Karbide sind Verbindungen von chemischen Elementen mit Kohlenstoff. Dieser wird in das Metallgitter eingefügt. Die Ergebnisse sind industriell wertvoll.

Was ist Karbid? Eigenschaften und industrielle Bedeutung

Karbid, welches auch Carbid geschrieben werden kann, beschreibt die Verbindung zwischen Kohlenstoff und einem weiteren chemischen Element. Doch was bedeutet das genau?

Karbide sind sehr vielfältig, es handelt sich nicht um reine und natürlich vorkommende chemische Elemente, sondern aus Verbindungen solcher mit Kohlenstoff (ebenfalls einem natürlich vorkommenden Element). Im Periodensystem der Elemente finden sich alle natürlich auf unserem Planeten vorkommenden Elemente wieder. Im Falle von Metallcarbiden wie zum Beispiel Wolframcarbid besteht eine Verbindung von Wolfram und Kohlenstoff.

Natürlich vorkommende Elemente

Zum besseren Verständnis erst einmal ein Einblick in die Elemente. Das Periodensystem ordnet, wie bereits erwähnt, die auf der Welt vorkommenden natürlichen Elemente ein und es werden ihnen Ordnungszahlen zugewiesen. Diese beschreibt in aufsteigender Form die elektrische Ladung, die der jeweilige Atomkern aufweist. Die jeweiligen Elemente werden so angeordnet, dass sich diese mit ähnlichen Eigenschaften beieinander befinden. Jedes Element wird abgekürzt und weltweit vereinheitlicht. Einen ist beispielsweise „FE“ (Ferrum = Eisen), Gold ist „AU“ (Aurum = Gold) und Kobalt ist „CO“ (Cobalt).

Wichtig ist bei der Herstellung von Metallkarbiden die Gruppe der Metalle und teilweise der Halbmetalle. Wolfram kommt in der Gruppe der Metalle vor und hat die Ordnungszahl 74 und das Kürzel „W“.  Kohlenstoff „C“ (Carbonium) ist sowohl in der reinen Form als auch in der gebundenen Form anzutreffen.

Erzeugt man nun Wolframcarbid, entsteht „WC“. Dieses findet sich nicht im Periodensystem der Elemente wieder, da es sich um eine chemische Verbindung, aber nicht um ein natürliches Element handelt. Verbindungen werden insbesondere in Formeln trotzdem mit Kürzeln oder den Verbindungen daraus beschrieben.

Was sind Karbide?

Werden diese chemischen Elemente nun verbunden, entstehen Karbide. Unser Beispiel Wolframkarbid ist also die Verbindung aus Wolfram und Kohlenstoff. Es gibt selbstverständlich eine große Anzahl von Karbiden. Diese werden grob in drei verschiedene Gruppen unterschieden.

Diese sind:

• Metallartige Karbide
•  Ionische Karbide
• Kovalente Karbide

Die Karbide haben jeweils verschiedene Eigenschaften und auch industriell verschiedene Bedeutungen.

Karbide entstehen, wenn bei hohen Temperaturen und auch hohem Druck chemische Prozesse in Gang kommen. Schmelz- oder Reaktionsprozesse sorgen für eine Einlagerung des Kohlenstoffes in das Gitter. Durch die Einlagerung im Metallgitter entsteht ein neuer Stoff, welcher sich hervorragend dazu eignet, Hartmetall herzustellen.

Selbstverständlich entstehen durch diese Reaktion neue Materialien mit neuen Eigenschaften. Metallartige Karbide haben einen sehr hohen Schmelzpunkt, was sich beim Sintern von Hartmetallen überaus positiv darstellt. Diese liegen sehr hoch und können sogar bis zu 4.000 °C erreichen. Zu den weiteren positiven Eigenschaften gehören Härte und Hitzebeständigkeit. Sie sind dementsprechend langlebig und verschleißen nicht so einfach. Eine eher nachteilige Eigenschaft ist die Bruchgefahr durch Stoßempfindlichkeit.

Metallartige Karbide

Neben dem berühmten Beispiel Wolframkarbid (WC) gibt es zahlreiche weitere metallartige Karbide. So beispielsweise Tantalkarbid oder Titankarbid. Aus ihnen werden Hartstoffe hergestellt, welche sich wiederum für die Hartmetallherstellung eignen.

Die hohen Schmelzpunkte verleihen den Karbiden besondere Eigenschaften. Die hieraus hergestellten Hartmetalle sind vielfältig einsetzbar und kommen beispielsweise in Kugelschreiberkugeln, in Schneidwerkzeugen oder Bohrwerkzeugen vor.

