Niob
Als leichtestes der Refraktärmetalle (eine Gruppe metallischer Elemente, die einen extrem hohen Schmelzpunkt und eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen) ist Niob ein sehr begehrtes Material mit Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Kernkraft und der Sicherheit. In diesem Artikel gehen wir auf die Eigenschaften ein, die Niob von anderen Refraktärmetallen unterscheiden, sowie auf seine aktuellen Anwendungen und sein Potenzial für den Einsatz in zukünftigen Technologien.
Eigenschaften von Niob
In seiner elementaren Form ist Niob ein hellgraues Übergangsmetall, das zu einer Gruppe von Elementen gehört, die als Refraktärmetalle bekannt sind. Wie andere Refraktärmetalle hat Niob einen sehr hohen Schmelzpunkt (2477°C); es unterscheidet sich jedoch von den anderen Refraktärmetallen durch seine relativ geringe Dichte. Mit nur 8,57 g/cm³ hat Niob eine ähnliche Dichte wie Nickel und Kupfer und ist damit das leichteste der Refraktärmetalle.
Niob hat viele Ähnlichkeiten mit Tantal, einem anderen hochschmelzenden Metall. Die beiden Metalle kommen in der Natur zusammen in Form des Minerals Kolumbit vor und wurden lange Zeit für dasselbe Metall gehalten. Niob und Tantal haben viele physikalische und chemische Eigenschaften gemeinsam: Ihre hohe Duktilität bei Raumtemperatur macht diese beiden Metalle zu den vielseitigsten Refraktärmetallen, und beide sind durch ein Pentoxid geschützt (d. h. Nb₂O₅ und Ta₂O₅).
Niob ist ein wichtiger Bestandteil von Hochtemperatursuperlegierungen auf Nickelbasis. Dank ihrer Hochtemperaturfestigkeit und relativ geringen Dichte sind diese Legierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt äußerst wertvoll.
Zusätzlich zu seiner hohen Festigkeit, Duktilität, Hitzebeständigkeit und vergleichsweise geringen Dichte weist Niob auch Supraleitfähigkeit bei kryogenen Temperaturen auf und wird zur Herstellung supraleitender Magnete für medizinische und Forschungsanwendungen verwendet.
Niob von QSIL
QSIL ist einer der weltweit größten Anbieter von Niob für industrielle Anwendungen und bietet Niob und Niob-Basis-Legierungen in den folgenden Formen an:
- Stangen / Billets / Schmiedestücke
- Stäbe / Drähte / Spulen
- Sputtering Targets
- Bleche/Platten/Folien
- Rohre
Darüber hinaus nutzt QSIL sein Fachwissen in der Fertigung und Prozessentwicklung, um kundenspezifische Nioblösungen für seine Kunden zu entwickeln. Wenn Sie mehr über unser Angebot an Niob, Nioblegierungen und anderen Refraktärmetallen erfahren möchten, wenden Sie sich bitte an ein Mitglied des QSIL-Teams.
Anwendungen von Niob
Bauteile für die Luft- und Raumfahrt müssen in der Regel hohen Temperaturen, thermischer Ermüdung und hohen mechanischen Belastungen standhalten. Diese Leistungsanforderungen in Verbindung mit der Notwendigkeit, bei der Konstruktion von Flugzeugen und Raumfahrzeugen das Gewicht so weit wie möglich zu reduzieren, bedeuten, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie mit die höchsten Materialanforderungen aller Branchen stellt.
Refraktärmetalle wie Molybdän, Wolfram und Tantal werden in der Luft- und Raumfahrt häufig verwendet, da sie eine hohe Festigkeit im Temperaturbereich von 830°C bis 1830°C aufweisen. Dank seiner geringeren Dichte ist Niob jedoch für die Industrie unverzichtbar, da es leistungsstarke physikalische Eigenschaften in Form eines relativ leichten und leicht zu bearbeitenden Metalls bietet.
