Wolframcarbid ist ein interessanter Stoff aus Wolfram und Kohlenstoff, welcher zum Herstellungsprozess für qualitativ hochwertige Hartmetalle genutzt wird.

Wissenswertes über Wolframcarbid

Wolframcarbid wird als Hartstoff zur Herstellung von Hartmetallen verwendet. Doch was ist Wolframcarbid eigentlich? Es handelt sich nicht um ein natürlich auf der Erde vorkommendes Element, sondern um einen Stoff, welcher chemisch von Menschenhand erzeugt wird.

Das Element Wolfram hingegen kommt natürlich vor und wird als Ressource aus der Erde gewonnen. Den spannenden Weg vom Wolfram bis zum Wolframkarbid für die Hartmetallherstellung haben wir einmal nähergehend beleuchtet.

Was ist Carbid?

Carbide oder auch Karbide sind keine reinen chemischen Elemente, sondern es handelt sich um Kohlenstoff-Verbindungen, welche mit einem anderen Element eingegangen werden. Es gibt sehr viele verschiedene Karbide, welche je nach Anwendungszweck aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschaften hergestellt werden.

Metallartige Karbide sind für die Hartmetallherstellung der wichtigste Grundstoff. Wird nun Wolfram mit Kohlenstoff verbunden, entsteht Wolframcarbid.

Wolfram (W) + Kohlenstoff (C) = Wolframcarbid (WC)

Die beiden natürlichen chemischen Elemente ergeben nach der Reaktion ein neues Element, welches ebenfalls neue Eigenschaften aufweist. Bei metallartigen Karbiden werden also Elemente aus der Metallgruppe oder der Halbmetallgruppe sowie sogenannte Übergangsmetalle verwendet.

Die drei Gruppen, in welche man Carbide unterteilt, sind ionische Carbide, kovalente Carbide und metallartige Carbide. Jede Verbindung hat in der Industrie eine wichtige Bedeutung und wird entsprechend der jeweiligen Anforderungen hergestellt.

Wolframcarbid findet zahlreiche Anwendungsbeispiele in unserem Alltag. Das daraus entstandene Hartmetall kommt in unzähligen Bereichen unseres täglichen Lebens vor. Das besonders harte und korrosionsbeständige Hartmetall aus Wolframkarbid und Kobalt hergestellt findet sich beispielsweise in den Instrumenten der Medizin und der Zahntechnik wider.

Musikinstrumente, Karosserien und auch Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von Stählen werden aus Wolframcarbid-Hartmetall hergestellt. Auch die Uhren- und Schmuckbranche hat sich die positiven Eigenschaften des hergestellten Hartmetalles bereits zunutze gemacht.

Was ist Wolfram?

Wolfram ist ein chemisches Element und kommt im Periodensystem der Elemente vor. Dort hat es die Ordnungszahl 74 und wird mit einem W als Elementsymbol beschrieben. Man findet Wolfram in der 6. Nebengruppe im Periodensystem. Es gehört zu den Schwermetallen und hat besondere Eigenschaften. Der Schmelzpunkt von Wolfram liegt bei 3.422 °C und der Siedepunkt liegt bei 5.930 °C. Diese Werte sind die höchstenSchmelz- und Siedepunkte von Metallen im gesamten Periodensystem.

Wolfram verfügt außerdem über eine sehr hohe Dichte, ist weiß-glänzend und überaus anfällig bei Verunreinigungen. Trotz dieser Anfälligkeit wird Wolfram industriell aufgrund seiner zahlreichen positiven Eigenschaften gerne verwendet. Wolfram ist ein Ausgangsmaterial zur Herstellung von Hartmetallen. Beim Herstellungsprozess ist jedoch auf absolute Sauberkeit zu achten, denn es wird bereits bei kleinsten Verunreinigungen spröde und somit unbrauchbar für die Weiterverarbeitung. Bei der Herstellung von Hartmetallen muss zunächst Wolframcarbid hergestellt werden, welches dann gemahlen und weiterverarbeitet wird.

Wo und wie wird Wolfram abgebaut?

Wolfram kommt in zahlreichen Ländern der Erde vor, allerdings ist es noch nicht in gediegener Form entdeckt worden. Gediegen bedeutet, in reiner Form. In Form von Erzen, besser gesagt von Erzmineralen wird Wolfram in der Regel in der äußeren Erdkruste gewonnen.

In China wird am meisten Wolfram gewonnen, doch auch in Peru, in Österreich oder im Erzgebirge findet sich Wolfram in Form von Erzen. Nach der Förderung der Erze werden verschiedene Verfahren angewendet, um die Konzentration von Wolframoxiden (WO₃) zu erhöhen. In einem Oxidationsverfahren bei Temperaturen zwischen 500 °C und 600 °C werden nun Verunreinigungen entfernt.

