Wolframhartmetall Umfassende Untersuchung physikalischer und chemischer Eigenschaften, Prozesse und Anwendungen ( XIV )

Teil 4: Klassifizierung und Anwendungsgebiete von Hartmetall

Kapitel 14: Neue Anwendungen und Multifunktionalität von Hartmetall

Wolframcarbid ist ein Verbundwerkstoff mit hoher Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, der pulvermetallurgisch hergestellt wird. Wolframcarbid (WC) bildet die Hartphase und Kobalt (Co) oder andere Metalle (z. B. Nickel, Ni, Chrom, Cr) bilden die Bindephase. Zu den Grundbestandteilen gehören üblicherweise WC (70–94 %), Co (6–15 %) usw. In einigen fortgeschrittenen Formeln können Elemente wie TiC hinzugefügt werden . TaC oder Pt zur Leistungsoptimierung. Dank seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften ist Hartmetall zu einem wichtigen Werkstoff in der modernen Industrie und in aufstrebenden Technologiefeldern geworden.

14.0 Eigenschaften von Hartmetall

Die Leistungsfähigkeit von Hartmetall beruht auf seiner einzigartigen Mikrostruktur und Zusammensetzung:

Hohe Härte

Der Härtebereich liegt zwischen HV 1600 und 2500 ± 30. Dank der hohen Härte von WC (nahe der von Diamant) behält es auch bei hohen Temperaturen (bis zu 1000 °C ± 20 °C) eine hervorragende Verformungsbeständigkeit.

Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit

Die Verschleißrate beträgt <0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N· m. Seine Verschleißfestigkeit ist 10-20-mal höher als die von Stahl, sodass es für Umgebungen mit hoher Abrasivität wie Schneidwerkzeuge und abrasive Verarbeitung geeignet ist.

Elektrische Leitfähigkeit

Der spezifische Widerstand beträgt <10 μΩ·cm±0,1 μΩ· cm , was nahe an dem von Metallleitern liegt und für elektronische Anwendungen geeignet ist, insbesondere in Szenarien, in denen eine effiziente Wärmeableitung erforderlich ist.

Biokompatibilität

Die Zellüberlebensrate liegt bei >95 % ± 2 % und kann nach der Oberflächenbehandlung für die In-vivo-Implantation verwendet werden, wobei eine geringe Toxizität und eine gute Gewebeverträglichkeit vorliegen.

Katalytische Leistung

Mit einem MOR-Strom (Methanoloxidationsreaktion) von >450 mA/cm² ± 10 mA/cm² zeigen WC-basierte Katalysatoren in Brennstoffzellen eine gute Leistung und erreichen nahezu die katalytische Effizienz des Edelmetalls Pt.

Thermische Stabilität

Es behält seine strukturelle Integrität bei 800 °C ± 50 °C und weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf (ungefähr 5 × 10 ⁻ ⁶ /°C ± 0,5 × 10 ⁻ ⁶ /°C), wodurch es sich für Hochtemperaturverarbeitung und Energiespeichergeräte eignet.

Mechanische Belastbarkeit

Biegefestigkeit 600–2000 MPa ± 50 MPa, Härte und Zähigkeit werden durch Anpassung des Co-Gehalts ausgeglichen.

Die Leistung von Hartmetall wurde durch Optimierung der Zusammensetzung (z. B. Co 6–15 % ± 1 % zur Kontrolle der Zähigkeit, Pt 0,5–2 % ± 0,1 % zur Verbesserung der katalytischen Leistung), Oberflächenmodifizierung (z. B. PVD/CVD-Beschichtungsdicke von 15 µm ± 0,1 µm zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit) und moderne Herstellungsverfahren (z. B. selektives Laserschmelzen (SLM, Laserleistung 200–400 W ± 10 W)) deutlich verbessert. Beispielsweise wurde die Leitfähigkeit um ca. 20 % ± 3 % erhöht, die katalytische Effizienz um ca. 30 % ± 5 % gesteigert und die Porosität auf < 2 % ± 0,1 % reduziert. Dies legt den Grundstein für multifunktionale Anwendungen.