Für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt werden kontinuierlich Refraktärmetall-Legierungen entwickelt. Eine dieser Legierungen, die weit verbreitet ist, ist C-103: eine komplexe Refraktärlegierung, die hauptsächlich aus Niob besteht, mit Zusätzen von 10 Gew.-% Hafnium, 1 Gew.-% Titan und Spuren anderer Elemente.
Der Schlüssel zum Erfolg von C-103 ist seine geringe Dichte und außergewöhnliche Festigkeit über einen sehr weiten Temperaturbereich − von kryogenen Temperaturen bis hin zu 1482°C. C-103 wird fast seit Beginn des Raumfahrtzeitalters verwendet und ist ein bewährtes Material, das zu den führenden Refraktärmetallen in der Antriebs- und Raumfahrttechnologie gehört.
Wichtig ist, dass C-103 leicht zu formen ist − etwas, das sicherlich nicht auf alle Refraktärmetalle und auch nicht auf viele für die Raumfahrt entwickelte Refraktärkeramiken oder Verbundwerkstoffe zutrifft. Trotz seines hohen Schmelzpunkts lässt sich C-103 mit herkömmlichen Verfahren warm, heiß oder kalt bearbeiten, um flache oder runde Produkte herzustellen. C-103 lässt sich außerdem ohne nennenswerten Verlust an Duktilität maschinell bearbeiten und kann WIG-geschweißt werden, was die Herstellung komplexer Luft- und Raumfahrtkomponenten erleichtert.
C-103 wird in einer Vielzahl von Flugzeugkomponenten verwendet, von Schubverstärkungsklappen in Gasturbinen bis hin zu Hochtemperaturventilen. Derzeit wird an der Entwicklung von Legierungen auf Niobbasis für Luft- und Raumfahrttechnologien der nächsten Generation geforscht, z. B. für Wärmerohre zur Ableitung der Wärme von Hyperschall-Vorderkanten und Bugspitzen.
Niob ist nicht nur ein hochschmelzendes Metall, sondern gehört auch zu einer anderen exklusiven Gruppe von Elementen: den elementaren Supraleitern. Diese Materialien − zu denen auch Indium, Zinn und Blei gehören − zeichnen sich dadurch aus, dass ihr elektrischer Widerstand schlagartig auf Null sinkt, wenn sie unter eine bestimmte kritische Temperatur abgekühlt werden.
Die kritische Temperatur für die Supraleitfähigkeit von Niob liegt bei 9,3 K − die höchste kritische Temperatur aller elementaren Supraleiter. Niob war daher die natürliche Wahl für die Entwicklung von supraleitenden Legierungen für höhere Temperaturen, zu denen Niob-Zinn (Nb₃Sn) und Niob-Germanium (Nb₃Ge) gehören. Nioblegierungen werden zur Herstellung von supraleitenden Magneten für medizinische MRT-Geräte und NMR-Geräte für Anwendungen in der analytischen Chemie verwendet. Der LHC-Teilchenbeschleuniger verwendet sogar Niob-Titan-Magnete, um hochenergetische Teilchen um seine Beamline herumzuleiten. Derzeit laufen Pläne, diese Magnete für die nächste Betriebsphase des LHC auf eine leistungsfähigere Niob-Zinn-Legierung umzustellen.
Nioblegierungen zeichnen sich nicht nur durch eine hervorragende mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit aus, sondern auch durch eine hohe Strahlenbeständigkeit. Daher findet Niob neben anderen Refraktärmetallen wie Wolfram und Molybdän zahlreiche Anwendungen in der Kernindustrie.
Aufgrund der extrem niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitte und der guten Beständigkeit gegenüber flüssigen Metallen werden Niob-Zirkonium-Legierungen häufig für Strukturelemente in Kernreaktoren verwendet. Niob wird auch für strahlenresistente Hochtemperaturinstrumente in Hochtemperaturreaktoren verwendet.
Nioblegierungen sind auch für den Bau von Kernspaltungsreaktoren der nächsten Generation von Interesse. Jüngste Forschungen zeigen, dass diese Werkstoffe dank ihrer überragenden mechanischen Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen für den Bau von Strukturelementen in Spaltreaktoren der Generation IV geeignet sein könnten.