Im weiteren Verarbeitungsprozess wird Natriumwolframat gebildet und gereinigt. Es entsteht eine Lösung, aus welcher schließlich in einem chemischen Prozess sogenanntes Ammoniumparawolframat entsteht. Hieraus entsteht schließlich Wolframoxid, welches nun reduziert wird (in einer Wasserstoff-Atmosphäre).

Das so entstandene Wolframpulver wird in der Regel erst verdichtet und dann zu Barren gesintert. Zur Herstellung von Wolfram-Hartmetallen gibt es jedoch noch andere Verfahren, denn es muss Wolframcarbid erzeugt werden.

Wie entsteht Wolframcarbid?

Mit einer Mohshärte von 9,5 ist es fast so hart wie der Diamant, welcher mit der höchsten Mohshärte von 10 für Beständigkeit steht. Verschiedene Verfahren zur Gewinnung von Wolframcarbid sind bekannt.

Die direkte Aufkohlung mit Kohlenstoff und Wolfram gehört zu den beliebtesten Methoden. Beim Aufkohlen (auch Zementation genannt), diffundieren die Kohlenstoffteilchen in das Metallgitter ein. Das bedeutet, dass sich die Stoffe mischen beziehungsweise ineinander einfügen. Die Temperaturen bei der Gewinnung von Wolframcarbid betragen bis zu 2.800 °C, hierbei entstehen WC-Blöcke.

Je nach gewünschtem Endergebnis werden jedoch auch niedrigere Temperaturen gewählt. Die Reduktion oxidischer Erze mit Kohle eignet sich hervorragend, um aus Wolframerzen das gewünschte Wolframcarbid zu erhalten. Wolframcarbid ist ein wichtiger Grundstoff zur Herstellung von Hartmetall. Wolframpulver ist eine Voraussetzung für die Herstellung hochwertiger Endprodukte. Dieses wird mit einem Reaktionsgas bei hohen Temperaturen erhitzt. Die kohlenstoffartige Atmosphäre ist hierbei unbedingt notwendig, da es maßgeblich zum Reaktionsprozess beiträgt.

Möchte man direkt Wolframkarbidpulver herstellen, wird Wolframsäurepulver reduziert. Die Reduktion ist in der Chemie der Gegenspieler der Oxidation, es wird zum Beispiel Sauerstoff abgegeben. Beim Reduzieren des Wolframsäurepulvers reduziert man dieses mithilfe von Wasserstoff zu Wolfram. Nun erfolgt das Aufkohlen bei Temperaturen um die 1.400 °C. Bei den feinen Pulvern ist diese einer der besten Methoden.

Doch auch die direkte Aufkohlung ist möglich. Auch bei Wolframoxiden oder Scheelit ist dies oft ein Anwendungsbeispiel zur Wolframcarbidgewinnung. Eine Aufkohlung durch Gase wie Methan oder auch Kohlenstoffmonoxid kann hingegen bei Wolfram oder bei Wolframoxid erfolgen. Die Möglichkeiten sind also sehr vielfältig.

Die Herstellung von Hartmetall aus Wolframcarbid

Wichtig für die Herstellung von Hartmetallen aus Wolframcarbid sind mehrere Dinge. Zunächst einmal ist es absolut notwendig, absolute Sauberkeit in jedem Produktionsschritt einzuhalten. Wie bereits erwähnt, ist Wolfram sehr anfällig für verschiedene Verunreinigungen. Gelangen diese in das Wolframpulver, eignet es sich nicht mehr, um weiterhin verarbeitet zu werden. Es wird durch kleinste Verunreinigungen spröde und Materialfehler im Werkstück sind praktisch vorprogrammiert.

Dementsprechend muss schon bei der Gewinnung von Wolfram aus den Erzen oder aus Schrott genau aufgepasst werden. Auch die Herstellung von Wolframkarbiden muss unter besten Bedingungen erfolgen.

Das Wolframcarbid liegt schließlich in der gewünschten Pulverform vor. Gemeinsam mit einem Bindemetall wird das Wolframkarbidpulver, der sogenannte Hartstoff, mit dem Binder (in der Regel Kobalt) gut vermischt. Wird ein Werkstück aus Hartmetall hergestellt, muss bis zum Ende höchste Sauberkeit in allen Verarbeitungsschritten eingehalten werden.

Diese sind das Mahlen, das Mischen und das Pressen zum Grünling in die gewünschte Form. Schließlich wird dieser Grünling im Sinterofen zum fertigen Werkstück aus Hartmetall gesintert. Das entstandene Stück ist nun sehr verdichtet, bis zu 50 % und in gleichem Maße nimmt es jedoch an Volumen ab. Der Grünling muss also immer rund doppelt so groß sein wie das gewünschte Hartmetallteil. Je nach Größe der verwendeten Metallkörnchen werden verschiedene Hartmetallsorten erzugt, welche sich in der Verwendung unterscheiden.