14.0 Multifunktionale Anwendung von Hartmetall

Hartmetall hat in aufstrebenden Bereichen seine Vielseitigkeit unter Beweis gestellt. Dank seiner überlegenen Leistung (hohe Härte HV 1600–2000 ± 30, Druckfestigkeit > 3000 MPa ± 100 MPa, spezifischer elektrischer Leitfähigkeitswiderstand < 10 μΩ·cm ± 0,1 μΩ· cm , Korrosionsbeständigkeit (Korrosionsrate < 0,01 mm/Jahr ± 0,001 mm/Jahr) wird es breit in zukunftsweisenden Bereichen wie der Elektronik, Biomedizin, katalytischen Energiespeicherung und additiven Fertigung eingesetzt. Darüber hinaus hat sich die multifunktionale Anwendung von Hartmetall basierend auf der umfassenden Netzwerksuche und den neuesten Branchentrends auf weitere Bereiche ausgeweitet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die folgenden Aspekte. Dieses Kapitel beginnt mit fünf Aspekten, analysiert systematisch deren Anwendung und Entwicklungstrends und bietet eine theoretische und praktische Grundlage für die nachfolgenden Abschnitte.

Elektronische und leitfähige Teile aus Hartmetall

Die hohe elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität von Hartmetall (hält Temperaturen bis zu 800 °C ± 50 °C stand) machen es zur idealen Wahl für elektronische Formen, Wärmeableitungssubstrate und elektrische Kontaktmaterialien, insbesondere in Halbleitergehäusen (Chip-Anschlussrahmen), 5G-Geräten (Hochfrequenz-Antennenhalterungen) und Batterieanschlüssen für Elektrofahrzeuge. Online-Daten zufolge wird Hartmetall (wie WC-Ni) aufgrund seines niedrigen spezifischen Widerstands (< 8 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm ) und seiner hervorragenden Oxidationsbeständigkeit (< 0,01 % ± 0,001 %) in Werkzeugen zur Mikroelektronikverarbeitung und Bohrern für Leiterplatten mit ultrahoher Dichte verwendet und erfüllt die hohen Anforderungen an Präzision und Haltbarkeit von 5G-Basisstationen (Datenübertragungsraten > 10 Gbit/s ± 1 Gbit/s) und Quantencomputern (Betriebstemperatur < 4 K ± 0,5 K). Darüber hinaus weisen WC-basierte Verbundwerkstoffe in Kombination mit Graphen (0,2 % – 1 % ± 0,01 %) eine verbesserte Leitfähigkeit (> 150 S/cm ± 5 S/cm) auf und finden Anwendung in flexibler Elektronik (z. B. tragbaren Sensoren, Flexibilität > 90 % ± 2 %) und elektromagnetischer Abschirmung (Abschirmeffizienz > 90 dB ± 2 dB).

Biomedizinische Anwendungen von Hartmetall

Die Biokompatibilität (Zytotoxizität <5 % ± 1 %), Verschleißfestigkeit (Verschleißrate <0,05 mm³/ N·m ± 0,01 mm³/ N·m ) und hohe Härte von Hartmetall unterstützen die Entwicklung von Implantaten (wie Hüft- und Knieprothesen) und chirurgischen Instrumenten (wie Knochensägen und Bohrern), kombiniert mit Oberflächenmodifizierungstechnologien (wie Hydroxylapatitbeschichtung, Dicke 5–10 nm ± 0,1 nm), um die Anforderungen an hohe Präzision (<0,1 mm ± 0,01 mm) und Langzeitstabilität (> 10 Jahre ± 1 Jahr) von Medizinprodukten zu erfüllen. Online-Daten zufolge wird WC-Co zunehmend in Zahnimplantaten (Knochenintegrationsrate >95 % ± 2 %) und Wirbelsäulenfixateuren (Dauerfestigkeit >1200 MPa ± 50 MPa) eingesetzt. Oberflächennitrierung (N-Gehalt 1–2 % ± 0,1 %) verbessert die antibakteriellen Eigenschaften (antibakterielle Rate >90 % ± 2 %). Darüber hinaus zeigten WC-basierte Materialien aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche (>50 m²/g ± 5 m²/g) und Bioaktivität (Zelladhäsionsrate >85 % ± 2 %) Potenzial für Biosensoren (Empfindlichkeit >10³ ± 10² ) und Gerüste für das Tissue Engineering (Porosität 20–30 % ± 1 %).

