Wolframkarbid als aufstrebende Legierung in der additiven Fertigung

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Aufgrund seiner überlegenen Härteeigenschaften im Vergleich zu Werkzeugstahl und seiner überlegenen Zähigkeit im Vergleich zu technischer Keramik wird Wolframkarbid in zahlreichen Branchen eingesetzt. Angesichts dieser überlegenen Eigenschaften wird Wolframcarbid am häufigsten mit Werkzeugen in Verbindung gebracht, die in Metallschneidanwendungen wie Sägen, Fräsen und Drehen verwendet werden. Viele sind überrascht, als sie erfahren, dass Wolframcarbid aufgrund seiner überlegenen Lebensdauer bei erosivem Verschleiß auch häufig in der Flüssigkeitsdosierung oder in Durchflussanwendungen eingesetzt wird. Die verbesserte Verschleißleistung von Wolframkarbid erhöht die Lebensdauer von Bauteilen wie Düsen in so unterschiedlichen Branchen wie Wasserstrahlschneiden, Öl und Gas sowie Elektronik. Während die Vorteile von Wolframcarbid vielen Ingenieuren, die diese Komponenten entwerfen, klar sind, sind die Herausforderungen bei der Herstellung eines Wolframcarbid-Teils weniger bekannt.

Zunächst sollte erklärt werden, dass „Wolframcarbid“ die Bezeichnung für eine breite Kategorie von Legierungen ist, die aus echtem Wolframcarbid zusammen mit metallischen Bindemitteln und anderen zugesetzten Carbiden (z. B. TiC und TaC) bestehen. Die beiden häufigsten metallischen Bindemittel sind Kobalt und Nickel. Metallische Bindemittel beeinflussen die Eigenschaften Härte, Zähigkeit sowie chemische Verträglichkeit. Der Gehalt an metallischen Bindemitteln kann je nach den gewünschten Eigenschaften zwischen 3 und 20 % des fertigen Materials variieren.

Flusskontrollkomponente

Pressfertiges Pulver wird hergestellt, indem Wolframkarbidpulver (WC), ein metallisches Bindemittel und ein organisches Bindemittel in einem Lösungsmittel kombiniert und das Lösungsmittel anschließend mithilfe eines Sprühtrocknungsverfahrens aus der Mischung verdampft wird. Anschließend wird das Pulver in einer Presse verdichtet, wodurch ein grüner Teil entsteht, der etwa die Stärke eines Stücks Kreide hat. Obwohl das Grünteil spröde ist, kann es mit herkömmlichen Dreh-, Fräs- und Bohrtechniken bearbeitet werden. Bei der Geometrieberechnung ist Vorsicht geboten, da der Grünling beim Sintern um bis zu 20 % schrumpft. Darüber hinaus wird das Teil bei der Temperatur während des Sinterprozesses (2500–2700 °F) beim Schmelzen des metallischen Bindemittels relativ weich und Bereiche mit dünner Wandstärke können kollabieren. Nach der Entnahme aus dem Sinterprozess befindet sich das Teil im ausgehärteten Zustand. Außerdem können aufgrund der Schrumpfraten beim Grünformen keine präzisen Merkmale erzeugt werden, was bedeutet, dass dem gehärteten Teil nach dem Sintern komplizierte und präzise geometrische Merkmale hinzugefügt werden müssen.

Im Gegensatz zu einem Stahlbauteil lässt sich Wolframkarbid im gehärteten Zustand nicht auf herkömmliche Weise drehen, bohren, fräsen oder schweißen. Stattdessen bleiben uns Schleif- und Funkenerosionsprozesse, die zeitaufwändig und teuer sind und bei denen die Fähigkeit, bestimmte Geometrien zu erzeugen, eingeschränkt ist.

Progressiver Pumpenrotor

Hier können additive Techniken wie Binder Jetting und FDM den Kunden einen Mehrwert bieten, indem sie Geometrien erzeugen, die bisher bei Wolframcarbid nicht möglich waren. Während bei der Herstellung von Pulvern, die sich zum Drucken oder Pressen eignen, Herausforderungen bestehen, werden Fortschritte gemacht, um bekannte additive Vorteile in die Welt der harten Materialien zu bringen.

Ein Beispiel dafür sind Rotoren von Exzenterschneckenpumpen (Moineau-Prinzip), deren Geometrie sich weder in einem Grünteil formen noch in einem Fertigteil schleifen ließe. Mit additiven Techniken haben Pumpenkonstrukteure ein weiteres Material in ihrem Arsenal, wenn es darum geht, abrasivem Verschleiß beim Pumpen anspruchsvoller Flüssigkeiten entgegenzuwirken.

Düse

Ein weiteres Beispiel ist die Herstellung einteiliger Düsen oder Verteiler für die Flüssigkeitsabgabe, bei denen gekrümmte Flüssigkeitswege bevorzugt werden. Noch vor wenigen Jahren hätte man gedacht, dass diese Geometrien bei Wolframkarbid unmöglich seien, was die Ingenieure gezwungen hätte, suboptimale Materialien oder weniger effiziente Geometrien zu wählen, was beides zu laufenden Wartungskosten für die Kunden führte.

Durch die Partnerschaft mit Precision Solutions by Hyperion bei komplexen Teilegeometrien profitieren Kunden von der Hartstoffkompetenz von Hyperion, aber auch von den Vorteilen modernster Fertigungstechniken, die richtig angewendet werden, um bisher unmögliche Geometrien zu liefern.

Precision Solutions by Hyperion ist dabeiauf der Additive Manufacturing Strategies, die vom 7. bis 9. Februar 2023 in New York City stattfindet. Paul Wagner, General Manager, Precision Solutions by Hyperion, wird an Sitzung 3, Panel 1: Neue Legierungen und metallische Materialien für AM, teilnehmen 7. Februar. Registrieren Sie sich hier für Ihr Ticket zur Teilnahme.

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