Wolframcarbid

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Wolframcarbid (WC) wird wegen seiner außergewöhnlichen Härte und Stabilität als sehr verschleißfeste Keramik eingesetzt, beispielsweise für die Herstellung von Düsen oder Werkzeugen. Weiterhin wird Wolframcarbid zur Herstellung von Hartmetallen verwendet, indem Metalle wie Cobalt, Eisen oder Nickel zugesetzt werden (z.B. Wolframcarbid-Cobalt, WC-Co).

Schaftfraeser aus Vollhartmetall © msl33 / Fotolia.com

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Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Wolframcarbid wird in Form von Pulvern hergestellt, die anschließend zu Keramiken weiter verarbeitet werden. Diese Pulver können beispielsweise beim Abfüllen stauben und dabei eingeatmet werden. Daher sind in den Betrieben Schutzmaßnahmen vorgeschrieben, wie etwa Schutzmasken und Absaugvorrichtungen. Am wahrscheinlichsten ist der Kontakt mit Wolframcarbid daher für Menschen, die am Arbeitsplatz mit solchen Pulvern umgehen. In den fertig verarbeiteten Keramiken ist Wolframcarbid fest gebunden; Nanopartikel werden im täglichen Gebrauch nicht frei. Es können daher auch keine Nanopartikel in den Körper gelangen.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Wolframcarbid gehört zu den ungefährlicheren Substanzen; es wird als nicht-krebserregend eingestuft. Obwohl man das Einatmen aller Stäube vermeiden sollte, sind keine außergewöhnlichen Schädigungen der Lunge nachgewiesen worden. Auch das Verschlucken von WC gilt als ungefährlich.
Eine Freisetzung in die Umwelt wird durch moderne Filteranlagen verhindert. Abfälle werden gesammelt und wiederverwendet oder als Sondermüll entsorgt. Möglich ist eine Freisetzung durch Unfälle, beispielsweise beim Transport der Pulver. Ein solcher Fall ist bisher allerdings noch nicht vorgekommen.

Fazit

Im Alltag sind der menschliche Körper und die Umwelt nur geringen Mengen an Wolframcarbid Nanopartikeln ausgesetzt. Dadurch besteht keine Gefährdung.

Nebenbei
  • Wolframcarbid kommt in der Natur nicht vor, sondern wird durch technische Verfahren aus Wolframerzen hergestellt.
  • Reine Wolframcarbid Nanopartikel gelten als ungiftig und nicht-krebserregend.

Eigenschaften und Anwendungen

Wolframcarbide (WC) stellen eine Verbindung von Wolfram und Kohlenstoff dar. Je nach Zusammensetzung unterscheidet man Mono-Wolframcarbid (WC) und Di-Wolframcarbid (W2C). Beim Abkühlen aus der Schmelze erhält man eine Mischung aus WC, W2C und Kohlenstoff (Schmelzcarbid).

Fräskopf © fotomek -s tock.adobe.com

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Derartige Mischungen spielen insbesondere im (großflächigen) Verschleißschutz eine Rolle. Von besonderer technischer Bedeutung ist Mono-Wolframcarbid. Seine auffälligsten Eigenschaften sind eine hohe Dichte und der hohe Schmelzpunkt von ca. 2600 °C, die hohe Härte sowie die metallähnlichen, hohen Werte der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit. Mono-Wolframcarbid besitzt ein hexagonales Kristallgitter und weist trotz seiner hohen Härte eine gewisse Plastizität und eine hohe Bruchzähigkeit auf. An Luft oxidiert Wolframcarbid bei Temperaturen oberhalb von 600 °C. Für seine wirtschaftliche Bedeutung ist neben der hohen Härte bis zu ca. 1000 °C die gute Benetzung durch Metalle wie Cobalt, Nickel und Eisen von entscheidender Bedeutung.