Katalyse und Energiespeicherung von Hartmetall

Die katalytische Leistung von WC-Pt-Verbundwerkstoffen (MOR-Strom > 450 mA/cm² ± 10 mA/cm²) ist in Brennstoffzellen (Leistungsdichte > 1 W/cm² ± 0,1 W/cm²) und Elektrolyseuren (Wasserstoffproduktion > 1 l/min ± 0,1 l/min) hervorragend und fördert die Entwicklung sauberer Energietechnologien, insbesondere in der Wasserstoffwirtschaft (globaler Markt > 200 Milliarden US-Dollar ± 20 Milliarden US-Dollar, 2025) mit großem Potenzial. Forschungsdaten zeigen, dass Materialien auf Wolframkarbidbasis (WC) in Superkondensatoren (spezifische Kapazität > 200 F/g ± 10 F/g), Anoden von Lithium-Ionen-Batterien (spezifische Kapazität > 500 mAh /g ± 50 mAh /g) und bei der Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung (OER-Strom > 300 mA/cm² ± 10 mA/cm² ) eingesetzt wurden und dass eine WC-Mo-Dotierung (Mo 1 % – 3 % ± 0,1 %) die OER-Effizienz (Strom > 350 mA/cm² ± 10 mA/cm² ) verbessert. Darüber hinaus hat die katalytische Aktivität von Materialien auf Wolframkarbidbasis (WC ) bei der CO₂-Reduktion (Umwandlungsrate > 80 % ± 2 %) und der Ammoniaksynthese (Ausbeute > 100 mg/h·g ± 10 mg/ h· g ) aufgrund ihrer mehrphasigen Struktur und hohen Stabilität (Korrosionsbeständigkeit < 0,008 mm/Jahr ± 0,001 mm/Jahr) Aufmerksamkeit erregt und unterstützt das Ziel der Kohlenstoffneutralität (Netto-Null-Emissionen im Jahr 2040 ± 5 Jahre).

Additive Fertigung von Hartmetall

Durch 3D-Drucktechnologien wie SLM und Binder Jetting kann Hartmetall kundenspezifisch mit komplexen geometrischen Formen hergestellt werden (Präzision <0,1 mm ± 0,01 mm), die in der Luft- und Raumfahrt (Turbinenschaufeln, hohe Temperaturbeständigkeit > 800 °C ± 50 °C), im Formenbau (verschleißfeste Stanzformen, Lebensdauer > 10⁶-mal ± 10⁴-mal) und in Energieanlagen (Hochtemperaturventile, Druck > 500 MPa ± 50 MPa) eingesetzt werden, wodurch die Fertigungsflexibilität (Druckgeschwindigkeit > 100 mm³/s ± 10 mm³/s) deutlich verbessert wird. Den Informationen des gesamten Netzwerks zufolge werden DED- und EBM-Technologien für die Reparatur großer Strukturteile (Grenzflächenfestigkeit > 800 MPa ± 50 MPa) und die Herstellung von Gradientenmaterialien (Co-Gehalt 6–15 % ± 1 % Gradientenänderung) eingesetzt. Die Zugfestigkeit von WC- TiC- Verbundwerkstoffen in Hochtemperaturumgebungen (> 1000 °C ± 50 °C) liegt bei > 1300 MPa ± 50 MPa. Die additive Fertigung hat sich zudem auf Mikro- und Nanogeräte (Merkmalgröße < 10 μm ± 1 μm) und Bioprinting (Gerüstporosität 20–40 % ± 1 %) ausgeweitet und fördert so personalisierte Medizin und Leichtbaukonstruktionen.

Hartmetall für Verteidigungs- und Extremumgebungsanwendungen

Hartmetalle finden zunehmend Anwendung in der Verteidigung und in extremen Umgebungen. WC-Co wird aufgrund seiner hohen Härte (HV 1800±30) und Schlagzähigkeit (Schlagzähigkeit >20 J/cm² ± 2 J/cm²) in panzerbrechenden Sprengköpfen (Eindringtiefe >500 mm±50 mm) und ballistischen Panzerungen (Schutzstufe NIJ IV±1) eingesetzt. WC- TiC -WN-Verbundwerkstoffe behalten ihre strukturelle Integrität (Restverformung <0,1 %±0,01 %) auch bei hohen Dehnungsraten (> 10³ s⁻¹ ± 10² s⁻¹ ) .

