Wolfram Werkstoffeigenschaften und Anwendungen. Tungsten Material Properties and Applications

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1 Wolfram Werkstoffeigenschaften und Anwendungen Tungsten Material Properties and Applications

2 Wolfram Tungsten Wolfram zählt zu den Refraktärmetallen. Es besitzt den höchsten Schmelzpunkt und geringsten Dampfdruck aller Metalle. Tungsten counts as one of the refractory metals. It has the highest melting point and lowest vapour pressure of all metallic elements. Es war das Metall Wolfram mit dem 1921 die Firmengeschichte von PLANSEE begann. Auch heute noch bestimmt Wolfram neben anderen hochschmelzenden Metallen wie Molybdän, Tantal und dessen Legierungen unser Produktprogramm. It was with the production of tungsten that the story of the PLANSEE company began in Also today tungsten takes its place in our production programme, along with other high melting point metals such as molybdenum, tantalum and their alloys. Wolfram und Wolframlegierungen werden bei PLANSEE durch pulvermetallurgische Verfahren erzeugt. Ein Vorteil der Pulvermetallurgie gegenüber anderen Herstellungsvarianten ist die Feinkörnigkeit des pulvermetallurgisch hergestellten Wolframs. Sie erleichtert die Weiterverarbeitung und verleiht dem Fertigprodukt bessere mechanische Eigenschaften. PLANSEE produces tungsten and tungsten alloys by powder metallurgical processes. An advantage of powder metallurgy against other manufacturing methods is the fine grain size of the tungsten powder obtained. The fine-grained nature of tungsten manufactured by powder metallurgy simplifies further processing and conveys better mechanical properties to the finished product. Titelseite: Bild Lampe mit freundlicher Genehmigung der Firma OSRAM Coverpage: Lamp photo reproduced by courtesy of OSRAM

3 INHALT Wolfram Herstellung von Halbzeug Produktionsprogramm und garantierte Analyse Hinweise zur Werkstoffauswahl Eigenschaften von Wolfram und seinen Legierungen Chemisches Verhalten von Wolfram und seinen Legierungen Bearbeitung von Wolfram Verbindungstechnik Oberflächenbehandlung von Wolfram und seinen Legierungen PLANSEE-Lieferformen Seite CONTENTS Tungsten Page Manufacture of Semi-finished Products 4 Product Range and Chemical Composition 6 Basis for Material Selection 8 Properties of Tungsten and its Alloys 14 Chemical Behaviour of Tungsten and its Alloys 20 Machining of Tungsten 25 Joining Techniques 29 Surface Treatment of Tungsten and its Alloys 32 Available Products 34 Angaben über die Beschaffenheit bzw. Empfehlungen zur Verwendbarkeit von Werkstoffen und Erzeugnissen dienen der Beschreibung. Sie beruhen auf praktischen Erfahrungen. Angaben in Bezug auf das Vorhandensein bestimmter Eigenschaften erfolgen nach bestem Wissen, jedoch ohne Gewähr. Diesbezügliche Zusagen bedürfen stets gesonderter schriftlicher Vereinbarung. Alle Rechte, insbesondere das der Übertragung in fremde Sprachen, vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung von PLANSEE ist es nicht gestattet, diese Broschüre oder Teile daraus zu vervielfältigen. Data concerning the condition or recommendations for the use of materials and products are given for information only. All data are based on practical experience. Information referring to the existence of specific properties is given to the best of our knowledge, but does not imply any guarantee. Any assurances in this respect must always be obtained specifically in writing. All rights reserved, in particular for translation into foreign languages. Reproduction of any part of this brochure is not permitted without the express consent of PLANSEE.

