Höchstschmelzende Legierungsmetalle. Materialgruppen: Metall > Nichteisenmetalle > Schwermetalle. Abkürzung:

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1 Höchstschmelzende Legierungsmetalle Materialgruppen: Metall > Nichteisenmetalle > Schwermetalle Materialbeschrieb Niob ist ein hellgrau glänzendes Metall mit dem Elementsymbol Nb und der Ordnungszahl 41 im Periodensystem. Niob kommt nicht gediegen vor, sondern zusammen mit Tantal in einem Erz. Dem geringen Vorkommen in der Natur steht die grosse wirtschaftliche Nachfrage gegenüber. Niob und Tantal sind sich in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich. Niob verfügt über eine hervorragende chemische Beständigkeit und hohe Warmfestigkeit. Es hat einen hohen Schmelzpunkt und eine gute Kaltduktilität. Dank der guten Kaltduktilität lässt sich Niob hervorragend spanlos formen, dagegen nur schwer spanabhebend bearbeiten, weil sich dabei ein Fliessspan bildet. Niob ist unter Berücksichtigung der metallischen Eigenschaften gut schweiss- und lötbar. Niob wird oft als Legierungsmetall für Stahl verwendet. Es verbessert die Warm und Verschleissfestigkeit ebenso wie die Schweissbarkeit der entsprechenden Stahllegierung. Eine weitere positive Eigenschaft ist die Supraleitfähigkeit, die im Bereich Nuklear und Reaktortechnik zum Tragen kommt. Niob wird zu diesem Zweck mit Zinn, Aluminium und Zirkonium legiert. Bei hoher Temperatur verliert diese Legierung den elektrischen Widerstand und die Übertragung von elektrischer Energie erfolgt verlustfrei. Abkürzung: Andere Bezeichnungen/Synonyme: Nb Name in den USA: Columbium (chem. Zeichen Cb) Hintergrund Etymologie: Die Bezeichnung Niob bezieht sich auf die griechische Sagengestalt Niobe, deren Vater Tantalus Namensgeber des Metalls Tantal ist. Diese enge MATERIAL ARCHIV / 6

2 Verbindung verweist auf die ähnlichen chemischen Eigenschaften der Metalle und das gemeinsame Vorkommen in der Natur. Herstellung Herkunft, geografische Region: Australien, Mozambique, Brasilien, Thailand, Portugal, Nigeria, Zaire, Kanada Gewinnung: Das Tantal-Niob-Mischerz wird auf chemischem Weg in seine Fluoride aufgetrennt und diese danach zu Metallpulver reduziert. Fertigung: Die Weiterverarbeitung zu kompakten Metallen erfolgt für Niob einerseits durch Sintern (Pulvermetallurgie), andererseits durch Einschmelzen im Lichtbogenofen oder Elektronenstrahlschmelzofen (Schmelzmetallurgie). Bei der pulvermetallurgischen Verarbeitung wird das Pulver durch Matrizenpressen oder kaltisostatisches Pressen in Stab- oder Plattenform gebracht. Beim nachfolgenden Sintern (ca C) werden ca. 95% der theoretischen Dichte erreicht, die Umformung danach führt zu einer vollständigen Verdichtung des Materials. Für die schmelzmetallurgische Verarbeitung kommen aufgrund des hohen Schmelzpunktes hauptsächlich Elektronenstrahl- und Lichtbogenschmelzöfen zur Anwendung. Nach dem Erstarren weisen die Schmelzblöcke 100% der theoretischen Dichte auf. Die so gewonnenen Sinterstäbe bzw. vorbearbeiteten Schmelzblöcke können durch Schmieden, Walzen oder Ziehen bei Raumtemperatur umgeformt werden. Erforderliche Zwischenglühungen sind im Hochvakuum durchzuführen. Eigenschaften Gefüge/Mikrostruktur: Kubisch raumzentriert Erscheinung Farbe: Weisstöne Hellgrau, weisslich Beständigkeit Säurenbeständigkeit: beständig Niob wird wegen seiner hohen chemischen Beständigkeit oft mit einem Edelmetall verglichen. Der Unterschied besteht darin, dass sich Niob von Natur aus mit einer dicken Oxidschicht überzieht, die weitere chemische Reaktionen mit dem Grundmaterial unterbindet. Bei Raumtemperatur wird Niob nur von sehr wenigen anorganische Substanzen und alkalischen Lösungen angegriffen. Dazu gehörenden Stoffe wie konzentrierte Schwefelsäure, Fluorwasser, Flusssäure und geschmolzenes Natriumhydroxid. Gegen wässrige Ammoniaklösungen ist Niob resistent. Mit steigender Temperatur verringert sich die Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere ist darauf zu achten, dass Niob bei erhöhten Temperaturen auf Lösungsmischungen reagieren kann, obwohl es gegen die einzelnen Komponenten resistent ist. MATERIAL ARCHIV / 6

