Die Eigenschaften von Wolfram lesen sich wie aus dem Guiness-Buch der Rekorde, würde es ein solches für Materialien geben: Wolframlegierungen WNiFe und WNiCu sind korrosionsbeständig gegen Metallschmelze, haben eine sehr hohe Mohshärte von 7,5 und eine mit Gold vergleichbare Dichte. Außerdem besitzen sie mit rund 3.400 °C den höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente.
Dies prädestiniert das Schwermetall für außergewöhnliche Anwendungen wie für für den Kokillenguss von Aluminium, aber auch in der Werkzeugherstellung oder zur Abschirmung von Alpha- und Gammastrahlung. Andererseits ist das Material dadurch nur sehr schwer zu bearbeiten. Für Bauteile mit komplexeren Formen (wie etwa Kurven oder konische Bohrungen) muss daher häufig auf den leichter modellierbaren Warmarbeitsstahl ausgewichen werden.
Neue Wolframlegierung in Pulverform eignet sich für 3D-Druck
Um Wolfram auch für jene anspruchsvolleren Geometrien nutzen zu können, hat die Bayerische Metallwerke GmbH ein neues Herstellungsverfahren für die Wolframlegierungen WNiFe sowie WNiCu entwickelt und Anfang 2021 patentieren lassen: Es zeichnet sich dadurch aus, dass die mehrphasige Mischkristall-Legierung in Pulverform gewonnen wird. Somit hat das zur Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH gehörige Unternehmen ein Ausgangsmaterial geschaffen, das 3D-Druck- und Beschichtungsverfahren ermöglicht.
„Aufgrund seiner Beständigkeit gegen Korrosion und Erosion von Metallschmelzen und der hervorragenden thermischen Leitfähigkeit ist Wolfram das Material erster Wahl im Bereich Aluminiumguss“, sagt Nabil Gdoura, Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei der Bayerische Metallwerke GmbH.
Die Alternative zu Blei in der Strahlenabschirmung
„Die sehr hohe Dichte von 19,25 g/cm3 in der Reinform macht es aber auch zu einer guten Alternative zum gesundheitsschädlichen Blei, das beispielsweise in der Medizin nach wie vor zur Strahlenabschirmung verwendet wird.“
Bei den im Rahmen von Aluminiumverarbeitung genutzten Gussformen, auch Kokillen genannt, werden häufig zwar lange, aber zugleich sehr dünne und mitunter auch konisch geformte Kühlkanäle mit weniger als 1 mm Durchmesser angestrebt, um eine möglichst gleichmäßige und schnelle Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Sonst kann die Materialqualität des Endprodukts etwa durch Rissbildungen negativ beeinflusst werden.
Solch präzise und teilweise geschwungene Formen sind allerdings unmöglich mittels herkömmlicher, spanender oder umformender Bearbeitungstechniken aus dem harten Schwermetall modellierbar, dessen extrem hoher Schmelzpunkt zwischen 3.387 und 3.422 °C liegt. Aus diesem Grund wird für solche komplexen Bauteile bislang auf Warmarbeitsstahl ausgewichen, der additiv in nahezu jede gewünschte Form gebracht werden kann.
Herstellung der 3D-druckfähigen Pulver ist nun patentiert
Nach dem Abschluss der zweijährigen Entwicklungsphase haben die Bayern Anfang 2020 ein Patent für ihr neues Herstellungsverfahren eines Wolframlegierungsprodukts und dessen Weiterverwendung beantragt, das schließlich im Januar 2021 erteilt wurde. „Die Besonderheit an unserer Wolfram-Nickel-Eisen-Legierung ist, dass wir sie in Form eines vorlegierten Pulvers gewinnen“, erläutert Dr. Hany Gobran, Forschungs- und Entwicklungsmanager bei den Bayerischen Metallwerken sowie Erfinder der Herstellungstechnik. „Dieses eignet sich als Ausgangsprodukt für 3D-Druck- und Beschichtungsverfahren.“
Bisher wurde in Ermangelung einer Alternative lediglich ein gemischtes Pulver verwendet, um Wolfram auch für Bauteile mit komplexen Geometrien nutzbar zu machen. Der größte Nachteil solcher Mischungen ergibt sich jedoch aus den unterschiedlichen Schmelzpunkten von Wolfram (rund 3.400 °C) sowie von Nickel und Eisen, die beide ihren Aggregatszustand schon bei etwa 1.500 °C ändern. Dies hatte zur Folge, dass ein großer Teil der beiden zugesetzten Stoffe während des Schmelzvorgangs im Weiterverarbeitungsprozess unkontrolliert verdampft. Denn der Siedepunkt von Nickel und Eisen liegt bereits bei rund 2.700 °C beziehungsweise 3.000 °C.
