Saar-Uni forscht zu Metallerz Niob

Niob ist ein weltweit stark nachgefragter Rohstoff, vor allem in der Stahlindustrie. Das Metallerz wird vor allem in Brasilien und Kanada aus Vulkangestein gewonnen. Der Weltmarktführer für diesen Rohstoff, die brasilianische Firma CBMM, wird jetzt in einer ersten Phase einen Forscher in der Materialwissenschaft an der Universität des Saarlandes und dem Steinbeis-Forschungszentrum für Werkstofftechnik (MECS) finanzieren. Mit Hilfe der Atomsonden-Tomographie wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie sich die Niobatome in die Nanostruktur des Stahls einfügen und seine Materialeigenschaften verändern.

Niob wird bei der Stahlproduktion in vergleichsweise kleinen Mengen hinzugefügt. „Nur etwa jedes 10.000ste Atom im Stahl besteht aus Niob. Umso erstaunlicher ist die große Wirkung dieser geringen Konzentrationen. Sie machen den Stahl vor allem zäher, so dass er dehnbarer wird, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Niob verhindert aber auch, dass Stahl bei Minusgraden spröde wird und plötzlich zerbricht wie Porzellan“, erklärt Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes. Dies spielt vor allem bei Öl- und Gas-Pipelines eine Rolle, die bei arktischen Temperaturen verlegt werden. In der Automobilindustrie setzt man auf Niobzugaben im Stahl, da nur so die Stahlkonstruktion in der Karosserie ausreichend Energie absorbieren kann und bei einem Unfall die Fahrgastzelle schützt. „Niob wird aber unter anderem auch in Supraleitern eingesetzt, weil Verbindungen aus Niob bei tiefen Temperaturen den Strom verlustfrei leiten können“, erläutert Frank Mücklich, der in Saarbrücken auch das Steinbeis-Forschungszentrum für Werkstofftechnik (MECS) leitet.

Bis zum einzelnen Atom

Sein Forschungsteam hat sich auf die räumliche Analyse der inneren Struktur von Materialien auf verschiedenen Skalen spezialisiert und setzt dafür verschiedene dreidimensionale Verfahren ein. Diese konnten die Wissenschaftler in den vergangenen Jahren verfeinern und eng aufeinander abstimmen. „Wir setzen dafür hochauflösende Elektronenmikroskope sowie die Nano-Tomographie und Atomsonden-Tomographie ein. Die dabei erfassten einzelnen 3D-Informationen und 2D-Bildserien werden anschließend im Computer wieder zum exakten räumlichen Abbild zusammengefügt – auch bis hin zum einzelnen Atom“, erläutert Professor Mücklich.

Mit den 3D-Analysetechniken können die Forscher nun alle Veränderungen der inneren Struktur von Stahl auch quantitativ darstellen und darüber herausfinden, welcher Mechanismus eine gewünschte Eigenschaft steuert. „Wir wollen die innere Struktur des Stahls genau verstehen und wissen, wie sich die Niob-Atome im Laufe des Produktionsprozesses in das innere Gefüge einpassen. Erst dadurch können wir die innere Struktur des Stahls für eine bestimmte Anwendung passend designen. Dann wüssten wir zum Beispiel, wie wir Niob am effektivsten einsetzen können, um überlegene Materialeigenschaften zu erzielen und wie wir durch den gezielten Einsatz von Niob andere teure Legierungselemente oder kostspielige Prozessschritte reduzieren können“, erläutert der Professor für Funktionswerkstoffe.

Quelle: Universität des Saarlandes  Bildtext: Das Labor für Atomsonden-Tomographie an der Saar-Uni. (Foto: Universität des Saarlandes/Oliver Dietze)