3 Wenn Niob bei hohen Temperaturen eingesetzt wird, müssen Atmosphäre sowie Materialien, die mit Niob in Kontakt kommen, auf Reaktionen getestet werden. Niob reagiert z. B. nicht auf Edelgase, aber mit ansteigender Temperatur auf Sauerstoff bzw. Luft, ein Verhalten das auf den gelösten Sauerstoff im Metall zurückzuführen ist. Um dies zu verhindern, kann das Metall im Hochvakuum geglüht bzw. entgast werden. Niob führt auch in Verbindung mit hochschmelzenden Oxid oder Grafit führt zu unerwünschten Reaktionen, d. h. das Oxid wird reduziert und das Grafit hat Karbidbildung zu Folge, die das Metall versprödet. Mechanische Eigenschaften Biegezugfestigkeit: bis N/mm 2 Brinellhärte [HB]: bis N/mm 2 Bruchdehnung [εb]: 4.50 bis % Dichte [ρ]: kg/m 3 Elastizitätsmodul: N/mm 2 Rockwellhärte HRC: bis HRC Scherfestigkeit: bis N/mm 2 Streckspannung/Elastizitätsgrenze [ft]: bis N/mm 2 Vickershärte 20% kalt verformt: bis HV Zugfestigkeit [ft]: bis N/mm 2 Thermische Eigenschaften Längenausdehnungskoeffizient: 7.10 x /K Liquidus: bis C Siedepunkt [Kp]: C Spezifische Wärme [c]: KJ/KG*K Schmelzwärme [q]: KJ/KG Schmelzpunkt/-bereich [T_SM]: bis C Wärmeleitfähigkeit/-zahl [λ]: W/mK Quellen der Kennwerte Domke, W. (1994). Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung. 10. Auflage. Berlin: Cornelsen Verlag. Merkel, M., & Thomas, K.-H. (2008). Taschenbuch der Werkstoffe. 7. Auflage. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. Hasse, St. (2008). Giesserei-Lexikon. 19. Auflage. Berlin: Schiele & Schön. Bearbeitung Lieferformen: MATERIAL ARCHIV / 6

