Metaalbewerkende bedrijven staan over het algemeen niet te springen om met wolfraam aan de slag te gaan. Het is een kostbaar, hard en moeilijk te bewerken materiaal dat bovendien een hoge mate van broosheid heeft. Toch bieden deze uitdagingen ook kansen voor wie het materiaal goed weet te gebruiken en zich erin verdiept. Wolfraam is namelijk prima toepasbaar voor diverse veeleisende industrieën, stelt het Duitse Bayerische Metallwerke, onderdeel van Gesellschaft für Wolfram Industrie.
“Wolfraam is geen moeilijk materiaal”, stelt dr. Andreas-Gabriel Schneider, hoofd Research & Development en Quality Assurance bij Bayerische Metallwerke. “Het is wel een veeleisend materiaal, en daarin schuilt juist de kracht.”
“Beslissend is hoe en in welke toepassingen wolfraam wordt ingezet, en of je weet hoe het materiaal het best kan worden bewerkt.”
Te denken valt volgens hem aan op maat ontwikkelde wolfraamcomposieten, uitgebreide interne productiecapaciteiten en vooral expertise die verder gaat dan louter materiaalkennis. Die expertise moet zich, aldus Schneider, breder uitstrekken over producten, processen en toepassingen.
Bij het bedrijf zelf worden complexe halffabricaten en eindproducten vervaardigd uit wolfraampoeder. Dit varieert van zware legeringen en wolfraam-kopercomposieten tot functionele componenten voor elektronica, medische technologie en machinebouw.
Voordelen hebben een keerzijde
Wolfraam behoort in zijn ogen tot de technisch meest fascinerende metalen, maar tegelijkertijd ook tot de meest veeleisende.
“De uitzonderlijke eigenschappen zijn bekend: een extreem hoog smeltpunt, gecombineerd met een zeer hoge dichtheid en een uitgesproken chemische bestendigheid.”
Maar deze voordelen hebben een keerzijde. Wolfraam is hard en bros, gevoelig voor mechanische belasting en slechts met aanzienlijke inspanning te verspanen.
Daarnaast is het productieproces complex. Vanaf de winning van het erts en chemische verwerking tot metallisch poeder als tussenproduct doorloopt wolfraam talrijke energie-intensieve processtappen.
Bewerkingen: sinteren en slijpen
De bewerking tot werkstukken vindt vrijwel uitsluitend plaats via poedermetallurgische processen, zoals sinteren. Conventionele vervormings- of smeltprocessen bereiken namelijk niet alleen snel hun grenzen, ze zijn vaak simpelweg niet toepasbaar.
Gereedschappen die gebruikt worden bij de bewerking van wolfraam zijn bovendien onderhevig aan extreme slijtage. En zelfs kleine fouten kunnen leiden tot scheurvorming of componentbreuk, met hoge kosten door uitval tot gevolg.
Zuiver wolfraam is vaak alleen te bewerken door slijpen. Boren, draaien en frezen zijn vanwege de brosheid van het materiaal vrijwel onmogelijk.
Draaien en frezen wel mogelijk, maar…
Pas door gerichte toevoeging van bijvoorbeeld zeldzame-aardoxiden of thoriumoxide kunnen aanvullende bewerkingsstappen zoals draaien of frezen worden gerealiseerd. Maar dat is uitsluitend mogelijk als er een hoge mate van procesbeheersing en vakkennis aanwezig is.
Ondanks deze uitdagingen biedt wolfraam aanzienlijke potentie, juist omdat het voordelen biedt op terreinen waar andere materialen dat niet kunnen waarmaken, stelt het bedrijf.
Maatwerk materiaaloplossingen
Gesellschaft für Wolfram Industrie, moederbedrijf van Bayerische Metallwerke, ontwikkelt maatwerk materiaaloplossingen die optimaal gebruikmaken van de specifieke eigenschappen van wolfraam.
De productielocatie van Bayerische Metallwerke speelt hierin een centrale rol. De focus ligt met name op wolfraamcomposieten die de materiaaleigenschappen doelgericht uitbreiden.
Zware legeringen
Zo worden onder meer zware legeringen (THA) van wolfraam, zoals Triamet, toegepast.
Via sinteren bij de vloeistoffase smelt slechts een deel, de bindfase. Op die manier ontstaat via oplossings- en neerslagprocessen een stabiele, vrijwel porievrije microstructuur.
Een doorslaggevend voordeel hiervan is de nauwkeurige instelbaarheid van de dichtheid. Afhankelijk van de samenstelling worden waarden tussen de 12 en 18,8 g/cm³ gerealiseerd.
Dit resulteert in materialen met een hoge massa bij een beperkt volume. Het maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen als contragewichten, rotatiesystemen of trillingsdempende componenten.
Wolfraam-kopercomposiet
Een tweede product van het bedrijf is het wolfraam-kopercomposiet Tungstit. Hierbij wordt de volledige onmengbaarheid van wolfraam en koper in vaste toestand bewust benut.
In een infiltratieproces wordt een poreus wolfraamcompact doordrongen met vloeibaar koper.
Het resultaat is een composiet waarin beide materialen naast elkaar kunnen bestaan en hun eigen eigenschappen behouden. Deze structuur heeft een hoge elektrische geleidbaarheid en is bovendien slijtvast.
