Chrom

Chrom ist ein leicht bläuliches, silberweißes Metall. Der Name Chrom stammt vom griechischen Wort Chroma und bedeutet Farbe. Chrom ist mit seiner sehr hohen Korrosionsbeständigkeit gegen zahlreiche Säuren und Basen sowie Heißgase ein beliebter Werkstoff für Schutzschichten aller Art. In Verbrennungsmaschinen kommt unser Chrom als Verschleißschutzschicht zum Einsatz, um die Lebensdauer gezielt zu erhöhen. Als Komponente in Hochtemperatur-Brennstoffzellen macht unser Chrom ebenfalls eine glänzende Figur. Neben dieser Anwendung ist unser Chrom ebenso als dekorative Glanzschicht für Armaturen oder Schmuck im Einsatz.

Sputtertarget für Hartstoffschichten
Sputtertarget für die Herstellung von Hartstoffschichten
Interkonnektoren für SOFC
Interkonnektoren für SOFC
Ordnungszahl24
CAS-Nummer7440-47-3
Atommasse51,996
Schmelzpunkt1 900 °C
Siedepunkt2 672 °C
Atomvolumen0,012 [nm3]
Dichte bei 20 °C7,15 [g/cm3]
Kristallstrukturkubisch-raumzentriert
Gitterkonstante0,28847 [nm]
Häufigkeit in der Erdkruste200,0 [g/t]
Einsatzgebiete
Einsatzgebiete
Chrom-Legierungen
Legierungen
Eigenschaften
Eigenschaften
Vorkommen und Aufbereitung
Vorkommen
Pulvermetallurgie
Pulver-
metallurgie

Garantiert rein

Auf unsere Qualität können Sie sich verlassen. Wir produzieren unsere Chromprodukte vom Metallpulver bis zum fertigen Produkt selbst. Als Ausgangsmaterial verwenden wir nur reinstes Chrompulver. So garantieren wir Ihnen eine sehr hohe Materialreinheit.

Für unser Chrom (HP) garantieren wir eine Reinheit von 99,8 %. Der restliche Anteil setzt sich laut einer chemischen Analyse aus folgenden Elementen zusammen:

ElementGarantierter max. Wert [μg/g]
Fe1 500
Mo50
W50
Si500
O1 000
N200
C300
Rest300

Für unser Chrom (UHP) garantieren wir eine Reinheit von 99,95 %. Der restliche Anteil setzt sich laut einer chemischen Analyse aus folgenden Elementen zusammen:

ElementGarantierter max. Wert [μg/g]
Fe300
Si100
W50
Mo50
C100
O300
N200

Bester Verschleißschutz. Schöne Optik.

So einzigartig seine Eigenschaften, so speziell sind die industriellen Anwendungen unseres Chroms, wie zum Beispiel als Beschichtungsmaterial für diverse Anwendungen:

Als Chromnitrid-Hartstoffschicht auf beweglichen Bauteilen schützt der Werkstoff zuverlässig vor Verschleiß und Abrieb. Außerdem bringt Chrom Uhren und Armaturen jeglicher Art zum Glänzen und Strahlen. Zugleich schützt Chrom sicher gegen Korrosion.

Reines Chrom oder lieber eine Legierung?

Wir bereiten unser Chrom auf jeden Einsatz optimal vor. Folgende Eigenschaften definieren wir durch verschiedene Legierungszusätze:

  • Physikalische Eigenschaften (z. B. Schmelzpunkt, Dampfdruck, Dichte, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, Wärmekapazität)
  • Mechanische Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Bruchverhalten, Duktilität)
  • Chemische Eigenschaften (z. B. Korrosionsbeständigkeit, Ätzverhalten)
  • Bearbeitbarkeit (z. B. spanabhebende Bearbeitung, Verformungsverhalten, Schweißeignung)
  • Gefüge und Rekristallisationsverhalten (z. B. Rekristallisationstemperatur, Versprödungsneigung, Alterungseffekte, Korngröße)

Doch damit nicht genug: Auch durch maßgeschneiderte Herstellprozesse können wir die Eigenschaften von Chrom und Chromlegierungen in weiten Bereichen variieren.

