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Neue Materiallösungen für eine signifikant erhöhte Lebensdauer im Prozess

Überragende Korrosionsbeständigkeit

von Dr. Sören Eriksen

Die Nachfrage nach korrosionsbeständigen Materialien für das eigene „Process Equipment“ seitens der Chemischen, Pharmazeutischen und auch der Lebensmittelindustrie steigt stetig, weil Ingenieure die vorhandenen Prozesse immer weiter optimieren, um eine effektivere Produktion zu erzielen.

Aber auch, weil viel anspruchsvollere Produktionsprozesse der nächsten Generation zugänglich werden. Diese innovativen ­Prozesse überfordern die althergebrachte Verwendung klassischer Materialien sowie Speziallegierungen und erfordern die ­Einführung neuer Materiallösungen.

Die patentierte Tantaline^®-Technologie, die ursprünglich aus einem F&E-Projekt von Danfoss hervorging, ist ein einzigartiger Gasphasenprozess, der die überragende Korrosionsbeständigkeit des Metalls Tantal nutzt. In einem auf über 700°C erhitzen ­Vakuumofen wird Tantal chemisch abgeschieden. Die Tantalatome verbinden sich mit dem Trägermaterial des Basisbauteiles – normalerweise Edelstahl – und erzeugen so eine Oberflächenlegierung. Die Gas-Tantal-Atmosphäre im Ofen bildet eine nicht trennbare Oberfläche aus reinem Tantal auf dem Trägermaterial. Daraus ­resultiert eine Tantaloberfläche von ~50µm auf der Diffusionsschicht.

Verbesserte mechanische Beständigkeit

Das mit Tantal legierte Bauteil behält seine ursprünglichen mechanischen Eigenschaften und erhält zusätzlich dieselben chemischen Eigenschaften und die hervor­ragende Korrosionsbeständigkeit von reinem Tantalvollmaterial. Dabei unterscheidet sich die Technologie von anderen Methoden wie z.B. „Cladding“ dadurch, dass die detaillierte Größe und Form des Originalteils aufgrund der dünnen Schichtstärke von 50µm bewahrt werden. Dessen mechanische Beständigkeit wird – im Vergleich zu traditionellen Methoden – wegen des Hochtemperaturprozesses ebenfalls verbessert. Die Legierung ermöglicht eine breite „Produktpalette“, insbesondere auch von geometrisch komplexen Designs, basierend auf OEM-Standardprodukten aus Edelstahl, die häufig – und im Gegensatz zu Sonderwerkstoffen – lagerhaltend oder zumindest kurzfristig verfügbar sind. Diese Bauteile werden zunächst auseinandergebaut, ihre von sauren Medien berührten Komponenten werden mit Tantal behandelt und auf Korrosionsbeständigkeit getestet, bevor sie nach dem Zusammenbau der Endkontrolle sowie einer Druckprüfung unterzogen werden.

Traditionelle industrielle Anwendungen

Einige der wichtigsten Applikationen liegen im Segment der Ventile und zwar im ganzen Bereich von Nadelventilen für ­Laborautoklaven bis zu 10”-Flanschventilen für chemische Produktionsanlagen. Die erste Kugelventilapplikation war eine Pilotanlage von General Atomic/USA für die thermische Spaltung von Wasserstoff aus Wasser. In einem späteren Projekt bei KIER (Korean Institute for Energy Research) wurden die ursprünglich verwendeten ­Autoklaven aus Tantalvollmaterial, die zu intensiver Wasserstoffversprödung neigten – dies machte sich durch Korrosions­angriffe an den Schweißnähten bemerkbar – erfolgreich durch tantalinebehandelte Autoklaven ersetzt, die noch heute im Einsatz sind. Der führende dänische Hersteller von Pflanzenschutzmitteln verwendet seit Langem dort solche Technologiekomponenten für seine Produktionslinien, wo konzentrierte heiße Salzsäure Bestandteil des Produktionsprozesses ist. Die Applikation ist ein Schutzrohr, das für die Über­wachung einer Pumpe benutzt wird. ­Dieses dünnwandige Bauteil, ursprünglich aus Hastelloy-C-Vollmaterial gefertigt, hatte eine Lebensdauer von nur einigen Monaten. Ein mit Tantal legiertes Schutzrohr überdauerte im Nachhinein sogar die ­Lebenszeit der Pumpe. Seitdem sind in ­diesem Unternehmen noch weitere Applikationen mit signifikant verlängerter Lebensdauer hinzugekommen.

Innovative Anwendungen

Außer Kugelventilen sind auch Kegel-, ­Nadel-, Schmetterlings-, Rückschlag-, Sicherheitsventile und Plattenschieber mit Tantallegierung erhältlich. Weitere Beständigkeitstests für Tantaline-Kugelventile, die von FlowServe (Cookesville, TX) durchgeführt wurden, haben die überragende Beständigkeit auch nach 10.000 Trockenzyklen bewiesen. Desweiteren gibt es innovative Applikationen wie vollverschweißte Tanta­line-Plattenwärmetäuscher, eine kompakte Lösung mit Platzersparnis und attraktivem Kostenvorteil im Vergleich zu traditionellen Rohrbündelwärmetauschern aus Sonderwerkstoffen; Pumpen, Impeller und andere rotierende Bauteile; Instrumentierung, z.B. Manometer, Trennmembranen, Thermowells, Durchflussmesser; Komponenten für komplette Labor- und Pilotreaktorsysteme: Auto­klaven, Rührer, Ventile, Sicherheits­überdruckventile, Instrumentierung, Kondensatoren, Wärmespiralen und Kühlschlangen oder Klemmverschraubungen (meistens Swagelok^®) etc. Kunden sind z.B. Korrosionstestlabore sowie Prozess­entwicklungsabteilungen in der chemischen Industrie und auch diverse Bundesanstalten.

Neueste Entwicklung ist ein Härteverfahren für den äußersten Bereich der Tantalschicht. Eine Härte bis zu 1500HV (Mikrohärte auf der Oberfläche gemessen) kann erreicht werden; bei gleichzeitiger Bewahrung von erheblicher Dehnbarkeit und Haltbarkeit wie das Ergebnis der „scratch-tests“ – bei denen die Bauteile wesentlicher Deformierung ausgesetzt wurden – eindeutig beweist.