4 Herstellung von Halbzeug Manufacture of Semi-finished Products Der durchschnittliche Gehalt von Wolfram in der Erdkruste beträgt 1.25 g/tonne. Neben den Mineralien Ferberit (FeWO 4 ), Hübnerit (MnWO 4 ) und Wolframit ((Fe, Mn)WO 4 ) ist vor allem der Scheelit (CaWO 4 ) wichtigstes Ausgangsprodukt für die Herstellung von Wolfram. Die größten Wolframvorkommen sind in China, Russland, Kanada und Nordamerika, aber auch in Österreich wird Wolfram abgebaut. Die Erze werden vorwiegend über Brechen, Mahlen und anschließende Flotation von den Begleitmineralien getrennt. Über mehrere Zwischenschritte wird das Ammoniumparawolframat (APW-(NH 4 ) 2 WO 4 ) gewonnen, welches durch Erhitzen unter Abdampfung des Ammoniaks zu Wolframoxid (WO 3 ) oder Wolframblauoxid (WO 3-x ) umgewandelt wird. Die Ausgangsmaterialien für die Wolframpulverherstellung über Wasserstoffreduktion sind das Ammoniumparawolframat ((NH 4 ) 2 WO 4 ), das Wolframoxid (WO 3 ) und das Wolframblauoxid (WO 3-x ). Die Reduktion erfolgt bei Temperaturen zwischen 700 C C ( K). In Abhängigkeit von der Reduktionstemperatur und des Wasserstofftaupunktes können unterschiedliche Korngrößen eingestellt werden. Die Reinheit der Metallpulver liegt über %. Zur Produktion von gedopten Wolframwerkstoffen und Wolframlegierungen werden die Dotier- bzw. Legierungselemente entweder vor der Reduktion über Sol-Gel-Verfahren in die Ausgangsstoffe eingebracht oder danach dem Metallpulver beigemischt. Nach der Reduktionsstufe wird das Pulver gesiebt und homogenisiert. Vorwiegend über Matrizenpressen und kaltisostatisches Pressen (CIP) erfolgt die erste Verdichtungsstufe des Pulvers zu unterschiedlichen Platten- und Stabgeometrien. On average the Earth s crust contains around 1.25 g/tonne of tungsten. Along with the minerals Ferberite (FeWO 4 ), Hubnerite (MnWO 4 ) and Wolframite ((Fe,Mn)WO 4 ), Scheelite (CaWO 4 ) is the most important ore involved in tungsten production. The largest deposits are found in China, Russia, Canada and North America, although tungsten is also mined in Austria. The ores are separated from their by-products mainly by crushing and grinding, followed by fl otation. Ammonium paratungstate (APT-(NH 4 ) 2 WO 4 ) is recovered after several intermediate steps, and this is converted to tungsten oxide (WO 3 ) or tungsten blue oxide (WO 3-x ) by heating to evaporate ammonia. Tungsten powder is obtained from ammonium paratungstate ((NH 4 ) 2 WO 4 ), tungsten oxide (WO 3 ) and tungsten blue oxide (WO 3-x ) by hydrogen reduction at temperatures in the range 700 C C ( K). Various grain sizes can be produced depending on the reduction temperature and the hydrogen dew-point. Purity of the metal powder is above %. In the manufacture of doped or alloyed tungsten products, the doping or alloying elements are either introduced into the raw materials prior to reduction using the sol-gel process, or they can be added to the metal powder after reduction. Following the reduction stage the powder is sieved and homogenised. The initial densifi cation of the powder to various plate and rod geometries takes place predominantly through die pressing and cold isostatic pressing. W-Bleche Tungsten sheets W-Stäbe mit geschliffener Oberfl äche Tungsten rods with ground surface 4

5 Schematischer Ablauf der Herstellung von Halbzeug Schematic fl ow of the production of semi-fi nished products Die Presslinge werden anschließend meist in H 2 gefl uteten Öfen bei Temperaturen zwischen C ( K) gesintert. Die Dichte und Festigkeit der Presslinge wird dabei erhöht. Die Umformung der Sinterlinge durch unterschiedliche Umformverfahren, wie beispielsweise Walzen, Schmieden und Hämmern erfolgt bei Temperaturen bis zu 1600 C (1873 K). Zwischenglühungen zur Erholung und Rekristallisation sind notwendig, um ausreichende Umformgrade aufbringen zu können. Mit zunehmendem Umformgrad kann die Verarbeitungstemperatur gesenkt werden. Auf diese Weise werden Schmiedeteile, Bleche und Folien erzeugt. Drähte werden durch Walzen und Ziehen von Rundstäben hergestellt. The pressed compacts are subsequently sintered at temperatures between C ( K), mostly using furnaces with hydrogen fl ow. This increases the density and the strength of the pressed blanks. Deformation of the sintered blanks takes place at temperatures up to 1600 C (1873K), using for example rolling, forging and swaging. Intermediate annealing, leading to recovery and recrystallization, is necessary to maintain suffi cient workability. The working temperature can be reduced as the degree of deformation increases. In this way forged parts, sheets and foils are produced. Wires are produced from rods by rolling and drawing. 5

6 Produktionsprogramm und garantierte Analyse Production Programme and guaranteed Analysis Nachstehend angeführte Werkstoffe werden gefertigt. The following materials are produced. Werkstoffbezeichnung / Material designation Chemische Zusammensetzung (Angaben in Gew.%) Chemical composition (weight%) W (rein / pure) > % W-UHP (hochrein / ultra high purity) > % - W ppm K WVM (Vakuum-Metallisieren / vacuum metallizing) WVMW S-WVMW W ppm K W ppm K WVMT10 W ppm K 1.0 % ThO 2 WVMWT W 5-30 ppm K 2.0 % ThO 2 WC WC20 W 2.0 % CeO 2 WL WL10 W 1.0 % La 2 O 3 WL15 W 1.5 % La 2 O 3 WT20 W 2.0 % ThO 2 WT WVMT10 WVM 1.0 % ThO 2 WVMWT WVMW 2.0 % ThO 2 WRe W5Re W26Re W 5.0 % Re W 26.0 % Re WCu - W % Cu W-Schwermetall-Legierungen mit hoher Dichte Tungsten heavy metall alloys (high density) Densimet Inermet > 90 % W, Rest/balance Ni, Fe (Mo) > 90 % W, Rest/balance Ni, Cu 6