Werkstoffbezeichnung Chemische Zusammensetzung
(Gewichtsprozent)
Cr (High Purity) > 99,8 %
Cr (Ultra High Purity) > 99,95 %
CFY < 95 % Cr
5 % Fe
Yttrium
ITM < 74 % Fe
26 % Cr
(Mo, Ti, Y2O3)

CFY (Chrom-Eisen-Yttrium)

CFY ist eine chrombasierte Legierung mit 5 % Eisengehalt. Das Material kommt vor allem als Interkonnektor in Brennstoffzellen zum Einsatz. Der Ausdehnungskoeffizient von CFY ist exakt an jenen des Elektrolyten in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle angepasst. Nachstehende Tabelle zeigt den Verlauf des Ausdehnungskoeffizienten unserer CFY-Legierung.

Temperatur [°C] 300 400 500 600 700 800 900
Linearer Ausdehnungskoeffizient [10-6 / K] 8,88 9,19 9,5 9,8 10,1 10,5 10,8

Bei Einsatztemperaturen von bis zu 850 °C ist die Korrosionsbeständigkeit des eingesetzten Materials ein entscheidender Faktor. Der Interkonnektor aus CFY muss vor allem Luftsauerstoff und einer hohen Wasserstoffkonzentration standhalten.

Auch die mechanischen Belastungen sind bei hohen Einsatztemperaturen enorm. Unsere CFY-Legierung zeigt eine gute Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit. So bleibt unser Material dauerhaft stabil und behält seine Form.

ITM (Intermediate-Temperature-Metal)

Unser ITM ist eine eisenbasierte Legierung mit 26 % Chromanteil und kleinsten Mengen Yttriumoxid. Diese Legierung kommt als Interkonnektor und als Träger der elektrochemisch aktiven Zelle in mobilen SOFC-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) zum Einsatz. Die Legierung ist in beiden Anwendungen dieselbe, doch ihre Eigenschaften unterscheiden sich je nach Einsatzgebiet grundlegend.

Als Interkonnektor wird die ITM-Legierung komplett gasdicht gesintert und anschließend zusätzlich gewalzt. Sie fungiert als Träger und Kontakt der Brennstoffzelle. Der Interkonnektor muss bei Temperaturen von bis zu 800 °C korrosionsbeständig und formstabil sein. Der Dotierungszusatz Yttriumoxid macht`s möglich.

Der ITM-Träger in elektrochemisch aktiven Zellen ersetzt den herkömmlichen Keramikträger in mobilen Brennstoffzellen. Für diese Anwendung sintern wir die ITM-Legierung besonders porös. Nur so erreichen wir eine optimale Gasdurchlässigkeit für den Betrieb der Brennstoffzelle. Der Träger aus ITM ist den Temperaturwechselbelastungen bei Start-Stopp-Zyklen besser gewachsen als Keramik. Zudem ist ITM bei Vibrationen und Bewegungen mechanisch stabiler als Keramik.

Auch ein Einsatz unserer ITM-Legierung als Komponente in Steam-Reformern für die Wasserstofferzeugung ist möglich. Der Bedarf an Wasserstoff und der Wunsch nach Unabhängigkeit von industriellen Herstellern steigen stetig. In Kleinanlagen zur eigenständigen Wasserstofferzeugung wird unsere ITM-Legierung als Rohrmembran eingesetzt. Dazu sintern wir ITM porös und ermöglichen so eine optimale Diffusion von Wasserstoff.

Wir beschichten die ITM-Rohrmembrane mit Palladium. Das Material ist wasserstoffdurchlässig, verhindert aber die Diffusion unerwünschter Gase.

