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Neuartige kobalt- und nickelfreie Hartmetalle, herstellbar mittels additiver Fertigung

Kurzfassung

Auf Basis von neu entwickelten Wolfram-/Molybdänlegierungen können Hartmetalle mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften mittels „laser power bed fusion (PBF-LB)" ohne den Zusatz von, gesundheitsschädlich eingestuftem, Kobalt und Nickel als Bindematerial hergestellt werden.

Vorteile

  • Neuartige Hartmetalle frei von Kobalt und Nickel
  • Mikrostrukturen der Hartmetalle sind kontrollierbar
  • Kosten- und Materialeinsparungen
  • Zeiteffizientes Herstellungsverfahren
  • Herstellbar mittels additiver Fertigung (PBF-LB)

Anwendungsbereiche

Möglich sind viele unterschiedliche Anwendungen wie z.B. als Zerspanungs-, Fräs-, Umform-, Stanz- und Schneidwerkzeuge, aber auch der Einsatz bei hochbelasteten Bauteilen wie z.B. im Turbinenbau. Ebenso ist die Verwendung im Bergbau und Bauwesen denkbar.

Hintergrund

Wolframkarbid (WC) und insbesondere Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) sind sehr gute und etablierte Hartmetalle für viele unterschiedliche Anwendungen wie z. B. als Zerspanungs-, Fräs-, Umform-, Stanz- und Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von Metallen und Kompositen. Die sehr große Härte und Hochtemperatur-Verschleißfestigkeit dieser Hartmetalle und die Sintertechnologie als Herstellungsverfahren schränken jedoch die Formgebung der Werkzeuge stark ein. Deshalb werden mittlerweile additive Fertigungsprozesse bevorzugt, die eine viel größere Design-Gestaltungsfreiheit bieten und insbesondere eine endkonturnahe Fertigung ermöglichen. Dadurch können Nachbearbeitungsprozesse reduziert werden und komplexe Kühlstrukturen als Teil des bspw. Schneidwerkzeugs sind möglich, was Kosteneinsparungen bringt und vorzeitigen Verschleiß reduziert. 

Der weltweite Markt für Wolframkarbid soll bis 2027 einen Wert von über 25 Milliarden USD bei einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von ca. 8% annehmen. 

Problemstellung

Die konventionellen Bindermetalle Kobalt und Nickel sind als gesundheitsschädlich (cancerogen und allergen) eingestuft und zumindest für Kobalt besteht auch zukünftig aufgrund der weiterhin zunehmenden Verwendung ein hohes Risiko der Verknappung.  Die weltweit bekannten Kobalt-Reserven betragen ca. 25 Millionen Tonnen. Die wichtigsten Erzlagerstätten befinden sich zudem in der Demokratischen Republik Kongo und in Sambia, also in geopolitisch kritischen Ländern. Aufgrund der strategisch wichtigen Bedeutung von Kobalt als Legierungsbestanteil in elektronischen Geräten, Batterien und Katalysatoren könnte der weltweite Rohstoffbedarf an Kobalt laut Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) allein durch die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkumulatoren bis zum Jahr 2030 um mehr als das Dreifache steigen. Allein die Autoindustrie hat vor allem wegen der E-Mobilität ihre Nachfrage nach Kobalt inzwischen verfünffacht.

Eine laserbasierte additive Fertigung von Hartmetallen mit den im Stand der Technik bekannten Bindern aus Kobalt, Eisen und Nickel erreicht zudem grundsätzlich nur eingeschränkt die für einen Hartmetallkwerkstoff geforderten mechanische Eigenschaften. 

Lösung

Am Institut für Materialforschung der Hochschule Aalen wurden neuartige Hartmetalle bzw. Legierungen/Zusammensetzungen (Verbundwerkstoffe) aus Wolfram und/oder Molybdän sowie deren Karbiden entwickelt.  Diese können mittels laser powder bed fusion (PBF-LB) hergestellt werden. Dabei kann auf die Bindermetalle Kobalt und Nickel vollständig verzichtet werden. Durch die alternativen Binder werden auch die mechanischen Eigenschaften der innovativen Werkstoffe verbessert. So kann bspw. die Bildung von spröden Phasen und damit einhergehende geringe Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften vermieden werden. Die Mikrostrukturen der Hartmetalle sind kontrollierbar. Die alternativen Binder können mittels konventionellem Flüssigphasensintern nicht oder nur unter extrem hohem technischem Aufwand hergestellt werden. Insgesamt besteht nun ein zeiteffizienter sowie Kosten- und materialsparender Zugang durch Drucken zu diesen neuartigen Hartmetallen, die weder Kobalt noch Nickel enthalten.

Exposé
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TRL3
Patentsituation
DE 102023135181.8 anhängig
Referenznummer
22/008TLB
Service
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