Ionische Karbide

Ionische Karbide aus Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen. Diese sind insbesondere in Verbindung mit Wasser sehr gefährlich, da sich hochentzündliche Gase bilden. Industriell sind sie nicht mehr so wichtig wie noch vor einigen Jahren.

Kovalente Karbide

Das berühmteste Beispiel hierfür ist das Siliciumkarbid. Kovalente Karbide bildet man durch Kohlenstoff und Elemente, welche ähnlich elektronegativ sind. Kristalline Strukturen zeichnen diese Karbide aus. Wirtschaftlich und industriell gesehen sind diese insbesondere im elektronischen Bereich sehr wichtig. Sie weisen eine mechanisch hohe Qualität und Wärmeleitfähigkeit aus und eignen sich zum Beschichten, sind Bestandteil von Schleifmitteln und werden zum Verstärken verschiedener Kunststoffe angewendet.

Metallkarbide als Grundlage für Hartmetalle

Von Bedeutung für die Herstellung von Hartmetallen sind also nur die metallartigen Karbide, da sie die richtigen Eigenschaften aufweisen. Bleiben wir beim Beispiel des Wolframcarbids, wird dieses durch Aufkohlung gewonnen. Als Aufkohlung oder auch Zementation bezeichnet einen thermischen Prozess. Bei diesem wird der Kohlenstoff in das Metallgitter „diffundiert“. Das bedeutet, verschiedene Stoffe werden gleichmäßig gemischt.

Die Temperaturen bei diesem Prozess betragen rund 1.400 °C bis zu rund 2.000 °C. Beim Erhitzen wird entweder Wasserstoff hinzugegeben oder ein Vakuum gebildet. Aus Wolfram und Kohlenstoff entsteht so Wolframcarbid.

Um Wolframkarbidpulver herzustellen, werden zahlreiche verschiedene Techniken angewandt. Wichtig ist die richtige Temperatureinstellung bei diesem Prozess. Das Karbid wird vor der Weiterverarbeitung zu Hartmetall zu verschieden großen Körnern gemahlen. Diese reichen von sehr fein bis hin zu grob und werden in verschiedene Abstufungen unterteilt. Je nach gewünschten Eigenschaften des späteren Hartmetalles spielt die Korngröße eine tragende Rolle.

Die Bedeutung von Wolframkarbid in der Industrie

Wolframkarbid wird überaus häufig zur Herstellung von Kartmetallen verwendet und fast ebenso häufig bildet Kobalt als Bindemetall den Partner. Das liegt daran, dass die Eigenschaften beider Metalle sich perfekt anbieten.

Aus dem entstandenen Verbundwerkstoff werden nun zahlreiche Werkzeuge, Maschinenbestandteile und sogar einige Alltagsgegenstände sowie Luxusartikel hergestellt. Zerspanwerkzeuge sind nur ein Beispiel der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Die Luxusbranche wie beispielsweise die Uhrmacherei bedient sich immer wieder verschiedenen Hartmetallen. Uhrengehäuse und andere Bestandteile aus dem langlebigen Verbundwerkstoff bieten eine Besonderheit. Die besondere Härte, die Wolframcarbid aufweist, ist überaus bekannt und reicht fast an die eines Diamanten heran.

Infobox

Weitere Anwendungsbeispiele in der Industrie:

• Autos
• Fahrräder
• Kugelschreiberminen
• Zerspanwerkzeuge
• Schneidwerkzeuge
• Uhrengehäuse
• Schmuck
•  Instrumente für die Chirurgie
•  Düsen
•  Luftfahrt
•  Musikinstrumente
• Sportausrüstung wie Golfschläger
•  Werkzeuge aller Art

Fazit

Metallartige Karbide wie das Wolframcarbid sind Werkstoffe mit extremen Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, thermischer Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit. Insbesondere zur Herstellung von Hartmetall in Verbindung mit Kobalt eignet es sich hervorragend. Beim Sinterprozess eines Grünlings aus Wolframcarbid und Kobalt entsteht ein einzigartiger Verbundwerkstoff mit sehr vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten.

Industriell gesehen ist Wolframcarbid für zahlreiche Alltagsgegenstände ein unverzichtbarer Rohstoff geworden. Die chemische Zusammensetzung von Carbiden ist die Verbindung eines Elementes mit Kohlenstoff, welcher bei metallischen Carbiden in das Metallgitter eindiffundiert, also gleichmäßig eingelagert wird. Zur Herstellung von Hartmetallen eignen sich ausschließlich metallartige Karbide, da sie über die gewünschten Eigenschaften verfügen.