Wasserstoffreinheiten von > 99,9 % sind ohne großen Aufwand möglich. Bei Betriebstemperaturen von über 500 °C muss die Stabmembran ihre Form behalten und darf nicht oxidieren. Unsere mit Yttriumoxid stabilisierte ITM-Legierung ist dafür der optimale Werkstoff.

Rundum gut. Werkstoffeigenschaften von Chrom.

Chrom zählt zu den hochschmelzenden Metallen (auch Refraktärmetalle genannt). Der Schmelzpunkt von 1 900 °C liegt über dem von Platin (1 772 °C), ist jedoch an der unteren Grenze der Refraktärmetalle. Generell haben Refraktärmetalle einen hohen Schmelzpunkt bei gleichzeitig niedrigem Dampfdruck. Nicht so bei Chrom. Das Metall hat einen sehr hohen Dampfdruck. Auch die Dichte von Chrom liegt nahe jener von Eisen und Niob und erreicht nicht die 10 g/cm3 der Dichte von Molybdän oder Wolfram. Auch der E-Modul von Chrom ist im Vergleich zu Molybdän und Wolfram am niedrigsten.

Chrom ist eines der beständigsten Refraktärmetalle. Es ist gegen viele Säuren und Basen resistent und hat ein ganz spezielles Eigenschaftenprofil:

Eigenschaften
Ordnungszahl 24
Atommasse 51,996
Schmelzpunkt 1 900 °C / 2 173 K
Siedepunkt 2 672 °C / 2 945 K
Atomvolumen 1,2 · 10-29 [m3]
Dampfdruck bei 1 800 °C
bei 2 200 °C
267 [Pa]
7161 [Pa]
Dichte bei 20 °C (293 K) 7,15 [g/cm3]
Kristallstruktur kubisch-raumzentriert
Gitterkonstante 2,8847 · 10-10 [m]
Härte bei 20 °C (293 K) 180 - 250 [HV10]
E-Modul bei 20 °C (293 K) 294 [GPa]
Poisson`sche Zahl 0,21
Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 20 °C (293 K) 6,2 · 10-6 [m/(m·K)]
Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C (293 K) 93,7 [W/(m·K)]
Spezifische Wärme bei 20 °C (293 K) 0,45 [J/(g·K)]
Elektrische Leitfähigkeit bei 20 °C (293 K) 7,9 · 106 [1/(Ω·m)]
Spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 °C (293 K) 0,127 [(Ω·mm2)/m]
Schallgeschwindigkeit bei 20 °C (293 K) Longitudinalwelle
Transversalwelle
6 850 [m/s]
3 980 [m/s]
Elektronenaustrittsarbeit 4,5 [eV]

Thermophysikalische Eigenschaften

Bei Refraktärmetallen ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient typischerweise niedrig und die Wärmeleitfähigkeit hoch. Chrom zeigt jedoch nicht das typische Verhalten von Molybdän oder Wolfram. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist relativ hoch. Ab einer Temperatur von 37 °C kommt es zur Umwandlung von Antiferromagnetismus zu Paramagnetismus. Ab dieser Temperatur bis zum Schmelzpunkt steigt der thermische Ausdehnungskoeffizient sehr stark an. Diese Sprungtemperatur (Neel-Temperatur) ist ein Phasenübergang erster Ordnung und zeigt einen massiven Volumensprung von Chrom, der den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten stark beeinflusst und den Verlauf somit nicht linear erscheinen lässt.

Es gibt, abhängig vom atomaren Aufbau, fünf verschiedene Arten von makroskopisch messbarem magnetischem Verhalten von Festkörpern. Zwei davon, Paramagnetismus oder Antiferromagnetismus, nimmt Chrom abhängig von der Temperatur ein.