7 Chemische Spezifikation festen metallischen Wolframs Chemical specification of solid metallic tungsten Element Element Garantierte Analyse max. [µg/g] Guaranteed analysis max. [μg/g] Typische Analyse [µg/g] Typical analysis [μg/g] Ag 10 < 5 Al 15 5 As 5 < 2 Ba 5 < 2 Ca 5 < 2 Cd 5 < 2 Co 10 < 2 Cr 20 < 5 Cu 10 < 5 Fe K 10 5 Mg 5 < 2 Mn 5 < 2 Na 10 < 2 Nb 10 < 5 Ni 5 < 2 Pb 5 < 2 Ta 20 < 10 Ti 5 < 2 Zn 5 < 2 Zr 5 < 2 Mo W min % *) % *) *) metallische Reinheit ohne Mo / metallic purity excluding Mo C H 5 2 N 5 < 2 O 20 5 P 20 < 10 S 5 < 2 Si

8 Hinweise zur Werkstoffauswahl Basis for Material Selection Die richtige Werkstoffauswahl hängt vom konkreten Anwendungsfall ab. Wichtige Kriterien können dabei sein: Physikalische Eigenschaften (z.b. Schmelzpunkt, Dampfdruck, Dichte, elektrische Leitfähigkeit, Wärme leitfähigkeit, Wärmeausdehnung, Wärmekapazität, Benetzungsverhalten) Mechanische Eigenschaften (z.b. Festigkeiten, Bruchverhalten, Kriechverhalten, Duktilität) Chemische Eigenschaften (Korrosionsbeständigkeiten, Ätzverhalten) Bearbeitbarkeit (spanabhebende Bearbeitung, Verformungsverhalten, Schweißeignung) Gefüge und Rekristallisations - verhalten (Rekristallisationstemperatur, Versprödungsneigung, Alterungseffekte, Korngröße) Die maximale Einsatztemperatur von Wolfram liegt bei etwa 2900 C (3173 K) und stellt damit die höchstmögliche Anwendungs temperatur aller Metalle dar. Durch geeignete Legierungszusammen setzung und Herstellprozesse lassen sich die Eigenschaften der Wolframwerkstoffe in weitem Maße variieren. PLANSEE hat daher verschiedene Wolframlegierungen für unterschiedliche Anwendungsfälle entwickelt. Reine und dotierte Wolframwerkstoffe werden in der Lichtindustrie, Elektroindustrie, Medizintechnik, Dünnschichttechnik, als Schweißelektroden und im Hochtemperaturofenbau genutzt. Außerdem wird Wolfram als Hauptkomponente für Wolfram-Rhenium-Legierungen, Verbundwerkstoffe (Wolfram-Kupfer) und für Wolfram-Schwermetall-Legierungen mit hoher Dichte (Densimet und Inermet ) eingesetzt. The correct choice of material depends on the exact application. Important selection criteria can be: Physical properties (e.g. melting point, vapour pressure, density, electrical and thermal conductivity, thermal expansion coeffi cient, heat capacity, wetting behaviour) Mechanical properties (e.g. strength, toughness, creep resistance, ductility) Chemical properties (corrosion resistance, etching behaviour) Workability (machinability, formability, suitability for welding) Structure and recrystallization behaviour (recrystallization temperature, embrittlement tendency, aging effects, grain size) Tungsten exhibits the highest operating temperature of all metals at around 2900 C (3173K). Its properties can be varied widely by suitable alloy compositions and production processes. Therefore PLANSEE has developed various grades of tungsten for differing applications. Pure and doped tungsten is used in the lighting industry, electronics, medical applications and thin-fi lm technology as well as for welding electrodes and in the construction of high-temperature furnaces. Additionally tungsten is the main component of tungsten-rhenium alloys, composite materials (tungsten-copper) and for high-density heavy-metal alloys (Densimet and Inermet ). 8