Der Trick: Legierte Pulver statt gemischte Pulver
Dank der Vorlegierung in dem von Gobran entwickelten Verfahren sind dagegen in jedem einzelnen Pulverpartikel alle drei Elemente als mehrphasiges Material verbunden, sodass ihre Zusammensetzung und Verteilung im Endprodukt genau kontrolliert werden kann und kein Verlust der Bindermetalle in Kauf genommen werden muss.
Entsprechend der gängigen normierten Varianten ist die neue Legierung mit 80 bis 98,5 Gew.-% Wolfram, 0,1 bis 15 Gew.-% Nickel und 0,1 bis 10 Gew.-% Eisen und/oder Kupfer herstellbar. Damit wird eine Dichte des Endprodukts von 17 bis 18,8 g/cm3 erreicht, die für Anwendungen in der Aluminiumindustrie, der Werkzeugfertigung und zur Alpha- und Gammastrahlenabschirmung erwünscht ist. „Je höher der Anteil von Wolfram im Endprodukt ist, desto beständiger verhält es sich gegenüber Aluminiumschmelze und desto besser gestaltet sich auch seine thermische Leitfähigkeit“, führt Gobran aus.
Wolframanteil in der Legierung lässt sich anpassen
„Spielt dagegen eine gute Duktilität sowie die mechanische Bearbeitbarkeit eine größere Rolle, kann der Wolframanteil in der Legierung auch entsprechend gesenkt werden. Die Zusammensetzung ist also stets an die konkrete Anwendung und die jeweilige Formkomplexität anpassbar.“ Bei dem Zerkleinerungsprozess im Rahmen des Herstellungsverfahrens können außerdem das Fließverhalten sowie die Korngröße des Pulvers zwischen 10 und 200 µm bestimmt werden. Auf diese Weise wird die Legierung individuell für die angestrebte Art der Weiterverarbeitung – etwa Plasma-Beschichtungsverfahren oder additive Fertigung – vorbereitet.
Neues Herstellverfahren ermöglicht Upcycling der Materialien
Ersetzt man etwa den für dünne und konisch geformte Kühlkanäle in Aluminiumguss-Kokillen verwendeten Warmarbeitsstahl durch die von Gobran entwickelte Wolframlegierung, so profitiert die Anwendung nicht nur von der Korrosions- und Erosionsbeständigkeit des Schwermetalls. Gegenüber dem Stahl hat Wolfram außerdem den Vorteil der weitaus höheren thermischen Leitfähigkeit, sodass der Verschleiß der Kokillen massiv reduziert werden kann.
Aufgrund seiner höheren Dichte bietet sich das Legierungsprodukt außerdem als Alternative zum giftigen Blei an, das nicht nur zur Strahlenabschirmung, sondern auch als Stabilisator – etwa in der Werkzeugindustrie – genutzt wird. „Eine weitere Besonderheit unserer Legierung ist, dass wir das Pulver aus Reststücken oder Spänen herstellen können“, fügt Gdoura hinzu. „Das ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus umweltbewusster Perspektive ein großer Fortschritt, da wir so Abfallprodukte aus herkömmlichen Verfahren in den Wertstoffkreis zurückführen und upcyceln können.“ (os)
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