Beim Paramagnetismus richten sich die einzelnen magnetischen Strukturen von Chrom einheitlich mit dem äußeren Magnetfeld aus und verstärken es. Beim Entfernen des äußeren Magnetfelds bricht das innere Magnetfeld wieder zusammen.

Beim Antiferromagnetismus richten sich die einzelnen magnetischen Strukturen von Chrom gegengleich (antiparallel) aus. Daher ist makroskopisch kein magnetisches Verhalten messbar.

Die Wärmeleitfähigkeit von Chrom ist im Vergleich zu jener von Wolfram und Molybdän geringer, der Verlauf zeigt jedoch den gleichen Trend, dass mit steigender Temperatur die Wärmeleitfähigkeit sinkt. Nahe der Neel-Temperatur ist auch die Wärmeleitfähigkeit vom Phasenübergang beeinflusst, jedoch nicht in dem Ausmaß wie der thermische Ausdehnungskoeffizient.

Die thermophysikalischen Eigenschaften von Chrom ändern sich mit der Temperatur zum Teil stark. Die nachfolgenden Diagramme zeigen den Verlauf des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit.

Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient von Chrom im Vergleich zu Molybdän und Wolfram
Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient
von Chrom im Vergleich zu Molybdän und Wolfram
Wärmeleitfähigkeit von Chrom im Vergleich zu jener von Molybdän und Wolfram in Abhängigkeit von der Temperatur

Mechanische Eigenschaften

Chrom als kubisch-raumzentriertes Metall zeigt, wie Molybdän und Wolfram, eine Übergangstemperatur von spröd zu duktil. Diese Temperatur kann bei Chrom von -50 °C bis hin zu 350 °C reichen. Der größte Einflussfaktor für diese Spröd-Duktil-Übergangstemperatur ist die Reinheit des Chroms, insbesondere sein Stickstoff- und Sauerstoffgehalt. Aber auch andere Legierungselemente, die Mikrostruktur sowie der Verformungsgrad haben großen Einfluss auf die Übergangstemperatur. Vollständig rekristallisiertes Chrom zeigt bei Raumtemperatur absolut keine Duktilität, wird Chrom allerdings verformt oder weichgeglüht, wird das Material duktil. Auch das Zulegieren von Eisen macht Chrom duktiler.

Die Festigkeit von Chrom steigt mit zunehmender Verformung und kann durch verschiedene Legierungselemente noch gesteigert werden. Für eine gute Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit legieren wir unser Chrom mit Eisen und Yttriumoxid. So machen wir den Werkstoff fit für Einsatztemperaturen von bis zu 850 °C.

Im Vergleich zu den anderen Refraktärmetallen Molybdän und Wolfram hat Chrom einen relativ niedrigen Schmelzpunkt von 1 900 °C. Auch der Elastizitätsmodul ist relativ gering. Im Vergleich zu Tantal und Niob - beide haben einen höheren Schmelzpunkt als Chrom - hat Chrom einen viel höheren Elastizitätsmodul.

Elastizitätsmodul von Chrom im Vergleich zu den E-Modulen unserer anderen hochschmelzenden Metalle Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
Elastizitätsmodul von Chrom im Vergleich zu den E-Modulen
unserer anderen hochschmelzenden Metalle Molybdän, Wolfram,
Tantal und Niob

Chemisches Verhalten

Chrom ist den meisten Menschen als Legierungselement in rostfreien Stählen und als Schutzschicht in diversen Anwendungen bekannt. Chrom bildet im Kontakt mit jeglichen korrosiven Medien wie Sauerstoff eine dünne transparente Passivschicht (Cr2O3). Diese Passivschicht ist unter normaler Atmosphäre und in wässriger Umgebung absolut stabil. Daher ist der Einsatz von Chrom als dekorative und zugleich korrosionsbeständige Schicht sehr häufig. Das gleiche Prinzip der Passivschicht schützt auch rostfreie Stähle vor Korrosion.