9 Die am häufi gsten verwendeten Wolframwerkstoffe werden nachfolgend kurz beschrieben: The most commonly used grades of tungsten are briefl y described below: W (Wolfram) als reines Metall zeigt folgende Eigenschaften: Hoher Schmelzpunkt von 3420 C (3693 K) Niedriger Dampfdruck Hohe Warmfestigkeit Geringe thermische Dehnung Hohe Wärmeleitfähigkeit Hoher Elastizitätsmodul Hohe Dichte Hohes Absorptionsvermögen für ionisierende Strahlung Hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren und Metallschmelzen Rekristallisation zwischen 1100 C und 1400 C (1373 K und 1673 K) W (Tungsten) as a pure metal exhibits the following properties: High melting point of 3420 C (3693K) Low vapour pressure High hot strength Low thermal expansion High thermal conductivity High Young s modulus High density High absorption capacity for ionising radiation High corrosion resistance against acids and molten metals Recrystallization temperature between 1100 C and 1400 C (1373K and 1673K) W-Drähte Tungsten wires Wolfram kommt meistens dotiert zum Einsatz. Reines Wolfram wird nur in wenigen Anwendungen, wie z.b. in der Beschichtungsindustrie mit Tiegeln und Sputtertargets sowie im Hochtemperaturofenbau mit Heizeinrichtungen und Wärmestrahlabschirmungen verwendet. Für spezielle Anwendungen wird Wolfram auch mit einer defi nierten Restporosität bis 35 Vol.-% angeboten. Tungsten is commonly used a as doped metal. Pure tungsten is used only in a few application fi elds such as the coating industry with crucibles and sputter targets and high-temperature furnace construction with heating elements and heat shields. For special applications, tungsten with a defi ned residual porosity of up to 35 volume percent is also produced. Sputtertarget für die Mikroelektronik Sputtering target for microelectronics W-UHP (Wolfram-Ultra-High-Purity) Durch Verwendung von Wolframpulver mit einer Reinheit von % wird ein Ausgasen von Fremdstoffen verhindert. Diese Werkstoffqualität wird für Elektroden in Hochdruckentladungslampen verwendet und garantiert infolge der hohen Werkstoffreinheit eine gleichbleibende Lampenqualität bei verlängerter Lebensdauer. W-UHP (Ultra high purity Tungsten) By using tungsten powder with a purity of % outgassing of impurities can be avoided. This material quality is used for electrodes in HID lamps and through its high purity guarantees consistent lamp quality and increased lifetimes. 9

10 WVM (Wolfram-Vacuum-Metallizing) WVM ist ein im ppm-bereich mit Aluminium-Kalium-Silikat gedoptes Wolfram, das über wiegend in Stab- und Drahtform angeboten wird. Durch die Dotierung in Zusammenspiel mit starker orientierungsabhängiger Verformung stellt sich ein Stapelgefüge ein, welches erhöhte Formstabilität bei hohen Temperaturen und eine bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber geschmolzenen Metallen bewirkt. WVM wird als Einzeldraht oder in mehrfach verdrillter Ausführung für Verdampferwendeln, Glühdrähte, bzw. als Einzelstab für Lampenelektroden sowie für Stehanoden in der Röntgendiagnostik eingesetzt. WVM (Vacuum-Metallising Grade Tungsten) WVM material is tungsten doped with ppm levels of aluminium potassium silicate and is produced principally as rod and wire. The combination of doping and highly directional deformation develops a longitudinal grain structure, which results in an increased recrystallization temperature, improved high-temperature sag-resistance and greater corrosion resistance against molten metals. WVM is used as single or multiple-stranded wire for evaporation coils and furnace elements. WVM rods also find applications as lamp electrodes and stationary anodes for X-ray diagnostics. WVM-Drähte in mehrfach gedrillter Ausführung Multiple-stranded WVM wire Anode aus WVMW WVMW anode WVMW / S-WVMW (WVM-Wolfram / Super-WVMW) Diese Werkstoffgruppe weist durch die Feinkörnigkeit und Kornstabilität eine bessere Duktilität, ein besseres Abbrandverhalten und eine bessere Bearbeitbarkeit im Vergleich zu reinem Wolfram auf. Bei der Qualität S-WVMW wird durch ein spezielles Fertigungsverfahren eine deutliche Erhöhung der Dichte im Stabzentrum erreicht, insbesondere bei größeren Stabdurchmessern. Vorwiegend werden diese Werkstoffe als Anodenmaterial in der Lichtindustrie für Kurzlichtbogenlampen eingesetzt. WVMW / S-WVMW (WVM Tungsten / Super WVM Tungsten) Because of its fine grain size this group of materials shows better ductility, improved arcing resistance and better working characteristics than pure tungsten. In the case of the S-WVMW quality, a special production process results in a significant increase in the density in the core of the material, especially for larger rod diameters. The principal application of this material is as anodes in short arc lamp manufacturing. WVMT10 / WVMWT (dotiertes WVM) Eine kombinierte Dotierung mit Aluminium-Kalium-Silikat und Thoriumoxid (ThO 2 ) bewirkt eine hohe Hochtemperaturformstabilität bei gleichzeitiger Absenkung der Elektronenaustrittsarbeit. Damit eignen sich diese Werkstoffe hervorragend für den Einsatz als hochbelastete Kathoden. Das mit 1 Gew.-% ThO 2 dotierte WVM ist zu Drähten mit einem Durchmesser 0.5 mm verformbar. Das höher dotierte WVMWT wird für größere Stabdurchmesser eingesetzt. WVMT10 / WVMWT (Thoriated WVM) Doping with a combination of aluminium potassium silicate and thoria (ThO 2 ) gives rise to increased high-temperature sag resistance and a reduction of the electron work function. This makes these materials ideally suited for highlyloaded cathodes. WVMT, which is doped with 1 weightpercent ThO 2, can be drawn to wire with diameter 0.5 mm. The more highly doped WVMWT is used for larger-diameter rods. 10

