Wolfram vs. Wolframkarbid: Was ist der Unterschied

Wolfram und Wolframkarbid werden oft verwechselt, aber hinter ihren ähnlichen Namen verbergen sich unterschiedliche Eigenschaften, die sie voneinander unterscheiden. Obwohl beide aus dem seltenen Metall Wolfram stammen, entsteht durch die Zugabe von Kohlenstoffatomen in Wolframkarbid eine einzigartige Verbindung mit ganz eigenen Eigenschaften.

In diesem Blogbeitrag gehen wir auf die wichtigsten Unterschiede zwischen Wolfram und Wolframkarbid ein und untersuchen Faktoren wie Härte, Sprödigkeit, Dichte, Korrosionsbeständigkeit und Kosten.

Was ist Wolfram?

Wolfram, auch bekannt unter dem chemischen Symbol W, ist ein natürlich vorkommendes metallisches Element. Es gilt als seltenes Metall und macht nur etwa 1,5 ppm der Erdkruste aus. Wolfram hat die Ordnungszahl 74 und befindet sich in Periode 6, Gruppe 6 des Periodensystems, womit es zu den Übergangsmetallen zählt.

In seiner reinen elementaren Form ist Wolfram ein stahlgraues bis zinnweißes Metall. Es besitzt mehrere bemerkenswerte Eigenschaften, darunter den höchsten Schmelzpunkt (3422 °C, 6192 °F) und die höchste Zugfestigkeit aller Metalle. Wolfram hat außerdem das zweithöchste Atomgewicht (183,84 u) aller natürlich vorkommenden Elemente, nur hinter Uran. Seine Dichte von 19,3 g/cm³ ist vergleichbar mit Gold (19,32 g/cm³) und viel höher als die von Blei (11,34 g/cm³).

Was ist Wolframkarbid?

Wolframcarbid (WC) ist eine anorganische chemische Verbindung, die zu gleichen Teilen aus Wolfram- und Kohlenstoffatomen besteht. Es wird auch als Wolframmonocarbid bezeichnet und ist das wichtigste und am häufigsten verwendete Wolframcarbid.

Die Wolfram- und Kohlenstoffatome in WC sind in einer hexagonalen Kristallstruktur miteinander verbunden, was zu keramikähnlichen Materialeigenschaften führt. Mit einer Mohshärte zwischen 9 und 9,5 nähert sich Wolframkarbid der Härte von Diamant (10). Es hat einen hohen Schmelzpunkt von 2.870 °C (5.200 °F), der jedoch aufgrund des vorhandenen Kohlenstoffs niedriger ist als bei reinem Wolfram.

Arten von Bindemitteln für Wolframkarbid

Reines Wolframkarbid hat zwar eine ausgezeichnete Härte, ist aber spröde und zersplittert, insbesondere bei Stößen. Um seine Zähigkeit und Haltbarkeit zu verbessern, werden Wolframkarbidpulver mit metallischen Bindemitteln vermischt, bevor sie zu festen Teilen gesintert werden.

Kobalt (Co)

Kobalt ist das am häufigsten verwendete Bindemittel für Wolframkarbid. Kobaltgebundenes Wolframkarbid, oft einfach als Karbid bezeichnet, ist der Industriestandard für Schneidwerkzeuge und Verschleißteile. Der Kobaltgehalt liegt typischerweise zwischen 3% und 30% nach Gewicht, wobei höhere Kobaltanteile eine höhere Zähigkeit auf Kosten der Härte und Verschleißfestigkeit bieten. Kobalt hat hervorragende Benetzungs- und Hafteigenschaften mit Wolframkarbid, was die Herstellung hochdichter, hohlraumfreier Sinterteile ermöglicht.

Nickel (Ni)

Nickel kann als alternatives Bindemittel zu Kobalt in Wolframkarbid-Verbundwerkstoffen dienen. Im Vergleich zu Kobalt bieten Nickelbindemittel eine bessere Korrosionsbeständigkeit und eine verbesserte chemische Stabilität, insbesondere in sauren Umgebungen. Nickelgebundene Karbide weisen jedoch eine geringere Härte und Verschleißfestigkeit auf. Nickel wird manchmal in Verbindung mit Kobalt verwendet, um die Eigenschaften des Wolframkarbid-Verbundwerkstoffs zu optimieren.

Andere Bindemittel

Andere Metalle wie Chrom und Eisen werden seltener als alleinige Bindemittel verwendet, können aber mit Kobalt oder Nickel kombiniert werden, um ihnen bestimmte Eigenschaften zu verleihen:

• Chrom verbessert die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit des Wolframkarbid-Verbundwerkstoffs. Es wird häufig in Kombination mit Nickelbindemitteln verwendet.
• Eisen kann als kostengünstige Alternative oder Ergänzung zu Kobaltbindemitteln dienen. Ferrowolframkarbid hat im Vergleich zu kobaltgebundenen Sorten eine geringere Härte, aber eine höhere Zähigkeit.