Cr2O3 schützt Chrom auch zuverlässig gegen aggressive Säuren wie Schwefel- oder Salpetersäure. In Verbrennungsmaschinen wie Gasturbinen oder Dieselmotoren überzeugt Chrom mit einer außerordentlich guten Beständigkeit gegen Heißgase. Temperaturen von bis zu 1 000 °C sind kein Problem für Chrom. In Sachen Stabilität kann es mit den besten Materialien auf dem Markt mithalten.

Die Tabelle zeigt das Korrosionsverhalten von Chrom. Die Angaben beziehen sich - wenn nicht gesondert vermerkt - auf reine, nicht mit Sauerstoff vermengte Lösungen. Fremde chemisch aktive Substanzen in kleinsten Konzentrationen können das Korrosionsverhalten stark beeinflussen. Sie haben Fragen zu Korrosionsthemen? Wir stehen Ihnen mit unserer Erfahrung und unserem eigenen Korrosionslabor sehr gerne zur Verfügung.

Korrosionsverhalten gegenüber Wasser, wässrigen Lösungen und Nichtmetallen
Wasser Heißwasser < 150 °C beständig
Anorganische Säuren Salpetersäure < 65 % bis 120 °C
Salpetersäure < 98 % bis 70 °C
Salzsäure / Salpetersäure < 10 / 1 % bis 130 °C
Schwefelsäure / Salpetersäure < 55 / 30 % bis 120 °C
Königswasser bis 120 °C
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
Organische Säuren Essigsäure < 100 % bis 100 °C
Oxalsäure < 10 % bis 100 °C
Ameisensäure < 90 % bis 100 °C
beständig
beständig
beständig
Laugen Natronlauge < 80 % bis 235 °C
Ethylendiamin < 50 % bis 180 °C
beständig
beständig
Salzlösungen Natriumcyanid < 30 % bis 100 °C
Natriumsulfid < 60 % bis 130 °C
beständig
beständig
Gase SO2 bis 1000 °C
CH4 bis 967 °C
O2 bis 967 °C
Luft bis 967 °C
Ar / NO2 bis 967 °C
N2 bis 967 °C
NH3 bis 967°C
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig

Vorkommen und Aufbereitung

Johann Gottlob Lehmann entdeckte 1766 ein rotbraunes Bleierz (PbCrO4), das heute Krokoit genannt wird. Damals war Chrom noch unbekannt und als Bestandteil in diesem Bleierz nicht erkannt. Erst 1797 vermutete Louis Nicolas Vauquelin, dass das rotbraune Bleierz ein bis dato unbekanntes Element enthalten muss. Er konnte mithilfe von Kaliumkarbonat und Salzsäure Chromoxid aus dem Erz gewinnen und später durch Reduktion in einem Grafitofen ein leicht graues Metall herstellen. Der Name Chrom kommt vom griechischen Chroma für Farbe und ist auf die vielen verschiedenen Farben des Chromoxids zurückzuführen. Eine der bekanntesten Modefarben aus Chromoxid ist das Chromgelb, die Farbe der Schulbusse in Amerika.

Das wichtigste Mineral für die industrielle Herstellung von Chrom ist Chromit (FeCr2O4). Mehr als die Hälfte des weltweit benötigten Chromits kommt aus Südafrika. Die beiden wichtigsten Produkte aus der Chromitaufbereitung sind Ferrochrom und metallisches Chrom. Der größte Abnehmer von Ferrochrom ist die Stahlindustrie, die Chrom zur Herstellung von rostfreien Stählen verwendet.

Für die Aufbereitung von Chromerz gibt es nicht nur eine Methode. Die Verunreinigung von Chromit (FeO . Cr2O3) mit anderen Erzen wie Mg-Silikaten und das Verhältnis von Cr2O3 und FeO sind ausschlaggebend für die Komplexität des Prozesses. Der Chromoxidgehalt des Konzentrats muss mindestens 50 % betragen, um daraus anschließend metallisches Chrom herzustellen.