11 WT20 (Wolfram-Thoriumoxid) Dieser Werkstoff wurde speziell für Lampen- und Schweißelektroden entwickelt. Das Dotieren mit 2 Gew.-% führt zu einer Verringerung der Elektronenaustritts arbeit und bewirkt eine höhere Rekristallisationstemperatur bei verbesserter Warmfestigkeit. Der Werkstoff lässt sich zudem gut mechanisch bearbeiten. WT20 (Thoriated Tungsten) This material was developed specially for lamp and welding electrodes. Doping with 2 weight-percent thorium oxide leads to a reduction in the electron work function and increases the recrystallization temperature and high-temperature strength. Additionally the material can be readily machined. Thorierte W-Kathoden Thoriated tungsten cathodes WC20 (Wolfram-Ceroxid) WC20 stellt eine Alternative zu WT20 als Lampen- und Schweißelektrodenwerkstoff dar. Durch das Dotieren mit 2 Gew.-% Ceroxid wird neben der Verminderung der Elektronenaustrittsarbeit auch das Zündverhalten verbessert und die Standzeit durch eine geringere Abbrandrate verlängert. WC20 (Ceriated Tungsten) WC20 is an alternative to the WT20 lamp and welding electrode. Doping with 2 weight-percent cerium oxide reduces the electron work function and improves the ignition behaviour and the lifetime by reducing the rate of arcing erosion. Schweißelektroden aus WC20 WC20 welding electrodes Ionenimplanterteile Parts for ion implantation WL10 / WL15 (Wolfram-Lanthanoxid) Durch das Dotieren mit 1-1,5 Gew.-% Lanthanoxid (La 2 O 3 ) wird die Kriechbeständigkeit und die Rekristallisationstemperatur gegenüber reinem Wolfram erhöht. Zu dem führen die Oxidpartikel im Gefüge zu einer wesentlichen Verbesserung der mechanischen Bearbeitbarkeit, die bei reinem Wolfram sehr schwierig ist. Darüber hinaus wird durch die Zugabe von Lanthanoxid die Elektronenaustrittsarbeit deutlich abgesenkt. Bevorzugtes Einsatzgebiet für WL10 stellen mechanisch zu bearbeitende Teile für verschiedenste Anwendungen (z.b. Ionenquellen, Lampenelektroden) sowie im Fall von WL15 Schweißelektroden dar. WL10 / WL15 (Lanthanated Tungsten) Doping with weight % lanthanum oxide increases the creep strength and recrystallization temperature in comparison to pure tungsten. In addition the oxide particles in the structure help to eliminate the poor machinability associated with pure tungsten. The addition of lanthanum oxide also significantly reduces the electron work function. WL10 is preferred for machined components in a wide variety of applications (e.g. ion source components, lamp electrodes) whereas WL15 is used for welding electrodes. WRe (Wolfram-Rhenium) Durch das Zulegieren von Rhenium wird eine Duktilisierung des Wolframs mit herabgesetzter Übergangstemperatur (Übergang vom spröden in den duktilen Werkstoffzustand) erreicht. Zudem wird eine Erhöhung der Rekristallisationstemperatur und Kriechfestigkeit erzielt. WRe wird als Thermoelementmaterial für Einsätze bis über 2000 C (2273 K) in den Standardzusammensetzungen W5Re und W26Re, aber auch in der Lampen-, Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. 11 WRe (Tungsten-Rhenium) Alloying with rhenium improves the ductility of tungsten and reduces the ductile-to-brittle transition temperature. It also increases the recrystallization temperature and creep strength. WRe is used for high-temperature thermocouples (application temperature above 2000 C / 2273K) in standard compositions W5Re and W26Re. It also has applications in lamps and in the aerospace industry.