Der Unterschied zwischen Wolfram und Wolframkarbid

Härte und Haltbarkeit

Wolframkarbid ist deutlich härter als reines Wolframmetall. Auf der Mohs-Härteskala liegt Wolframkarbid bei etwa 9-9,5 und ist damit fast so hart wie Diamant (10). Im Gegensatz dazu hat Wolfram eine Härte von etwa 7,5, ähnlich wie andere Hartmetalle wie gehärteter Stahl.

Die extreme Härte von Wolframkarbid sorgt für außergewöhnliche Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit. Werkzeuge und Komponenten aus Wolframkarbid behalten ihre scharfen Kanten und sind unter anspruchsvollen Bedingungen abriebfester als Wolfram. Die Härte von Wolframkarbid macht es jedoch auch spröder.

Sprödigkeit und Schlagfestigkeit

Der Nachteil der höheren Härte von Wolframkarbid ist eine höhere Sprödigkeit im Vergleich zu reinem Wolfram. Wolframmetall ist relativ duktil und hat eine bessere Schlagfestigkeit. Es kann stärkeren Schlägen standhalten, ohne abzusplittern oder zu brechen.

Bei Anwendungen mit starken Stößen oder Vibrationen ist Wolfram oft die bessere Wahl. Wolframkarbid ist besser geeignet, wenn extreme Verschleißfestigkeit erforderlich ist, die Aufprallkräfte jedoch geringer sind, wie beispielsweise bei Schneidwerkzeugen, Matrizen und Schleifmitteln.

Dichte und Gewicht

Wolfram ist eines der Metalle mit der höchsten Dichte. Seine Dichte beträgt 19,3 g/cm³ und ist damit etwa 1,7-mal so hoch wie die von Blei.

Wolframkarbid hat mit etwa 15,6 g/cm³ eine etwas geringere Dichte, ist aber immer noch deutlich schwerer als Stahl (7,8 g/cm³).

Korrosionsbeständigkeit

Sowohl Wolfram als auch Wolframkarbid weisen dank der Bildung einer dünnen Oxidschicht auf ihrer Oberfläche eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Wolframkarbid enthält jedoch typischerweise Kobalt- oder Nickelbinder, die in bestimmten Umgebungen, insbesondere unter sauren Bedingungen, anfälliger für Korrosion sein können.

Reines Wolfram bietet im Allgemeinen eine bessere Korrosionsbeständigkeit in einem breiteren Spektrum von Umgebungen. Für die anspruchsvollsten Anwendungen werden reines Wolfram oder Wolframlegierungen normalerweise Hartmetall vorgezogen.

Hitzebeständigkeit

Wolfram hat mit 3422 °C (6192 °F) den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Dadurch eignet es sich ideal für Anwendungen mit extrem hohen Temperaturen wie Glühfäden, Raketentriebwerksdüsen und Schweißelektroden.

Wolframkarbid hat einen niedrigeren Schmelzpunkt von etwa 2870 °C (5198 °F), was aber im Vergleich zu den meisten anderen Materialien immer noch außergewöhnlich hoch ist. Wolframkarbid behält bei erhöhten Temperaturen den Großteil seiner Härte und Festigkeit.

Elektrische Leitfähigkeit

Reines Wolfram ist ein guter Stromleiter und wird häufig für elektrische Kontakte und Elektroden verwendet. Sein spezifischer Widerstand beträgt 5,6 μΩ·cm und ist damit niedriger als bei Nickel und Kohlenstoffstahl.

Im Gegensatz dazu ist Wolframkarbid eher ein elektrischer Isolator mit einem viel höheren Widerstand von etwa 20 μΩ·cm oder mehr, je nach Bindematerial. Das Kobaltbindemittel in Hartmetall verleiht ihm eine gewisse Leitfähigkeit, die jedoch weit unter der von reinem Wolfram liegt.

Aussehen

Reines Wolfram hat einen grauweißen metallischen Glanz, der anderen Metallen ähnelt.

Wolframkarbid hat aufgrund seines Kohlenstoffgehalts und der Bindemittel normalerweise eine matte, graue, anthrazitfarbene Farbe. Der genaue Farbton kann je nach Verhältnis von Wolfram zu Karbid und der spezifischen Bindemittelzusammensetzung variieren.

Kosten

Wolframkarbidpulver ist billiger als reines Wolfram, da es weniger Wolfram pro Volumeneinheit verwendet.

Die Verarbeitung und das Sintern von Wolframkarbidkomponenten sind jedoch tendenziell teurer und energieintensiver. Die spröde Beschaffenheit von Hartmetall führt außerdem zu mehr Abfall bei der Bearbeitung. Fertige Wolframkarbidteile sind daher im Allgemeinen teurer als reines Wolfram.