Gängige Herstellungsrouten, um reines Chrom kommerziell herzustellen:

Die aluminothermische Route nimmt den größten Teil der Chromproduktion ein und beruht auf dem Prinzip der Reduktion von Chromoxid mit Aluminium. Dabei wird das aufbereitete Chromoxid mit Aluminiumpulver gemischt und die Ladung entzündet. Die Reduktion läuft als exotherme Reaktion ohne weitere Energieeinbringung selbstständig ab. Abhängig von der Reinheit der Ausgangspulver sind Chromgehalte von bis zu 99,8 % möglich. Die Hauptverunreinigungen sind Aluminium, Eisen, Silizium und Schwefel. Die exotherme Reaktion der Chromoxidreduktion:

Für hochreines Chrom wird die elektrolytische Route gewählt. Mit dieser Route ist eine Reinheit von bis zu 99,995 % möglich. Hierzu wird CrO3 Cr(VI) mit Schwefelsäure aufgelöst und über galvanische Abscheidung werden Chromflocken gewonnen. Da dieses Verfahren jedoch sehr hohe Umweltbelastungen mit sich bringt, wird diese Route nicht in allen Ländern durchgeführt.

Wie wir das alles machen? Pulvermetallurgie!

Was ist Pulvermetallurgie eigentlich? Heutzutage werden bekanntlich die meisten industriellen Metalle und Legierungen wie zum Beispiel Stähle, Aluminium und Kupfer durch Schmelzen und Abgießen in eine Form hergestellt. Die Pulvermetallurgie umgeht jedoch den Schmelzvorgang und erzeugt die Produkte durch das Verpressen von Metallpulvern und die anschließende Wärmebehandlung (Sintern) unterhalb der Schmelztemperatur des Materials. Die drei wichtigsten Einflussgrößen für die Pulvermetallurgie sind das Metallpulver, das Pressen und das Sintern. Wir können diese im Haus steuern und optimieren.

Warum setzen wir auf Pulvermetallurgie? Die Pulvermetallurgie ermöglicht es, Werkstoffe mit einem Schmelzpunkt von 2 000 °C und darüber herzustellen. Das Verfahren ist selbst bei geringeren Produktionsmengen noch besonders wirtschaftlich. Außerdem ermöglichen maßgeschneiderte Pulvermischungen eine Vielzahl an besonders homogenen Werkstoffen mit ausgewählten Eigenschaften.

Das Chrompulver wird mit Legierungselementen gemischt und anschließend in Formen gefüllt. Es folgt der Pressvorgang bei extrem hohen Drücken. Der so entstandene Pressling (auch Grünling genannt) wird danach in speziellen Hochtemperaturöfen gesintert. Dabei wird der Grünling dicht und bildet seine Mikrostruktur aus. Die ganz besonderen Eigenschaften unserer Werkstoffe, wie ihre hohe Warmfestigkeit, ihre Härte oder ihr Fließverhalten, entstehen durch die richtige Umformung, zum Beispiel beim Schmieden, Walzen oder Ziehen. Nur wenn alle diese Schritte perfekt zusammenspielen, können wir unseren hohen Qualitätsanspruch erfüllen und Produkte mit höchster Reinheit und Güte erzeugen.

Oxid
Reduktion
Mischen
Legieren
Wir verdichten unsere Metallpulver und Metallpulvermischungen mit bis zu 2 t/cm² (Tonnen pro Quadratzentimeter) Druck zu einem sogenannten Grünling. Bei Endprodukten mit besonders aufwendigen Geometrien pressen wir den Grünling schon in eine entspreche
Pressen
Sintern
Umformen
Wärme
behandlung
Mechanische
Bearbeitung/
Bonding
Qualitäts-
sicherung
Recycling

Hier gibt es unsere Sicherheitsdatenblätter zum Download (Englisch):