12 Wärmesenken aus WCu WCu heat sinks WCu (Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffe) WCu-Verbundwerkstoffe stellen eine eigene Werkstoffgruppe innerhalb der PLANSEE-Hochleistungswerkstoffe dar. Sie werden vorzugsweise im Hochspannungsschalterbau (Markenname Elmet), als passive Kühlelemente (Wärmesenken) in der Elektronikindustrie und für Erodierelektroden (Markenname Sparkal ) eingesetzt. Bei diesen Verbundwerk stoffen ist eine poröse Wolfram-Matrix mit Gew.-% Kupfer infiltriert. Aus dieser Struktur und Werkstoffkombination resultieren die besonderen Eigenschaften von WCu: Hohe Abbrandfestigkeit in Verbindung mit guter elektrischer Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmeausdehnung sowie einfache mechanischer Bearbeitbarkeit. WCu (Tungsten Copper Composite Materials) WCu composite materials represent a distinct group of products within the range of PLANSEE high-performance materials. Their preferred applications are in high-voltage circuit breaker construction (brand name Elmet), as heat sinks in the electronics industry and for spark-erosion electrodes (brand name Sparkal ). In these composite materials a porous tungsten matrix is infiltrated with weight % copper. The special properties of WCu, which result from its structure and material combination, are high arcing resistance, good electrical conductivity, high thermal conductivity and low thermal expansion, as well as good machinability. W-Schwermetall-Legierungen mit hoher Dichte Die Werkstoffgruppe der hochdichten Wolframlegierungen umfasst unterschiedliche Legierungen auf Basis der Systeme Wolfram-Nickel-Eisen, Wolfram-Nickel-Kobalt und Wolfram-Nickel- Kupfer. Bei diesen Werkstoffen werden die hohe Dichte, die mechanischen Dämpfungseigenschaften und das hohe Absorptionsvermögen gegen Röntgen- und Gammastrahlen von Wolfram ausgenutzt. Zum Einsatz kommen diese Werkstoffe bei Ausgleichsgewichten und Dämpfungselementen in Motoren und Triebwerken sowie bei der Abschirmung von Gammastrahlen und der Fokussierung von Strahlungen (Kollimatoren und Abschirmungen in der Nuklearmedizin und in Röntgendetektoren). Durch die Zugabe von Nickel, Eisen, Kobalt und Kupfer wird erreicht, dass die Werkstoffe wesentlich duktiler und leichter mechanisch zu bearbeiten sind als reines Wolfram. PLANSEE bietet hochdichte Wolframlegierungen mit verschiedenen Eigenschaften unter den Markennamen Densimet und Inermet an. Detaillierte Informationen zu diesen Legierungen sind der Broschüre Densimet -Inermet -Wolframlegierungen zu entnehmen. Die folgende Tabelle vermittelt einen Überblick über die Eigenschaften der Wolframlegierungen im Vergleich zu reinem Wolfram. Tungsten Heavy Metal Alloys This group of high-density tungstenbased materials contains a wide range of tungsten-nickel-iron and tungstennickel-copper alloys. Useful properties are high density, vibration damping capability and high capacity to absorb X-rays and gamma radiation. The main applications are balance weights and vibration-damping components in engines and turbines as well as collimators (for focussing X-rays) and shielding components in nuclear medicine. These materials are significantly more ductile and easier to machine than pure tungsten, because of the additions of nickel, iron and copper. PLANSEE supplies high-density tungsten alloys with a variety of properties under the brand names Densimet and Inermet. Detailed information on these alloys can be found in our brochure Densimet - Inermet Tungsten Alloys. The following table gives an overview of the properties of the various tungsten alloys in comparison to pure tungsten. Kollimator aus Densimet Densimet collimator Ausgleichsgewichte aus Densimet Densimet balance weight 12

13 Eigenschaft Property W W-UHP WVM WVMW S-WVMW WVMT10 WVMWT Legierungs bestandteile (in Gew.-%) Alloy constituents (in weight%) W W ppm K W ppm K W ppm K 1.0 % ThO 2 W 5-30 ppm K 2.0 % ThO 2 Wärmeleitfähigkeit Thermal conductivity Hochtemperatur-Festigkeit Kriechfestigkeit High temperature strength Creep resistance Rekristallisations temperatur Recrystallization temperature Feinkörnigkeit / Fine grained Duktilität / Ductility Bearbeitbarkeit / Verformbarkeit Machinability / Formability Elektronen austrittsarbeit Electron work function Eigenschaft Property WT20 WC20 WL10 WL15 WRe WCu W-Legierungen mit hoher Dichte High-density W Alloys Legierungs bestandteile (in Gew.-%) Alloy constituents (in weight%) W W 2.0 % ThO % Ce0 2 W 1.0 % La 2 O % La 2 O 3 W 5 % Re; W 26 % Re % Cu W-Ni-Fe >90 % (Ni, Fe, Mo); W-Ni-Cu >90 % (Ni, Cu) Wärmeleitfähigkeit Thermal conductivity Hochtemperatur-Festigkeit Kriechfestigkeit High temperature strength Creep resistance Rekristallisations temperatur Recrystallization temperature - - Feinkörnigkeit / Fine grained - Duktilität / Ductility Bearbeitbarkeit / Verformbarkeit Machinability / Formability Elektronen austrittsarbeit Electron work function - - = vergleichbar zu reinem W / comparable with pure W, = größer als bei reinem W / more than with pure W = viel größer als bei reinem W / far more than with pure W, = geringer als bei reinem W / less than with pure W, = viel kleiner als bei reinem W / far less than with pure W, - = keine Angaben / no details 13