In der Tiefseeausrüstung (Druck > 1000 bar ± 100 bar) und der Weltraumtechnik (Vakuum < 10 ⁻ ⁶ Pa ± 10 ⁻ ⁷ Pa, Temperatur -150 °C bis 200 °C ± 10 °C) werden Werkstoffe auf Wolframkarbidbasis ( WC ) aufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (5×10 ⁻ ⁶ /°C ± 0,5 × 10 ⁻ ⁶ /°C) und ihrer Korrosionsbeständigkeit (< 0,005 mm/Jahr ± 0,001 mm/Jahr) als Dichtungen und Wärmeschutzbeschichtungen (Hitzebeständigkeit > 1200 °C ± 50 °C) verwendet. Darüber hinaus weist WC ein multifunktionales Potenzial als Abschirmmaterial und Zielmaterial in der Nuklearindustrie (Strahlungstoleranz > 10 ⁶ Gy ± 10 ⁵ Gy) und bei Experimenten in der Hochenergiephysik (Teilchenstrahlstabilität > 99 % ± 0,5 %) auf .

Intelligente Fertigung und Sensoranwendung von Hartmetall

Hartmetall in Kombination mit intelligenter Fertigungstechnologie hat sich im Bereich Sensoren und Internet der Dinge etabliert. Online-Daten zufolge werden WC-basierte Materialien aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit (>100 S/cm±5 S/ cm) und mechanischen Stabilität (Druckfestigkeit >3500 MPa±100 MPa) in Drucksensoren (Empfindlichkeit >10² kPa⁻¹ ± 10 kPa⁻¹), Temperatursensoren (Reaktionszeit <0,1 s±0,01 s) und Vibrationsmonitoren (Frequenzbereich 10 Hz–10 kHz±1 Hz) eingesetzt. Integrierte Nanobeschichtungen (wie SiO ₂, Dicke 5–10 nm ± 0,1 nm) verbessern die Anpassungsfähigkeit an die Umgebung (Luftfeuchtigkeit 50–95 % RH ± 5 % RH). In Industrie 4.0 können WC-basierte intelligente Werkzeuge (Selbstdiagnoselebensdauer > 10⁵-fach ± 10⁴-fach) durch eingebettete Sensoren eine Echtzeitüberwachung (Genauigkeit ± 1 %) erreichen, den Schneidvorgang optimieren (Werkzeugverschleißrate < 0,01 mm³/N·m ± 0,001 mm³/N· m) und die Parameter für den 3D-Druck anpassen.

In diesem Kapitel werden spezifische Anwendungsfälle, technische Herausforderungen und Zukunftsaussichten in diesen Bereichen behandelt. Dabei wird aufgezeigt, wie Hartmetall durch seine Multifunktionalität immer vielfältigere industrielle Anforderungen erfüllen kann.

14.1 Elektronische und leitfähige Komponenten aus Hartmetall

In der Elektronikbranche hat Hartmetall aufgrund seiner hohen Härte (HV 1800–2200 ± 30), seines niedrigen spezifischen Widerstands (<10 μΩ·cm ± 0,1 μΩ· cm ) , seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit (> 100 W/m·K ± 5 W/ m· K ) und seiner hervorragenden thermischen Stabilität (Betriebstemperatur bis 800 °C ± 50 °C) große Beachtung gefunden. Es wird hauptsächlich in Formen und Wärmeableitungssubstraten verwendet. Formen werden für Chip-Verpackungen, Präzisionsstanzen und die Verarbeitung mikroelektronischer Komponenten verwendet und haben eine Lebensdauer von bis zu 10⁶-mal ± 10⁵-mal. Wärmeableitungssubstrate unterstützen elektronische Geräte mit hoher Leistung (wie Leistungsmodule, LEDs und Komponenten von 5G-Basisstationen) mit einer Wärmeableitungseffizienz von über 90 % ± 2 % und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (etwa 5 × 10⁻⁶/°C ± 0,5 × 10⁻⁶/°C), wodurch die Dimensionsstabilität während thermischer Zyklen gewährleistet wird. Das Material basiert hauptsächlich auf dem WC-Co-System (der Co-Gehalt von Hartmetall beträgt 6–12 % ± 1 %), die Korngröße der Hartmetall-Rohmaterialien wird auf 0,5–2 μm ± 0,01 μm kontrolliert und die elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit werden durch Dotierung mit Cu (1–5 % ± 0,5 %) oder Ni (2–8 % ± 0,5 %) optimiert. Einige High-End-Formeln fügen Pt (0,5–2 % ± 0,1 %) hinzu, um die katalytischen und leitfähigen Eigenschaften zu verbessern. Der hohe Schmelzpunkt von Hartmetall (ca. 2870 °C ± 20 °C) verleiht ihm eine hervorragende Haltbarkeit in extremen Umgebungen, und seine Korrosionsbeständigkeit (Korrosionsbeständigkeitsindex > 90 % ± 2 % kann durch PVD-Beschichtung erreicht werden) erweitert sein Anwendungsspektrum zusätzlich. Im Jahr 2025, mit der Entwicklung der Elektronikindustrie hin zu Hochfrequenz, hoher Leistung und Miniaturisierung, wird die Nachfrage nach Hartmetall in der Halbleiterfertigung, im Energiemanagement von Elektrofahrzeugen und in intelligenten Geräten weiter steigen.

