Verunreinigungen mit Kohlenstoff vermeiden

Vollmetallische Öfen mit Heizelementen aus Wolfram ermöglichen hohe Produktqualität bei 2800 °C

Hochtemperaturöfen müssen Temperaturen unbeschadet aushalten, bei denen die Werkstoffe, wie beispielsweise Titan, schmelzen. Bei diesen Öfen – meist aus Graphit – kommt es nicht selten zu Verunreinigungen mit reaktivem Kohlenstoff, was zu einer Schädigung der hergestellten Produkte führen kann.

Mit einem Schmelzpunkt bei 3400 °C lassen sich mit Wolfram im Hochtemperaturofen bis zu 2800 °C erreichen, wobei das Material formstabil, korrosionsbeständig, kriechfest und langlebig ist. Foto: Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH

Hochtemperaturöfen sind aus der Industrie nicht wegzudenken, um verschiedene Materialien zu schmelzen. „Einige dieser Materialien, wie Titan, besitzen einen Schmelzpunkt von 1668 °C“, erklärt Dipl.-Ing. Wolfgang Jung, zuständiger Metallexperte für Forschung und Entwicklung bei der Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH. „Das stellt eine große Herausforderung für vollmetallische Öfen und Heizelemente dar, die diese hohen Temperaturen regelmäßig und unbeschadet überstehen müssen.“

Wahl der Heizelemente abhängig von Bedingungen im Ofen

Die Wahl der Werkstoffe, die als Heizelemente genutzt werden, wird daher entscheidend vom Temperaturbereich und der Atmosphäre beeinflusst, in der diese eingesetzt werden können. Wird Wolfram beispielsweise in oxidierender Atmosphäre eingesetzt, so kommt es zur Bildung von Wolframoxid und in der Folge zur Zersetzung des Heizelementes. Aus diesem Grund ist das Schweißen mit Wolfram nur in Schutzgasatmosphäre beziehungsweise in reduzierender Atmosphäre möglich, da sich der Werkstoff ansonsten zersetzt.

In einer Wasserstoffatmosphäre werden gerade im Hochtemperaturbereich Heizelemente aus Wolfram im Bereich zwischen 1600 und 2000 °C eingesetzt, da dessen Schmelzpunkt bei 3400 °C liegt. Durch seinen niedrigen Dampfdruck und der damit verbundenen Eigenschaft, auch bei hohen Temperaturen fast nicht zu verdampfen, können Öfen – auch im Hochvakuum – mit Wolfram zwischen 2600 und 2800 °C erreichen. „Das Material ist formstabil, korrosionsbeständig, kriechfest und langlebig. Durch seine hohe Oberflächenbelastbarkeit ergibt sich je nach Prozess, Anwendung und Handling eine bis zu fünfmal höhere Standzeit als bei anderen Materialien“, so Jung. Allerdings lässt es sich nur schwer verarbeiten.

Hohe Korrosionsbeständigkeit und Formstabilität bei Wolfram und Molybdän

Eine Alternative kann Molybdän sein, ein weiteres für Hochtemperaturöfen geeignetes Material, welches vor allem in der Glasindustrie eingesetzt wird, da es beim Schmelzen nicht abfärbt. Seine Eigenschaften unterscheiden sich nur unwesentlich von denen des Werkstoffes Wolfram. Das hochfeste, zähe und harte Metall besitzt einen silbrig weißen Glanz. Molybdän ist ebenfalls formstabil, korrosionsbeständig sowie langlebig und kommt wie Wolfram in reduzierender Atmosphäre im Hochtemperaturbereich als Heizelement zum Einsatz. Allerdings ist Molybdän viel duktiler als Wolfram und daher mit weniger Aufwand zu fügen und zu formen. Zu beachten ist allerdings, dass Molybdän mit einem Schmelzpunkt bei 2600 °C einen entscheidend niedrigeren Schmelzpunkt als Wolfram besitzt. Dementsprechend wird Molybdän eher für Arbeiten genutzt, bei denen sein Schmelzpunkt ausreicht, um damit den Vorteil der erleichterten Bearbeitung zu sichern. Bereits ab einer Temperatur von 2000 °C werden Heizelemente aus Molybdän aufgrund ihres Kriechverhaltens instabil, weswegen sich in diesen Fällen der Einsatz von Wolfram empfiehlt.

Gleichzeitig sollte der Werkstoff fast keine Verunreinigungen verursachen, die die Produktqualität gefährden können. Dabei gilt zu beachten, dass sich Gase, Ofenbaustoffe und Heizelemente gegenseitig beeinflussen. So können verdampfende Elemente aus den Ofenbaustoffen die Korrosion und Zersetzung der Heizelemente beschleunigen. Durch den Einsatz von Wolfram hingegen entstehen weder Sauerstoff noch Feuchtigkeit oder Kohlenstoff, sodass eine hohe Produktqualität ohne Verunreinigungen gewährleistet wird. Das Material kommt bevorzugt im Vollmetall-Ofenbau bei Heizwerkstoffen, Heizseilen und Glühschiffchen zum Einsatz. Verbrauchte Heizelemente werden darüber hinaus durch die Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH zurückgenommen und der Materialrestwert wird vergütet. Die Elemente werden geschreddert, danach über ein chemisches Extraktionsverfahren zu Ammoniumparawolframat (APW) verarbeitet und anschließend über ein Reduktionsverfahren zu Wolframpulver aufbereitet, sodass das Wolfram bei der Herstellung anderer Produkte, zum Beispiel bei Abschirmvorrichtungen für die Medizintechnik, wiederverwertet werden kann.

Zusatz seltener Erden verbessert Eigenschaften der Heizelemente

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften der Wolfram- sowie Molybdänheizelemente durch non-sag-Dotierungen und den Zusatz seltener Erden an individuelle Bedürfnisse anzupassen. „Mit Seltenerdmetallen kann beispielsweise die Temperaturstabilität weiter erhöht werden, indem eine Rekristallisation der Mikrostruktur erst bei höheren Temperaturen auftritt. Dadurch wird eine Versprödung des Werkstoffes aufgeschoben“, erläutert Jung. „Des Weiteren führt der Einsatz von Seltenen Erden zu einer Minimierung von Korngrenzengleiten, was die Kriechbeständigkeit des Produkts deutlich erhöht.“ Die Gesellschaft für Wolfram Industrie bietet sowohl Sonderformen als auch Ganzmetall- und Hybrid-Ausführungen an, wobei sich alle Produkte durch höchste Reinheit auszeichnen.

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