4 Bleche, Folien, Stäbe, Drähte, Platten, Pulver Lieferbare Materialqualitäten: 99,5%, 99,9% Formen und Generieren: biegen, drücken, prägen, tiefziehen Niob verfügt über eine hohe Duktilität und ist deshalb gut spanlos verformbar. Meist wird als Werkzeugmaterial Bronze eingesetzt. Als Schmiermittel dienen Leichtöle, wodurch sich die Möglichkeit ungewollter Kaltverschweissung reduziert. Fügen und Verbinden: löten, schweissen Gelötet wird Niob in einem Vakuumofen oder in Argon-Atmosphäre, denn Niob reagiert mit der Umgebungsluft, was zur Versprödung des Metalls führen würde. Vor dem Löten muss das Material entfettet und gebeizt werden. Bei niedrigen Temperaturen (bis 800 C) wird Silberlot verwendet, für höhere Temperaturbereiche gibt es Sonderlote. Niob lässt sich sehr gut schutzgasschweissen, wobei wie beim Löten eine vorherige gründliche Reinigung notwendig ist. Um optimale Schweissergebnisse zu erzielen, wird im Vakuumofen geschweisst. Dank der hohen Duktilität erübrgt sich nach dem Schweissen das Entspannungsglühen. Oberflächenbearbeitung: aufrauen, beizen, elektropolieren Gebeizt wird Niob, um Oxidationsschichten zu entfernen oder eine blanke Oberfläche zu erzielen, wobei die Oxidation durch eine Schmelzbeize und die blanke Oberfläche durch eine saure Beize hervorgeführt wird. Nach dem Beizen werden die Objekte abgekühlt und dann in Warm- und Kaltwasser gespült. Für eine fleckenlose Oberfläche ist Waschen in Reinstwasser und Trocknen in Warmluft erforderlich. Sandstrahlen führt zu einer raueren Oberfläche als Beizen. Um eine glatte Oberfläche zu erzielen, kann Niob elektropoliert werden. Oberflächenbehandlung: beschichten, formieren Durch anodische Oxidation, das heisst durch eine künstlich erzeugte Oxidationsschicht, lassen sich weitere chemische Reaktionen mit dem Grundmaterial verhindern. Um die Luftoxidation zu unterbinden kann mit SiCrFe beschichtet werden. Korrosionschutz und Löthilfen werden durch Nickel-, Chrom- oder Edelmetallbeschichtungen erzeugt, Hartstoffbeschichtung wirkt dem Verschleiss entgegen. Trennen und Subtrahieren: spanabhebend bearbeiten Ein Fliessspan, also ein Span, der nicht bricht, erschwert die spanabhebende Bearbeitung von Niob. Das Bearbeiten mit handelsüblichen Werkzeugen lässt sich durch Optimieren des Span- und Freiwinkels verbessern. Arbeitsschutz: Bei der Bearbeitung von Niob ist Staubentwicklung durch eine gute Belüftung MATERIAL ARCHIV / 6

5 oder Absauganlage zu vermeiden. Bei starker Staubbildung sind Atemschutzmasken erforderlich. Wurde Staub eingeatmet, ist umgehend für Zufuhr von Frischluft zu sorgen. Kommt der Staub in Berührung mit der Haut, ist er gründlich mit Seife abzuwaschen. Konservierung Schutz und Pflege: Niob kann unter Ultraschall gereinigt werden. Um zu verhindern, dass das Material oxidiert, ist es in einem trockenen Raum bei konstanter Temperatur zu lagern. Ganz unterbinden lässt sich die Oxidation jedoch nur durch Aufbewahrung in dichten, mit Schutzgas gefluteten Behältern. Aus demselben Grund wird Niob beim Transport in Polyethylensäcke eingeschweisst, die mit Trockenmittel gefüllt sind. Anwendung Anwendungsgebiete: Legierungstechnik, Reaktor- und Nukleartechnik Anwendungsbeispiele: Legierungsmetall für Stähle; in Kombination mit Zinn, Aluminium und Zirkonium für supraleitfähige Legierungen Umweltschutz: Niob und Niobrückstände müssen als Metallschrott entsorgt werden. Dazu sind nationale bzw. regionale Vorschriften zu beachten. Quellennachweis Verwendete Quellen: Fachkunde Metall (1983 und 2007). 46. und 55. Auflage. Haan-Gruiten: Verlag Europa-Lehrmittel. Domke, W. (1994). Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung. 10. Auflage. Berlin: Cornelsen Verlag. Hasse, St. (2008). Giesserei-Lexikon. 19. Auflage. Berlin: Schiele & Schön. Merkel, M., & Thomas, K.-H. (2008). Taschenbuch der Werkstoffe. 7. Auflage. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. Wahrig-Burfeind, R. (Hrsg.) (2000). Deutsches Wörterbuch. 7. Auflage. München: Wissen Media Verlag GmbH. Weitere Quellen: Hochschmelzende Metalle (1997). 1. Ausgabe. Zürich: Johnson Matthey & Brandenberger AG. Niob, Werkstoffeigenschaften und Anwendungen: (Stand ) Sicherheitsdatenblatt Niob: (Stand ) (Stand ) MATERIAL ARCHIV / 6

6 Expertin / Experte: Rudolf Vetsch Material-Archiv-Signatur: MET_NEM_LEG_HOE_4 Text verfasst von: ZHdK, OB JB, 2011 Stand: (Online-Schaltung: ) Permalink: materialarchiv.ch/detail/1358 MATERIAL ARCHIV / 6