Het Metaal Hafnium

[Innomet Ko Buijs]

Er zullen vele mensen zijn die nog nooit van hafnium hebben gehoord maar toch is dit een metaal dat belangrijke toepassingen heeft. Hafnium is een glanzend grijsachtig metaal dat vooral wordt gebruikt in de luchtvaart, nucleaire installaties en consumentenelektronica. Hafnium beschikt over een uitstekende corrosiebestendigheid en goede mechanische eigenschappen. Daarnaast is het goed te bewerken. Deze eigenschappen gekoppeld aan de hoge neutronenabsorptie en goede elektrische eigenschappen maakt het geheel tot een veelzijdig materiaal. Hafnium is een zustermetaal van zirkoon en het wordt als erts gelijktijdig gewonnen met de winning van zirkoonerts. De chemische afkorting van hafnium is Hf.
 
De corrosiebestendigheid van hafnium en zirkoon is nagenoeg identiek aan elkaar. Het soortelijk gewicht van hafnium is echter ongeveer twee keer zo hoog als dat van zirkoon. Ook is het opmerkelijk dat zirkoon een lage neutronenabsorptie heeft en hafnium juist een hoge. Daarom wordt hafnium in nucleaire installaties toegepast als neutronenvanger en dat vooral in onderzeeërs. Ook is hafnium dankzij deze eigenschap bijzonder geschikt als staafmateriaal t.b.v kernsplijting.
 
De bereiding van hafnium
Erts van zirkoon en hafnium wordt gemend met cokes en daarna behandeld met chloorgas. Daardoor ontstaat er een mengsel van zirkoon- en hafniumtetrachloride. Uiteindelijk ontstaat zirkoon- en hafniumoxide. Deze oxides worden opnieuw in contact gebracht met chloor waardoor en zuiver zirkoon- of hafniumtetrachloride ontstaat. Na het ontdoen van metallische onzuiverheden wordt het geheel verdampt in een dichte destilleerkolom en in contact gebracht met puur magnesium. Zo ontstaat sponsachtig hafnium en magnesiumchloride. Met vacuümdestillatie worden de restanten magnesiumchloride verwijderd waardoor men hafnium sponsmetaal overhoudt. Na aansluitend raffinage kan men dit spons tot blokken persen die in een vacuümomgeving gesmolten worden tot gietelingen. Deze kunnen weer tot allerlei productvormen gewalst en gesmeed worden. Voorbeelden zijn folie, plaat, strip, staf, draad, naadloze buizen en ook extrusieproducten. M.a.w. het bereiden van dergelijke metalen kost zeer veel energie.
 
Eigenschappen
Hafnium heeft onder 1760ºC een hexagonaal kristalrooster en dat betekent weinig glijvlakken. Boven deze temperatuur is dit rooster kubisch vlakken gecentreerd. Producten zijn anisotroop en dat wil zeggen dat de eigenschappen variëren in afhankelijkheid van de walsrichting. Hafnium kan vrij gemakkelijk in koude toestand mechanisch bewerkt worden. Men kan het metaal koudvervormen tot een deformatiegraad van 35% voordat het gegloeid moet worden. Het gloeien van hafnium gebeurt in een vacuüm omgeving omdat hafnium vrij snel reageert met allerlei gassen.
 
Corrosiebestendigheid
Hafnium is qua corrosiebestendigheid superieur t.o.v. vele andere hoogwaardige metalen zoals zirkoon en zirkoonlegeringen. Bij hogere temperaturen dient men op te passen dat hafnium niet gaat reageren met omgevingsgassen. Vanaf 400ºC begint hafnium langzaam te reageren met zuurstof waardoor hafniumoxide ontstaat. Met waterstof gaat het vanaf 700ºC hafniumhydride te vormen en vanaf 900ºC vormt het met stikstof hafniumnitride. Deze verbindingen zijn terug te vinden op het oppervlak m.u.v. waterstof omdat dit element vanwege diffusie zich door het gehele metaal hafniumhydride gaat vormen. Deze verbindingen ondermijnen vooral de duktiliteit.
 
Hafnium dankt zijn extreem goede corrosiebestendigheid aan een zeer goed sluitende oxidehuid die de meeste reagentia probleemloos kan weerstaan. Het is echter niet bestand tegen waterstoffluoridezuur en geconcentreerd zwavelzuur maar dat geldt feitelijk voor alle reactieve metalen. In de meeste alkalische milieus is hafnium probleemloos toe te passen.
 
Toepassingen
Hafnium is zeer geschikt om buizen en systemen te vervaardigen t.b.v. nucleaire toepassingen. In halogeenverlichting wordt hafnium nog wel eens toegepast als gloeidraad. Ook wordt steeds meer wolfraamlastoortsen vervangen door hafnium vanwege een betere standtijd. Hoewel het puur wordt gebruikt, treft men hafnium toch het meeste aan als legeringselement in zirkoon- en titaanlegeringen maar soms ook wel in niobium- en ijzerlegeringen. Een voorbeeld is een hafniumniobium legering die een uitzonderlijke hittebestendigheid geniet waardoor het gebruikt kan worden in stationaire en vliegende turbines en andere componenten uit de luchtvaartindustrie. Het meeste hafnium wordt gebruikt in superlegeringen op nikkelbasis die vooral in gasturbines worden gebruikt.
 
Bewerken
Het bewerken van hafnium is het beste te vergelijken met het bewerken van zirkoon. Wel dient men er rekening mee te houden dat het materiaal snel de neiging heeft om te vreten en men ervaart een verharding door het mechanisch bewerken. Dit kan men voor een groot deel voorkomen door scherpe snijgereedschappen te gebruiken met geringe snijsnelheden en een grote voeding. De snijgereedschappen dienen van snelstaal of van carbiden te zijn. Indien er fijne spanen ontstaan dan dient men op te passen voor zelfontbranding waardoor er een overvoed aan koelvloeistof moet worden gebruikt. Ook dient men dergelijke residuen onder water op te slaan.
Hafnium is overigens met de juiste bewerkingsparameters goed te draaien, te frezen en te boren.
 
Het lassen
Hafnium is op zich prima te lassen en veelal beter dan diverse staalkwaliteiten. De lagere uitzettingscoëfficiënt is daarbij een extra plezierige bijkomstigheid omdat door de ingebrachte hitte het materiaal nauwelijks trekt of vervormt. Dankzij de relatief lage elasticiteitsmodulus blijven er ook haast geen spanningen na het lassen achter in het materiaal. Ook heeft men feitelijk geen last van warm- of koudscheuren mits er geen verontreinigen tijdens het lassen in het smeltbad worden opgenomen.
 
Hafnium kan gelast worden met lasapparatuur waarmee men andere reactieve metalen zoals titaan, zirkoon en niobium last. Dit kan met zowel met het TIG als MIG lasproces als met plasma- en laserlassen. Ook heeft men goede resultaten bereikt met weerstand- en elektronenstraallassen. Belangrijke zaken zijn het zeer schoon en vetvrij werken en het gebruik van hoog zuivere schutgassen. Daarom dienen de te lassen hafnium delen eerst goed ontvet te worden met alcohol of aceton. Direct daarna moet men het lasproces opstarten. Nog beter is om de laszones voor het ontvetten eerst even te borstelen met roestvast staal wol. Men dient er dan wel op te letten dat er geen metaaldeeltjes achterblijven. Schutgassen die geschikt zijn betreffen argon of helium. Lassen kan zowel geschieden met gelijk- of wisselstroom.
 
Dank is verschuldigd aan Teledyne Wah Chang Albany die voor relevante informatie heeft gezorgd.