Wärme- und Oberflächenbehandlung von Ventilen
Oberflächenbeschichtungen für Ventile und alternative Leichtmetalle
Wenn es um die Auswahl von Leichtmetallen geht, wagen sich die meisten Ingenieure nicht weit von Al-, Mg- und Ti-Legierungen weg. Dieser Artikel untersucht jedoch die Verwendungsmöglichkeiten und Vorteile einiger dieser weniger verwendeten Leichtmetalle wie Zirkonium, Tantal und Hafnium.
Dank der Entwicklungen in der Materialwissenschaft und der Forschung im Bereich Oberflächenbeschichtungen zählen Leichtmetalle zu den am häufigsten verwendeten Metallen in rauen Einsatzumgebungen. Von der Öl- und Gasindustrie, wo enorme Belastungen herrschen, bis hin zu den leichten, aber robusten beweglichen Bauteilen von Flugzeugen sind Leichtmetalle allgegenwärtig. Auch die Medizin- und Rüstungsindustrie sind dem Einsatz von Leichtmetallen nicht abgeneigt.
Die meisten Werkstoffingenieure und Wissenschaftler greifen auf die Leichtmetalle Aluminium, Magnesium und Titan zurück, um ihre anspruchsvollen technischen Herausforderungen zu lösen. Es gibt jedoch auch andere Leichtmetalle, die über spezielle Eigenschaften verfügen, die sie für ganz bestimmte Hochleistungsanwendungen geeignet machen. Einige davon sind weniger bekannt, verdienen aber die gleiche Aufmerksamkeit wie ihre bekannteren Gegenstücke.
Ventilmetalle enthalten Elemente wie Zirkonium und Tantal und sind für ihre hohe Korrosionsbeständigkeit und extreme Temperaturbeständigkeit sowie ihre dielektrischen und supraleitenden Eigenschaften bekannt. Einige Ventilmetalle absorbieren keine Neutronen und werden daher häufig bei der Erzeugung emissionsfreier Kernenergie eingesetzt.
Wie bei den bekannteren Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium können die Eigenschaften von Ventilmetallen durch Oberflächenbeschichtungen verbessert werden.
Welche Vorteile bieten alternative Ventilmetalle?
Die Kernventilmetalle werden in vielen Industriezweigen weithin verwendet. Die meisten werden in einer Reihe von Stahl- und Leichtmetalllegierungen verwendet, um neben anderen Eigenschaften zusätzliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Und die gemeinsamen Hitze- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften bedeuten, dass die Metalle, ihre Legierungen und Oxide in einer Reihe von Labor- und Chemiegeräten verwendet werden.
Da Zirkoniumlegierungen keine Neutronen absorbieren und hitze- und korrosionsbeständig sind, werden sie häufig in Rohrleitungen, Brennstabummantelungen und Strukturkomponenten von Kernkraftwerken verwendet. Aufgrund seiner Hitzebeständigkeit findet man Zirkoniumlegierungen auch in Raumfahrzeugen, Düsentriebwerken und Gasturbinenteilen. Zirkone sind auch als Halbedelsteine bekannt, die Diamanten ähneln – Zirkonia ist zudem viel, viel billiger.
Niob wird auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. In dieser Form findet man es in Strukturmaterialien für den Bau, auf Offshore-Plattformen sowie in Öl- und Gaspipelines und -verteilern. Aufgrund seiner supraleitenden Eigenschaften wird Niob häufig in der Elektronik und in Magneten für medizinische Bildgebungsgeräte wie NMR- und MRT-Scanner verwendet, oft in Kombination mit Zirkonium.
Sein Oxid ermöglicht dünnere Brillengläser, indem es den Brechungsindex des Glases erhöht. Da es physiologisch inert und hypoallergen ist, enthalten Geräte wie Herzschrittmacher und andere medizinische Geräte Nioblegierungen. Oberflächenbeschichtungen können verwendet werden, um eine poröse Deckschicht zu erzeugen, die die Geschwindigkeit und den Erfolg der Osseointegration unterstützt.
Die dielektrische Oxidschicht, die sich auf seiner Oberfläche bildet, und seine Fähigkeit, andere Komponenten dünn damit zu beschichten, machen Tantal zu einem hochwirksamen Kondensator mit kleinem Volumen. In dieser Form wird es in Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten verwendet. Und da es die gleichen Verstärkungseigenschaften wie andere Ventilmetalle hat, wurde es häufig in Concorde-Flugzeugnasen, Raketendüsen und Turbinenschaufeln verwendet. Tantal wird auch in chirurgischen Implantaten verwendet, da es ungiftig ist und bei Säugetieren keine Immunreaktion hervorruft.
Oberflächentechnologien für Ventilmetalle
Trotz ihrer allgemein beeindruckenden Leistungsmerkmale weisen Ventilmetalle auch einige Schwächen auf. Beispielsweise reagieren Zirkoniumlegierungen bei hohen Temperaturen über 900 Grad Celsius mit Wasser, wobei Wasserstoffgas entsteht und die Ummantelung von Kernbrennstäben beschädigt wird.
Dank seiner einzigartigen Eigenschaften eignet sich Niob für viele anspruchsvolle Anwendungen. Bei Temperaturen über 400 Grad Celsius oxidiert es jedoch und wird spröde. Tantal ist sehr inert und daher gegenüber den meisten Säuren und Basen beständig. Es kann jedoch durch erhitzte Basen, heiße Schwefelsäure und Flusssäure korrodiert werden.
Diese chemischen und mechanischen Mängel von Ventilmetallen können auf die gleiche Weise behoben werden, wie die gängigeren Leichtmetalle verbessert werden. Oberflächenbeschichtungen können vor bestimmten korrosiven Substanzen schützen, zusätzlichen Hitzeschutz bieten und mit Additiven versehen werden, die weitere Leistungsverbesserungen bewirken.
Ein Ansatz besteht darin, eine fortschrittliche Oberflächenbeschichtungstechnologie wie die Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) anzuwenden. Dabei werden ein Elektrolytbad und Plasma verwendet, um sowohl auf den bekannteren Leichtmetallen als auch auf Ventilmetallen eine keramikartige Beschichtung zu bilden. Die aus PEO gewonnene Beschichtung hat viele vorteilhafte Eigenschaften, die das ursprüngliche Metall und die Metalllegierung sowie deren einfache Oxidbeschichtungen nicht haben. Die Forscher bei Jewellok verfügen über umfangreiche Erfahrung bei der Entwicklung einzigartiger Beschichtungen, die die Leistung aller Ventilmetalle deutlich verbessern.