14 Eigenschaften von Wolfram und seinen Legierungen Properties of Tungsten and its Alloys Physikalische Eigenschaften des reinen Wolframs Physical properties of pure tungsten Eigenschaften / Properties Ordnungszahl / Atomic number 74 Atommasse / Atomic mass [g/mol] Schmelzpunkt / Melting point 3420 [ C] 3693 [K] Siedepunkt / Boiling point 5900 [ C] 6173 [K] Atomvolumen / Atomic volume [m 3 ] Dampfdruck / Vapour pressure bei 1800 C (2073 K) / at 1800 C (2073 K) [N/m 2 ] bei 2800 C (3073 K) / at 2800 C (3073 K) [N/m 2 ] Atomvolumen / Atomic volume [m 3 ] Dichte bei 20 C (293 K) / Density at 20 C (293 K) 19.3 [g/cm 3 ] Kristallstruktur / Crystal structure Gitterkonstante / Lattice constant kubisch raumzentriert body-centred cubic [m] Härte bei 20 C (293 K) Hardness at 20 C (293 K) Spannungsarmgeglüht / stress-relieved Rekristallisiert / recrystallized > 460 [HV30] ~ 360 [HV30] E-Modul bei 20 C (293 K) / Young s Modulus at 20 C (293 K) Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 20 C (293 K) Coefficient of linear thermal expansion at 20 C (293 K) Wärmeleitfähigkeit bei 20 C (293 K) / Thermal conductivity at 20 C (293 K) Spezifische Wärme bei 20 C (293 K) / Specific heat at 20 C (293 K) Elektrische Leitfähigkeit bei 20 C (293 K) / Electrical conductivity at 20 C (293 K) Spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 C (293 K) Specific electrical resistivity at 20 C (293 K) Schallgeschwindigkeit bei 20 C (293 K) Acoustic velocity at 20 C (293 K) Elektronenaustrittspotential / Electron work function Einfangquerschnitt für thermische Neutronen Thermal neutron capture cross section Longitudinalwelle / Longitudinal wave Transversalwelle / Transverse wave 410 [GPa] [m/(m K)] 164 [W/(m K)] 0.13 [J/(g K)] [1/(Ω m)] [(Ω mm 2 )/m] 5180 [m/s] 2870 [m/s] 4.54 [ev] [m 2 ] 14

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16 Mechanische Eigenschaften von Wolfram und Wolframlegierungen Mechanical Properties of Tungsten and Its Alloys Wolfram nimmt im Periodensystem der Elemente einen Platz in der gleichen Gruppe wie Molybdän (Gruppe VIa) ein. Daher zeigt Wolfram einen mit Molybdän vergleichbaren Verlauf der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Prüftemperatur. Durch den höchsten Schmelzpunkt von 3420 C (3693 K) aller Elemente besitzt Wolfram eine hohe Warmfestigkeit. Verbunden mit dem hohen E-Modul zeichnet sich Wolfram durch eine hohe Kriechfestigkeit aus. Die mechanischen Eigenschaften von Wolfram werden durch die Reinheit, Art und Menge der Legierungsbestandteile, die Wärmebehandlung (Glühzustand) und die Mikrostruktur beeinfl usst. Wolfram hat ein kubisch raumzentriertes Gitter und besitzt bei Raumtemperatur nur geringe Duktilität. Die spröd- duktil- Übergangstemperatur kann durch Verformung und Legieren zu niedrigeren Temperaturen verschoben werden. Mit zunehmendem Verformungsgrad steigt die Festigkeit an - im Gegensatz zu anderen Metallen nimmt auch die Duktilität zu. Durch Legieren mit Rhenium kann die Duktilität bei Raumtemperatur verbessert werden. Durch die Zugabe geringer Mengen von Cer- oder Lanthanoxid können die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Kriecheigenschaften, deutlich verbessert werden. Abhängig von kundenspezifi schen Anforderungen und Einsatzgebieten kommen unterschiedliche Wolframlegierungen zum Einsatz. Tungsten is found in the same group as molybdenum in the periodic table of elements (Group VIa). Consequently it shows a similar dependence of test temperature on its mechanical properties. Tungsten has the highest melting point of all elements (3420 C / 3693K), and therefore exhibits a high hot-strength. It also has a high elastic modulus and high creep resistance. The mechanical properties of tungsten are infl uenced by purity, the type and amount of any alloying elements, heat treatment (annealing condition) and microstructure. Tungsten has a body-centred cubic lattice structure and exhibits very low ductility at room temperature. The ductile-to-brittle transition temperature can be reduced by mechanical working and alloying. Strength increases with increasing degree of deformation - however unlike with most other metals, working also increases the ductility. Room-temperature ductility can be improved by alloying with rhenium. The mechanical properties, especially creep strength, can be improved signifi - cantly by the addition of small quantities of oxides of cerium or lanthanum. Various tungsten alloys are used depending on specifi c customer requirements and areas of application. More information on the properties of high-density tungsten alloys can be found in the brochure Densimet - Inermet. Nähere Informationen zu den mechanischen Eigenschaften der hochdichten Wolframlegierungen sind der Broschüre Densimet -Inermet zu entnehmen. 16

