781 von dem schwedischen Chemiker Karl Wilhelm Scheele entdeckt. Der englische Name Tungsten leitet sich von den schwedischen Wörtern „tung“ (schwer) und „sten“ (Stein) ab.
Der Schmelzpunkt von Wolfram liegt bei 3410° C und ist damit der höchste von allen Metallen. Außerdem ist es eines der dichtesten Metalle der Welt (19,3 g/cm3) und weist im Vergleich zu anderen hochschmelzenden Metallen die höchste Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus wird Wolfram in Verbindung mit Kohlenstoff zu einem der härtesten vom Menschen hergestellten Werkstoffe.
Das Metall ist vor allem für seine Verwendung bei der Herstellung von Glühfäden für Glühbirnen bekannt. Zudem wird es in der industriellen Beleuchtung häufig als Elektroden in Bogenlampen verwendet. Weitere Verwendung findet das Element in Werkzeugen für die Metallbearbeitung, den Bergbau und die Erdölförderung.
Molybdän (Mo)
Molybdän wurde erstmals 1894 von einem französischen Unternehmen als Panzerplatte verwendet und ist das am weitesten verbreitete aller Refraktärmetalle. Die Hauptanwendung von Molybdän ist als Legierungselement in Stahl, da es bei der Herstellung von Rohrleitungen, Werkzeugen und rostfreiem Stahl häufig eingesetzt wird. Besonders die Legierung TZM, die für Titan (0,5 %), Zirkonium (0,08 %) und Molybdän steht, ist wegen ihrer hohen Kriechfestigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen sehr beliebt. Weitere Anwendungen für Molybdän sind Hochtemperaturanwendungen wie Ofenteile oder Aufzugsbremsen.
Molybdän zeichnet sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus und hat eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit (2×107 S/m). Sie ist sogar die höchste aller Refraktärmetalle. Auch die Wärmeleitfähigkeit (138 W/(m*K)) ist exzellent. Weitere Eigenschaften sind eine gute Korrosions- und Verschleißfestigkeit sowie eine hohe Zugfestigkeit.
Niob (Nb)
Niob ist auch unter dem Namen Columbium (Cb) bekannt und wurde erstmals 1801 in Connecticut entdeckt. In der Regel wird Niob zusammen mit Tantal gefunden, wobei beide Elemente ähnliche Eigenschaften aufweisen. Der Hauptunterschied ist jedoch das Gewicht, da Niob nur halb so schwer ist wie Tantal.
Niob ist von allen hochschmelzenden Metallen dasjenige mit der geringsten Dichte. Außerdem ist es das einzige Metall, das durch Glühen bearbeitet werden kann. Daher ist es bei niedrigen Temperaturen sehr gut bearbeitbar und kann eine große Bandbreite an Festigkeit und Duktilität erreichen.
Die Hauptanwendung von Niob ist die Verwendung als Legierungselement für Stahl. Aufgrund der geringen Dichte eignet sich das Element hervorragend für die Herstellung von hochleistungsfähigen, feuerfesten Werkstücken mit geringem Gewicht. Daher wird es häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch in Gasturbinen und Kernreaktoren eingesetzt.
Tantal (Ta)
Wie bereits erwähnt, wurde Tantal zur gleichen Zeit wie Niob entdeckt und hat viele seiner Eigenschaften mit diesem gemein. Eine herausragende Eigenschaft von Tantal ist die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in Salpeter-, Salz- und Schwefelsäure sowie in sauren Umgebungen im Allgemeinen. Insgesamt weist es gute mechanische Eigenschaften auf.
Die Hauptanwendungsgebiete für Tantal liegen in der medizinischen Industrie. Dort wird es für chirurgische Geräte verwendet. Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit wird Tantal für chemische Geräte wie Dampfkondensatoren, Öffnungen und Reaktionsbehälter verwendet. Außerdem wird es bei der Herstellung von Elektrolytkondensatoren verwendet, da es die zweitbeste Kapazität aller Stoffe aufweist.
Rhenium (Re)
Rhenium hat kein spezifisches Erz, da es 1925 von deutschen Wissenschaftlern in Platin- und Kolumbariumerzen entdeckt wurde. Damit ist es das jüngste aller Refraktärmetalle. Da das Element so selten vorkommt, ist es das teuerste aller hochschmelzenden Elemente.
Am häufigsten wird Rhenium als Legierung für andere Refraktärmetalle verwendet. Auf diese Weise können die Duktilität und die Zugfestigkeit stark verbessert werden. Es wird typischerweise beim Bau von Kernreaktoren, Kreiseln und elektronischen Bauteilen verwendet. Die häufigste Verwendung von Rhenium ist jedoch die als Katalysator für Reaktionen wie Oxidation oder Hydrierung.
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