In der Elektronikindustrie wird Hartmetall aufgrund seiner hervorragenden Härte (HV 1600–2000 ± 30), Verschleißfestigkeit (Verschleißrate < 0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N·m), hohen Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit > 100 W/m·K ± 5 W/ m·K ) und hohen Temperaturbeständigkeit (Temperaturbeständigkeit > 800 °C ± 50 °C) häufig zur Herstellung von Formen und Wärmeableitungssubstraten verwendet. Diese Eigenschaften ermöglichen eine gute Leistung bei der Präzisionsbearbeitung und effizienten Wärmeableitung, insbesondere in den Bereichen Halbleiter, 5G-Technologie und Elektrofahrzeuge. Mit der steigenden Nachfrage nach Miniaturisierung und hochdichter Integration elektronischer Geräte erweitern sich die Anwendungsaussichten von Hartmetall in der Elektronikindustrie weiter.

14.1.1 Hartmetallformen für die Elektronikindustrie

Hartmetallformen für die Elektronikindustrie werden zur Präzisionsbearbeitung elektronischer Bauteile eingesetzt. Sie müssen eine hohe Präzision (Bearbeitungsabweichung < 0,01 mm ± 0,001 mm), eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit (Korrosionsrate < 0,01 mm/Jahr ± 0,001 mm/Jahr) und eine lange Lebensdauer (> 10⁶-fach ± 10⁴-fach) aufweisen, um den hohen Anforderungen der Mikroelektronikfertigung gerecht zu werden. Das Material besteht hauptsächlich aus WC-Co-Systemen (Co-Gehalt 6–10 % ± 1 %). Die Korngröße der Hartmetall-Rohstoffe liegt bei 0,5–1 μm ± 0,01 μm . Zur weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit werden Oberflächenbeschichtungen (z. B. TiN, Dicke 5–15 µm ± 0,1 µm ) oder CrN ( Dicke 10–20 µm ± 0,2 µm ) eingesetzt . Die Form wird durch heißisostatisches Pressen (HIP, 1200 °C ± 10 °C, 150 MPa ± 1 MPa) oder Laser-Oberflächenbehandlung optimiert.

In der Elektronikindustrie sind Hartmetallformen aufgrund ihrer hervorragenden Härte (HV 1600–2000 ± 30), Verschleißfestigkeit (Verschleißrate < 0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N·m ) , hohen Hitzebeständigkeit (Temperaturbeständigkeit > 800 °C ± 50 °C), hervorragenden Präzision und hervorragenden Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu einem unverzichtbaren Kernwerkzeug im Herstellungsprozess elektronischer Komponenten geworden. Mit der rasanten Entwicklung der Elektronikindustrie in Richtung Ultraminiaturisierung, Hochleistung, Intelligenz, Umweltfreundlichkeit und Multifunktionalität haben sich die Anwendungsszenarien für Hartmetallformen erheblich erweitert und die Marktnachfrage steigt weiterhin stark an. Diese Formen wurden durch kontinuierliche Technologieiteration, Optimierung der Materialzusammensetzung und Innovation fortschrittlicher Herstellungsverfahren ( wie additive Fertigung, präzise Oberflächenbehandlung und intelligente Überwachungstechnologie) schnell aktualisiert und sind zu einem der wichtigsten und am schnellsten wachsenden High-End-Verbraucherbereiche in der Hartmetallindustrie geworden. Hartmetallformen finden breite Anwendung in der Halbleiterfertigung, flexibler Elektronik, 5G/6G-Kommunikation, Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik mit neuen Energien, IoT-Geräten und aufstrebenden Bereichen wie Quantencomputern und intelligenten medizinischen Geräten. Das Marktvolumen wird voraussichtlich 5 bis 500 Millionen US-Dollar erreichen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von bis zu 15 bis 20 Prozent. Dies unterstreicht die Schlüsselrolle von Hartmetall bei der Förderung des technologischen Fortschritts und der industriellen Modernisierung in der Elektronikindustrie.