17 Für den Einsatz bei hohen Temperaturen ist die Kenntnis der Rekristallisationstemperatur von Bedeutung, da die mechanischen Eigenschaften wie Duktilität und Bruchzähigkeit mit steigendem Rekristallisationsgrad abnehmen. Durch das Einbringen von kleinen Oxidteilchen (z.b. Lanthan- oder Ceroxid), kann der Beginn der Rekristallisation zu höheren Temperaturen verschoben werden. Werden jene Legierungen weiter verformt und dadurch die Oxidteilchen zerkleinert, ist ein starker Anstieg der Rekristallisationsstarttemperatur zu verzeichnen (siehe Tabelle). For high-temperature applications some knowledge of the recrystallization temperature is important, because properties such as ductility and fracture toughness decrease with increasing levels of recrystallization. The onset of recrystallization can be delayed by the addition of small oxide dispersoids (e.g. of lanthanum and cerium). Increasing mechanical working of the alloy results in ever fi ner oxide particles and a corresponding increase in the recrystallization start temperature (see table). Rekristallisationstemperaturen von Wolfram-Basiswerkstoffen Recrystallization temperatures of tungsten-based alloys Werkstoff Material Temperatur [ C] für 100 % Rekristallisation (Glühdauer 1 Stunde) Temperature [ C] for 100 % recrystallization (annealing duration 1 hour) φ = 90 % φ = % W (rein / pure) WVM WT WC WL WL W5Re W26Re

18 Lichtmikroskopische Aufnahme eines W-Bleches (spannungsarmgeglüht) Optical micrograph of a W sheet (stress relieved) Lichtmikroskopische Aufnahme eines W-Bleches (rekristallisiert) Optical micrograph of a W sheet (recrystallized) Lichtmikroskopische Aufnahme eines WT20-Stabes Optical micrograph of a WT20 rod 18

19 Photo: TU-Bergakademie Freiberg Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer WVM-Bruchfl äche mit Kalium gefüllten Bläschen Scanning electron micrograph of WVM fracture surface with potassium fi lled bubbles 19

20 Chemisches Verhalten von Wolfram und seinen Legierungen Chemical Behaviour of Tungsten and its Alloys Wolfram und seine Legierungen (ausgenommen Wolfram-Kupfer und Schwermetall) zeigen ein sehr ähnliches Korrosionsverhalten. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 60 % ist Wolfram korrosionsbeständig. In feuchterer Luft bilden sich Anlauffarben aus, im Vergleich zu Molybdän aber im geringerem Ausmaß. Dabei sind rauhe Oberfl ächen anfälliger als glatte. Im Falle sonstiger wässriger Medien ist bei Temperaturen über 100 C (373 K) eine Unbeständigkeit gegenüber alkalischen und oxidierenden Stoffen zu erwähnen. Gegenüber oxidierenden Gasen und Elementen in anderen Aggregatzuständen treten bei Temperaturen über 250 C (523 K) Reaktionen auf. Glasschmelzen, Wasserstoff, Stickstoff, Edelgase, Metallschmelzen und Oxidkeramiken greifen auch bei sehr hohen Temperaturen Wolfram nur wenig an, wenn sie nicht zusätzlich Oxidationsmittel enthalten. Tungsten and its alloys all show very similar corrosion behaviour (with the exception of tungsten-copper and the high-density alloys). Tungsten is resistant to corrosion below 60% relative humidity. In damper air surface staining occurs (coloured oxides), although to a lesser extent than with molybdenum. Rough surfaces are more susceptible than smoother ones. In certain water-based media above 100 C (373K), a lack of resistance to attack from alkaline and oxidizing substances is to be expected. Reactions can occur in the presence of oxidizing gases and elements in other states of matter at temperatures above 250 C (523K). Molten glass, nitrogen, inert gases, molten metals and ceramic oxides attack tungsten only very slightly, even at very high temperatures, provided they do not contain additional oxidizing agents. Das chemische Verhalten von Wolfram ist in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben. Die Korrosionsangaben beziehen sich, wenn nicht gesondert vermerkt, auf reine, nicht mit Luft oder Stickstoff begaste Lösungen. Die Anwesenheit fremder, chemisch aktiver Substanzen in kleinsten Konzentrationen kann das Korrosionsverhalten stark beeinfl ussen. Bei komplexen Korrosionsbedingungen empfehlen wir Korrosionsversuche mit möglichst betriebsnahen Parametern durchzuführen. The chemical behaviour of tungsten is shown in the following table. If not noted otherwise the corrosion data refer to pure solutions not agitated with air or nitrogen. Gas contents and the presence of chemically active substances in the smallest concentrations can strongly infl uence the corrosion behaviour. With complex corrosive environments we recommend carrying out corrosion testing under simulated service conditions. Geläppte, gereinigte W-Ronde nach 168 h bei 40 C an feuchter Luft Lapped and cleaned tungsten disc after 168 hours at 40 C in moist air 800µm REM - Aufnahme einer Wolfram-Oberfl äche mit Muldenkorrosion und Kristallwachstum an anderer Stelle durch Hochtemperatur-Oxidation/Sublimation und Wiederabscheidung/Reduktion SEM photograph of a tungsten surface with alternating cavity corrosion and crystal growth caused by high-temperature oxidation / sublimation and re-deposition / reduction 20

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