De samenstelling en infiltratiedichtheid kan worden gestuurd via de persdruk en de daaruit voortvloeiende porositeit. Deze liggen tussen 50 en 90 gewichts% wolfraam.
Componenten met wolfraamkern
Het portfolio wordt aangevuld met anode- en kathodecomponenten die voorzien zijn van een wolfraamkern. Deze worden vervaardigd via een speciale omhullingstechniek. Daarbij wordt de wolfraamkern in een grafiet- of keramische mal geplaatst en met koper omgoten.
Doordat het koper smelt, wordt de kern volledig ingekapseld. Vergeleken met gesoldeerde of geperste verbindingen leidt dit tot aanzienlijk betere elektrische contacten en een hogere betrouwbaarheid en levensduur, stelt het bedrijf.
Toepassingsmogelijkheden legeringen
De kracht van wolfraam ligt in de combinatie van eigenschappen, aldus het bedrijf.
“Hoge temperatuur-bestendigheid, chemische resistentie en extreme dichtheid maken het materiaal aantrekkelijk voor toepassingen waarin conventionele metalen zoals staal, aluminium of nikkellegeringen tekortschieten.”
Zware wolfraamlegeringen worden met name ingezet waar binnen een beperkte inbouwruimte een hoge massa vereist is. Denk aan contragewichten in de automotive-sector en roterende componenten in de machinebouw.
Daarnaast vormt wolfraam in de medische sector een aantrekkelijk en bovendien niet-toxisch alternatief voor lood bij stralingsbescherming, met vergelijkbare afschermingsprestaties maar betere mechanische eigenschappen.
Toepassingen wolfraam-kopercomposiet
Wolfraam-kopercomposieten vinden hun toepassing vooral in de elektrotechniek. Hier kan het bijvoorbeeld gaan om zwaarbelaste schakelcontacten, EDM-elektroden of componenten die zowel thermisch als elektrisch zwaar belast moeten kunnen worden.
De combinatie van geleidbaarheid en weerstand tegen vlamboogerosie garandeert, aldus het bedrijf, een lange levensduur en betrouwbare prestaties.
Wolfraam blijft bovendien stabiel onder extreme temperaturen. Dat maakt nauwkeurige processen mogelijk die met andere materialen niet realiseerbaar zijn.
Meerwaarde voor afnemers
“Onze taak is om de eigenschappen van wolfraam en andere materialen zodanig te combineren dat concrete voordelen en duidelijke meerwaarde voor onze afnemers ontstaan,” zegt Schneider.
“Het gaat daarbij niet alleen om het materiaal zelf, maar om de volledige procesketen.”
Expertise materiaal
Waar veel leveranciers zich richten op afzonderlijke producten of toepassingen, bestrijkt Gesellschaft für Wolfram Industrie een breed spectrum, van lastechniek tot complexe constructieve componenten.
De productielocatie in Dachau speelt hierin een belangrijke rol, met name voor toepassingen buiten de klassieke lastechniek. De productie varieert van gestandaardiseerde halffabricaten tot hooggespecialiseerde klantspecifieke componenten.
Veel producten worden op order vervaardigd en vervullen essentiële functies in sleutelprocessen, zonder zichtbaar te zijn.
Goed recyclebaar
Een bijkomend sterk punt van wolfraam is de grondstoffenefficiëntie, aangezien veel van het materiaal te recyclen is.
Een aanzienlijk deel van het hergebruikte materiaal is afkomstig uit secundaire bronnen zoals gereedschappen, elektroden of restproducten vanuit de productie zoals slib en boorkoppen.
Zelfs poederresiduen met een laag wolfraamgehalte (ook wel sweep powder genoemd) worden gerecycled en opnieuw ingebracht bij de productie.
Het recyclen van materiaal draagt niet alleen bij aan de economische haalbaarheid, maar waarborgt tevens dat de grondstof ook op de lange termijn beschikbaar blijft.
Dit aspect zal in de toekomst alleen nog maar belangrijker worden, geeft het bedrijf aan.
‘Steeds zwaardere eisen’
Hogere temperaturen, toenemende vermogensdichtheden en voortschrijdende miniaturisatie stellen steeds zwaardere eisen aan industriële materialen.
Wolfraam en zijn composieten zullen hierin een sleutelrol blijven spelen, aldus Bayerische Metallwerke.
“Wolfraam ontwikkelt zich van een moeilijk te verwerken nichemateriaal tot een strategisch inzetbare probleemoplosser in high-end toepassingen”, concludeert het bedrijf.
“De combinatie van extreme materiaaleigenschappen en geavanceerde poedermetallurgische technieken maakt nieuwe toepassingen mogelijk waar conventionele materialen tekortschieten.”
Aanbevelingen
Toch blijven knelpunten aanwezig, vooral in de vorm van complexe verwerking, hoge kosten en de noodzaak van diepgaande proceskennis.
“Bedrijven die wolfraam willen inzetten, moeten daarom investeren in materiaalkennis, procesbeheersing en samenwerking met gespecialiseerde leveranciers.”
Bayerische Metaalwerke adviseert verder: “Positioneer wolfraam niet als vervangend materiaal, maar als ‘enabling technology’.”
“Alleen door integrale benadering van ontwerp, materiaalkeuze en productieproces kan de volledige meerwaarde worden gerealiseerd.”
