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19-04-2021 | Metalle | Im Fokus | Article

Wie sich das spröde Wolfram verarbeiten lässt

Author:
Dieter Beste
2 min reading time

Wolfram hat mit 3422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Ein idealer Werkstoff also für Orte, an denen es richtig heiß wird – wenn sich das spröde Material nur besser verarbeiten ließe. Forscher fanden dafür jetzt einen innovativen Weg.

Das Element Wolfram mit der Ordnungszahl 74 im Periodensystem der Elemente ist ein Metall mit besonderen Eigenschaften. Das silbrig-weiß glänzende Metall schmilzt erst bei 3422 Grad Celsius und hat damit den höchsten Schmelzpunkt unter allen Metallen. Es ist ein seltenes Metall. Die Häufigkeit von Wolfram in der Erdkruste beträgt nur 0,00011 Prozent. Bernhard Adler weist in "Strategische Metalle - Eigenschaften, Anwendung und Recycling" auf ein weiteres hervorstechendes Merkmal hin: Bei Raumtemperatur hat Wolfram die hohe Dichte von 19,3 g/cm3 und ist damit so schwer wie Gold. Zudem: "Wolfram ist hart und chemisch weitgehend inert", bringt Ian Baker weitere Vorzüge dieses außergewöhnlichen Metalls im Buchkapitel "Tungsten" auf den Punkt.

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In unserem Alltag war Wolfram über rund 100 Jahre hinweg als Glühfaden in Glühlampen omnipräsent. Aber diese Ära ist weitgehend Geschichte. Heute glänzt das Metall als Wolframkarbid in Hartmetallwerkzeugen; W-C-Fe-Legierungen besitzen eine ähnlich hohe Härte wie Diamant und finden sich etwa in spanenden Schneidwerkzeugen. Die Hochtemperaturfestigkeit des Metalls nutzen Ingenieure in Raketentriebwerken, Flugzeugtriebwerken oder zur Auskleidung des Plasmagefäßes in Fusionsreaktoren.

Wegen des hohen Schmelzpunktes von Wolfram ist dessen Herstellung als kompakter Werkstoff nicht einfach. Zudem ist das Metall sehr spröde. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) fanden nun einen innovativen Ansatz, das spröde Material zu verarbeiten, indem sie für das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens neue Prozessparameter entwickelten, sodass sich nun damit auch Wolfram verarbeiten lässt. "Aktuell arbeiten wir an der additiven Fertigung von Bauteilen aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram mit dem Verfahren Electron Beam Melting, kurz EBM, auch Elektronenstrahlschmelzen genannt", sagt Steffen Antusch vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT.

Vorwärmen des Metallpulvers

EBM ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem die unter Vakuum beschleunigten Elektronen Metallpulver selektiv schmelzen und Schicht für Schicht, also additiv, ein 3D-Bauteil erzeugen. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht in der verwendeten Energiequelle, dem Elektronenstrahl. Dieser ermöglicht das Vorwärmen des Metallpulvers sowie der Trägerplatte vor dem Schmelzen und reduziert damit Verformungen und Eigenspannungen. Auf diese Weise gelingt die Verarbeitung von Werkstoffen, die bei Raumtemperatur leicht brechen und bei hohen Temperaturen verformbar sind. Allerdings müssen die verwendeten Materialien elektrisch leitfähig sein. Für keramische Werkstoffe kommt das Verfahren daher nicht in Frage.

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