23.01.2019

Mitarbeiter am SRV Tribometer

Herr Olaf Berndes vom Fachbereich Makro-Tribologie und Verschleissschutz an einem Reibungs- und Verschleißtester, dem SRV Tribometer

Quelle: BAM

„Kennt jemand Niob“? fragt Dr. Mathias Woydt in den Saal, gefüllt mit Fachleuten aus der Materialwissenschaft, Physik und Chemie. Nur wenige Hände gehen hoch. Selbst unter Experten ist das Hartmetall Niob kaum bekannt. Früher hieß es „Columbium“, aber auch mit diesem Namen verbinden die wenigsten etwas. Anders verhält es sich mit Wolfram. In der Industrie dominiert Wolframcarbid seit Jahrzehnten den Verschleißschutz. Ca. 70% des Wolframs werden als Wolframcarbid verbraucht. Man kennt es als Bestandteil von Glühbirnen, die Spitzen von Kugelschreibern sind aus Wolfram oder Bohrer von Bohrmaschinen. Maschinenbauer verwenden das Metall für Schneid- und Zerspanungswerkzeuge, es ist aber auch ein wichtiger Bestandteil von Legierungen. Wolframcarbid ist extrem hart und hat einen sehr hohen Schmelzpunkt. Es hat sich als Werkstoff vielfach bewährt.

Wolfram wird knapp

Aber nichts bleibt, wie es ist. Der weltweite Bedarf an Wolfram steigt, die Ressourcen schwinden. Nur ca. ein Viertel des verbrauchten Wolfram wird recycelt. Weltweit ist die Industrie bisher sehr stark von Rohstofflieferanten in China abhängig, denn 80 % des geförderten Wolfram stammen von dort. Darüber hinaus wird den Hartmetallen, bestehend aus Wolframcarbid, in der Verarbeitung Kobalt beigemengt, um bessere Materialeigenschaften zu erhalten. Kobalt ist jedoch stark gesundheitsgefährdend. Es gilt als Krebs verursachend und schädigt das Erbgut. Bei der Verarbeitung und beim Verschleiß von Produkten und Maschinenteilen kann Kobalt unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Die Industrie muss sich also nach einem Ersatz für Wolfram umsehen. Und sie tut gut daran, rechtzeitig damit zu beginnen.

Die Zukunft beginnt jetzt

Die Zukunft beginnt jetzt. Das dachten sich auch Dr. Woydt und seine Kollegen und Kolleginnen in der BAM, als sie in einer Kooperation mit dem brasilianischen Partner CBMM (Companhia Brasileira de Metallurgia e Mineração) begannen, die Materialeigenschaften von Niobcarbid als Hartstoff zu erforschen. Den Experten wurde sehr bald klar, dass das bis dahin wenig beachtete Hartmetall in bestimmten industriellen Anwendungen als Ersatz für das seltene Wolfram in Frage kam.

Dr. Mathias Woydt

Dr. Mathias Woydt

Quelle: BAM

Dr. Woydt ist überzeugt: „Niob hilft metallurgisch immer“. Der Stoff wird bisher vor allem als Mikrolegierungselement in Hochleistungsstählen verwendet, und die petrochemische Industrie setzt Niob gegen Wasserstoffversprödung in Pipelines ein. Außerdem hat das Niobcarbid mit 3.522°C einen noch höheren Schmelzpunkt als Wolframcarbid, und das ist ein Vorteil, wenn hohe Temperaturen an der Schneidkante der Werkzeuge oder im Betrieb von Bau- und Maschinenteilen eine Rolle spielen. Was Produktionsbetriebe besonders freut: Schneidinstrumente aus Niobcarbid bleiben länger scharf, denn sie fragmentieren weit weniger als Werkzeuge aus Wolframcarbid. Niob ist weltweit auf verschiedenen Kontinenten in großen Mengen vorhanden. 85% des Niobs kommen aus Brasilien. Und Niobcarbid wiegt die Hälfte von Wolframcarbid. Bei gleicher Masse können mit Niobcarbid also doppelt so viele Bauteile hergestellt werden als mit Wolfram. Perspektivisch könnte Niob sogar bei der Entwicklung von Kobalt-freien Batterien eine Rolle spielen. Dazu kommt der Preis: Eine Tonne Wolframcarbid kostet zurzeit ca. 85 000 Euro. Niob ist wegen des effizienteren Materialeinsatzes für Hersteller preislich viel günstiger. Viele Gründe, sich intensiver mit Niob zu beschäftigen.

Ein neuer Werkstoff wird entwickelt

Dr. Woydt und seine Kollegen und Kolleginnen machten sich an die Arbeit. 2012 begannen sie damit, Kobalt-gebundenes Wolframcarbid (WC-Co) durch Nickel-gebundenes Niobcarbid (NbC-Ni) zu ersetzen. Die Werkstoffwissenschaftler und Ingenieure versuchten es zunächst mit einer Mischung aus Niob und Kobalt, was jedoch einen Werkstoff mit geringer Zähigkeit ergab. Sie ersetzten das ohnehin problematische Kobalt durch Nickel. Die Zähigkeit nahm stark zu, aber auf Kosten der Härte. Wissenschaftliches Fein-Tuning und viele Tests waren erforderlich, um den Härteverlust zu kompensieren. Dann fehlte noch die Festigkeit. „So arbeitet man in der Metallurgie. Man kann immer nur singuläre Abhängigkeiten simulieren und vorhersagen“, weiß Dr. Woydt. Es ist ihm und seinem Team gelungen, ein stabiles Stoffsystem auf Niob-Nickelbasis mit weiteren Sekundärcarbiden zu entwickeln. „Niobcarbid-basierte Werkstoffe und Beschichtungen sind für die Zerspanung, zum Schutz vor Abrasion und für technische Tribosysteme geeignet und bieten funktionale Vorteile gegenüber Wolframcarbid. Die BAM hat die Machbarkeit gezeigt. Aber es ist noch einiges zu tun“, so Dr. Woydt. Es geht um mechanische Eigenschaften, um die Fertigung von Prüfkörpern, um die Analytik, die Prozessbedingungen, das Sintern.

Niobcarbid stark vergrößert in einem Rasterelektronenmikroskop und Fräser aus Niobcarbid

Niobcarbid stark vergrößert in einem Rasterelektronenmikroskop (links) und Fräser aus Niobcarbid (rechts)

Quelle: BAM Fachbereich Makro-Tribologie und Verschleissschutz (links) und Daniel Hinzmann, Fraunhofer IPK (rechts)

Forschung trifft Industrie

Im Laufe der Jahre arbeiteten die Experten der BAM mit verschiedenen internationalen Partnern zusammen. Außer der BAM waren die Katholieke Universiteit Leuven (Belgien), die University of the Witwatersrand, Johannesburg (Südafrika) und die kleine brasilianische Firma BRATS erfolgreich in der Entwicklung eines neuen Werkstoffs mit reproduzierbaren Eigenschaften auf der Basis von Niobcarbid. Die bisherigen Forschungsarbeiten haben nun Technikumsreife erreicht. Jetzt geht es darum, ein paar der „großen 10“ der globalen Hartmetall-Industrie für den neuen Werkstoff zu gewinnen. Nach Versuchen im Technikum und der Produktion von Kleinserien könnten die Hersteller damit in die Fertigungsstraßen gehen.

Fachbereich Makro-Tribologie und Verschleissschutz