Het metaal tantaal
Het metaal tantaal (Ta) is ontdekt door de Zweed Ekeberg in 1802. Deze naam is afgeleid van het Griekse Tantalos en in de Griekse mythologie is dat de vader van Niobe. Men heeft overigens in het begin van de ontdekking nog een tijd gedacht dat niobium en tantaal dezelfde metalen waren. Tantaal is een witgrijs metaal en het wordt door elektrolyse vrijgemaakt uit het tantaliet- en columbieterts. Er worden steeds meer tantaallegeringen op de markt gebracht en het wordt ook als legeringelement gebruikt in bepaalde staalkwaliteiten en nikkelsuperlegeringen. Tantaal is vooral populair als legeringelement in allerlei metaallegeringen t.b.v. turbinebladen voor zowel stationaire als vliegende turbines (vliegtuigmotoren).
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Tantaal behoort net als titaan en zirkoon tot de reactieve metalen en is qua eigenschappen ook nog redelijk goed te vergelijken met metalen zoals molybdeen en wolfraam. Het atoomnummer van tantaal is 63 en de uitzonderlijk resistente oxidehuid aan het oppervlak bestaat meestal uit Ta2O5 dat ook wel tantaalpentoxide wordt genoemd. Deze oxidehuid is uiterst moeilijk oplosbaar in chemische reagentia en dat verklaart dan tevens de uitzonderlijk goede corrosiebestendigheid van tantaal. Deze corrosiebestendigheid is zo extreem goed dat het ook wel vergeleken wordt met die van glas. Bij kamertemperatuur is tantaal bestand tegen vrijwel alle chemische zuren met uitzondering van fluorwaterstof en rokend zwavelzuur. De bestendigheid tegen sterke hete alkalische oplossingen is echter geringer. In tegenstelling tot andere metalen is tantaal nauwelijks gevoelig voor putcorrosie. Tantaal is een duur metaal met een relatief zeer hoog soortelijk gewicht en is redelijk goed verkrijgbaar in allerlei productvormen. Het zal duidelijk zijn dat plaatmateriaal vanwege de hoge prijs meestal slechts in geringe wanddiktes geleverd wordt.
Metallurgische eigenschappen
Tantaal is een hoogwaardig metaal (symbool Ta) en het heeft een soortelijke massa van 16,6 grfcm3 en een smeltpunt van 2996°C. Tantaal is een moeilijk smeltbaar materiaal met een aantal unieke eigenschappen die het bruikbaar maken voor een aantal uiteenlopende commerciële toepassingen. Tantaal is zelfs bij hogere temperaturen extreem corrosiebestendig in zure milieus. Deze eigenschap heeft ervoor gezorgd dat het een steeds bekender metaal is geworden. Daarnaast bezit tantaal goede mechanische eigenschappen en heeft het een goed thermisch geleidingsvermogen en is het onder bepaalde voorwaarden goed lasbaar. Het is bovendien taai waardoor het verwerkt kan worden tot heel dunne draad en folie. Al die eigenschappen hebben ervoor gezorgd dat tantaal op veel uiteenlopende plaatsen gebruikt wordt in de apparatenbouw, de procesindustrie en de elektronica-industrie. De mechanische eigenschappen van tantaal plaat en staf zijn weergegeven in tabel 1 en 2. De mechanische waarden blijven tot 200°C goed op peil. De mechanische eigenschappen en ook de corrosiebestendigheid zullen sterk gaan afwijken bij toenemende verontreinigingen. In de chemie wordt dan ook meestal tantaal gebruikt met een zuiverheid van 99,9% en zoals uit de mechanische waarden blijkt, is dit metaal uitzonderlijk goed vervormbaar en zelfs beter dan zuiver koper. Vooral de hoge en gelijkmatige rek is daar verantwoordelijk voor. De structuur van tantaal is kubisch ruimtelijk gecentreerd opgebouwd.
Tabel 1 Mechanische eigenschappen van tantaal en tantaallegeringen bij kamertemperatuur.
Tabel2 Mechanische eigenschappen voor tantaal plaat, in de gegloeide conditie (90% van de structuur is gerekristalliseerd).
De afbeeldingen 1, 2 en 3 geven de mechanische waarden weer van tantaal en tantaallegeringen als functie van de temperatuur. Het gaat bij deze grafieken om respectievelijk de treksterkte, de rekgrens en de rek.
Afbeelding 1 Treksterkte van tantaal en tantaallegeringen als functie van de temperatuur.
Afbeelding 2 Rekgrens van tantaal en tantaallegeringen als functie van de temperatuur.
Afbeelding 3 Rek van tantaal en tantaallegeringen als functie van de temperatuur.
Tantaal heeft een hoge reactiviteit ten opzichte van zuivere zuurstof, stikstof en waterstof bij verhoogde temperatuur. De reactiviteit t.o.v. van zuurstof is echter het hoogst en bij kamertemperatuur is dat de garantie dat het metaal zo uiterst passief is. Bij 200°C gaat deze oxidatie verder waardoor het metaal een gelige kleur krijgt. Boven 400°C neemt de diffusie van zuurstof aan het metaaloppervlak snel toe waarbij de kleur van het oppervlak blauw wordt, daarna violet en uiteindelijk grijs/wit. Deze kleurverschillen hebben te maken met de lichtinval op de aanvankelijk transparante oxidehuid die door de brekingindex een bepaalde kleur genereert. Bij 550°C zal binnen een uur een witte poreuze oxidehuid worden gevormd waar'door verder zuurstof in het metaal wordt opgenomen. Dit resulteert in een verbrossing en een toename van de hardheid. Dankzij een gunstige elasticiteitsmodulus wordt een goede stijfheid van een constructie bewerkstelligd. Doordat het metaal geen last heeft van sealing en ook niet van een neerslag van corrosieproducten zal dit ten goede komen aan de uitwisseling van warmte. Bovendien is de thermische geleidbaarheid van tantaal ruim twee keer zo groot als die van titaan en wel drie keer zo groot als die van zirkoon en roestvast staal. De mate van warmteoverdracht verandert niet omdat de oxidehuid na verloop van tijd niet dikker wordt.
Tabel 3 en tabel 4 geven respectievelijk de thermische en elektrische eigenschappen weer van tantaal en tantaallegeringen.
Tabel 3 Thermische eigenschappen van tantaal en van de tantaallegering Ta10W.
Tabel4 Elektrische eigenschappen van tantaal en Ta10W.
De normering
Producten van tantaal zijn genormeerd volgens ASTM normen zoals in onderstaande tabel 5 is omschreven.
Tabel5 ASTM normen van tantaal.
Tabel6 ASTM 8364, 8365, 8521, 8708: Chemische samenstelling van tantaal en gietelingen van tantaallegeringen (in gewichtsprocenten).
