Was ist Wolframkarbid?

Wolframkarbid (Hartmetall)

Zementierte Karbide, oder oft als Hartmetalle bezeichnet, sind Materialien, die durch "Zementieren" von sehr harten Wolframmonokarbid (WC)-Körnern in einer Bindematrix aus einer zähen Kobalt- oder Nickellegierung durch Flüssigphasensintern hergestellt werden. Zementierte Karbide kombinieren die hohe Härte und Festigkeit von metallischen Karbiden (WC, TiC, TaC) oder Carbonitriden (z. B. TiCN) mit der Zähigkeit und Plastizität eines metallischen Legierungsbinders (Co, Ni, Fe), in dem die harten Partikel gleichmäßig verteilt sind, um einen metallischen Verbundwerkstoff zu bilden. Wolframkarbid ist das metallischste der Karbide und bei weitem die wichtigste harte Phase. Je mehr harte Karbidpartikel sich in dem Material befinden, desto härter ist es, aber desto weniger zäh verhält es sich bei Belastung; und umgekehrt werden erhebliche Zunahmen der Zähigkeit durch eine höhere Menge an metallischem Binder auf Kosten der Härte erreicht.

Im Bereich der Werkstoffe spielen zementierte Karbide eine entscheidende Rolle, da sie hohe Härte und Festigkeit mit guter Zähigkeit in einem breiten Eigenschaftsbereich kombinieren und somit die vielseitigste Gruppe von Hartmaterialien für technische und Werkzeuganwendungen darstellen.

Typischerweise kann ein Wolframkarbid-Hartmetall einen Härtewert von 1600 HV aufweisen, während Baustahl im Bereich von 160 HV liegen würde, also um den Faktor 10 niedriger.

Obwohl es als Hartmetall bezeichnet wird, ist Wolframkarbid eigentlich ein Verbundwerkstoff mit harten Wolframkarbidpartikeln, die in eine weichere Matrix aus metallischem Kobalt eingebettet sind.

Die chemische Formel für Wolframkarbid lautet WC.

Wolframkarbid wird durch Reaktion von Wolframmetall und Kohlenstoff bei 1400–2000 °C hergestellt. Andere Verfahren umfassen ein patentiertes Niedertemperatur-Wirbelschichtverfahren, bei dem entweder Wolframmetall oder blaues WO3 mit CO/CO2-Gemisch und H2 zwischen 900 und 1200 °C reagiert.

Welche Eigenschaften hat Hartmetall?

Mechanische Eigenschaften:

Mechanische Eigenschaften spiegeln die Fähigkeit eines Materials wider, einer Kraft bestimmter Art standzuhalten, die jedoch bei Anwendung eine genauere Definition erfordert. Zur Verdeutlichung gibt es verschiedene Arten von Kräften, denen der Widerstand entgegengesetzt wird, abhängig von den Belastungsbedingungen; für Hartmetalle sind die wichtigsten Widerstände innerhalb der mechanischen Eigenschaften Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Abrieb, Ermüdung und Querbruch.

  Physikalische Eigenschaften:

Wolframkarbid hat einen hohen Schmelzpunkt von 2.870 °C (5.200 °F), einen Siedepunkt von 6.000 °C (10.830 °F) bei einem Druck, der einer Standardatmosphäre (100 kPa) entspricht, eine Wärmeleitfähigkeit von 110 W·m−1·K−1 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5,5 µm·m−1·K−1.

Wolframkarbid ist extrem hart und rangiert auf der Mohs-Skala bei etwa 9 und mit einer Vickers-Zahl von etwa 2600. Es hat einen Elastizitätsmodul von etwa 530–700 GPa, einen Volumenmodul von 630–655 GPa und einen Schubmodul von 274 GPa. Es hat eine Zugfestigkeit von 344 MPa, eine Druckfestigkeit von etwa 2,7 GPa und eine Poissonzahl von 0,31.

Die Geschwindigkeit einer longitudinalen Welle (Schallgeschwindigkeit) durch einen dünnen Stab aus Wolframkarbid beträgt 6220 m/s.

Die geringe elektrische Leitfähigkeit von Wolframkarbid von etwa 0,2 µΩ·m ist vergleichbar mit der einiger Metalle (z. B. Vanadium 0,2 µΩ·m).

WC wird leicht von geschmolzenem Nickel und Kobalt benetzt. Untersuchungen des Phasendiagramms des W-C-Co-Systems zeigen, dass WC und Co ein pseudo-binäres Eutektikum bilden. Das Phasendiagramm zeigt auch, dass es sogenannte η-Karbide mit der Zusammensetzung (W,Co) 6C gibt, die gebildet werden können, und die Sprödigkeit dieser Phasen macht die Kontrolle des Kohlenstoffgehalts in WC-Co-Hartmetallen wichtig.

Chemische Eigenschaften:

Es gibt zwei gut charakterisierte Verbindungen von Wolfram und Kohlenstoff, WC und Wolfram-Halbkarbid, W 2C. Beide Verbindungen können in Beschichtungen vorhanden sein, und die Anteile können von der Beschichtungsmethode abhängen.

Bei hohen Temperaturen zersetzt sich WC zu Wolfram und Kohlenstoff, was während des Hochtemperatur-Thermischen Spritzens auftreten kann, z. B. bei High Velocity Oxygen Fuel (HVOF)- und High Energy Plasma (HEP)-Verfahren.Die Oxidation von WC beginnt bei 500–600 °C (932–1.112 °F). Es ist beständig gegen Säuren und wird nur von Flusssäure/Salpetersäure (HF/HNO3)-Gemischen oberhalb der Raumtemperatur angegriffen. Es reagiert mit Fluorgas bei Raumtemperatur und Chlor über 400 °C (752 °F) und ist bis zu seinem Schmelzpunkt unreaktiv gegenüber trockenem H2. Fein gepulvertes WC oxidiert leicht in wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen. Bei hohen Temperaturen und Drücken reagiert es mit wässriger Natriumcarbonatlösung unter Bildung von Natriumwolframat, ein Verfahren, das zur Rückgewinnung von Hartmetallschrott verwendet wird.