Wolframcarbid wird überwiegend zur Herstellung von Hartmetallen verwendet. In jüngerer Zeit wird reines WC ohne Metallzusatz zu einer sehr verschleißfesten Keramik („binderloses Hartmetall“) verarbeitet. Da es beim Schmelzen zerfällt, kann es nur über einen Sinterprozess (ähnlich dem Brennen von Ton) zu kompakten Teilen verarbeitet werden. Aus Wolframcarbid-Keramik werden abrasiv oder chemisch hoch beanspruchte Verschleißteile wie Düsen oder Werkzeuge für die Glasformgebung gefertigt. Hierbei kommen insbesondere ultrafeine bis nanokristalline Wolframcarbid-Pulver zum Einsatz.

 

Vorkommen und Herstellung

Wolframcarbide kommen nicht in der Natur vor. Das technisch bedeutsame Mono-Wolframcarbid wird durch Umsetzung von pulverförmigem Wolframmetall W oder Wolframoxid mit Ruß oder Graphit bei Temperaturen zwischen etwa 1400 °C und 2000 °C in einem mit Graphit ausgekleideten Ofen gewonnen. WC fällt prinzipiell in pulverförmiger Form an. Die Partikelgröße hängt von der Größe der Ausgangsstoffe und der Prozessführung ab und lässt sich bei traditioneller Herstellung zwischen ca. 100 nm und 100 µm variieren.

Das für die WC-Produktion notwendige Wolfram kommt in der Erde vor allem in Form von Wolframaten in Wolframit und Scheelit vor. Der Wolframgehalt der Erze ist gering und liegt meist deutlich unter einem Masseprozent. Im Mittelalter störten im sächsischen Erzgebirge Wolframate als Begleiter von Zinnerzen die Zinngewinnung, indem sie bei deren Verhüttung das Zinn „wie ein Wolf auffraßen“, wie es der Freiberger Georgius Agricola beschrieb. Das mit Abstand größten W-Vorkommen ist in China. In Europa sind Abbauorte in der russischen Förderation und Österreich von Bedeutung. Auch im Erzgebirge lagern noch Wolframerze. Die weltweite Fördermenge liegt bei über 70.000 t/a.

Wolframcarbid ist nicht selbstentzündlich. Als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Wolframcarbid u. U. entzündlich (Staubexplosion).


Literatur

  1. Kieffer, R & Benesovsky, F (1963). Hartstoffe, Springer-Verlag, Wien.
  2. Schedler, W (1988). Hartmetall für den Praktiker, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf.
  3. Richter, V & Mueller, K (2007). In Schatt,Wieters, Kieback: Pulvermetallurgie,Technologien und Werkstoffe, Springer Verlag, 2. erweiterte Auflage. ISBN 978-3-540-23652-8.
  4. Design for PM - E-Learning Kurs (DE). Hartmetalle der EPMA, Moseley, S & Richter, V. (Stand letzter Zugang: Apr 2011).
  5. Geoliquids Inc. (EN) (01.02.2012). Material Safty Data Sheet "Tungsten Carbide Powder.

Die Exposition am Arbeitsplatz stellt für den Menschen, insbesondere für Arbeiter in der Hartmetallindustrie, den Hauptkontaktweg dar. Arbeiter sind beim Umgang mit den Pulvern oder beim Schleifen von Werkstücken den Stäuben ausgesetzt und können Partikel inhalieren oder über die Haut aufnehmen.

Allgemeine Gefährdung

Aus Studien an Arbeitern weiß man, das es sich bei Wolframcarbid-Partikeln allein um ein nicht-toxisches Material handelt [1,2].


Literatur

  1. Moulin, JJ et al. (1998), Am J Epidemiol, 148(3): 241-248.
  2. Lison, D (1996), Crit Rev Toxicol, 26(6): 585-616.

 

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

Obwohl Wolframcarbid-Partikel in Zellen aufgenommen werden, entfalten sie keine toxische Wirkung auf den Organismus. Auch in gröberen Varianten gelten sie als chemisch inert und untoxisch. Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) stuft Wolframcarbid als nicht krebserregend ein [1]. Für die Anwender der Werkzeuge ist eine Exposition mit den Partikeln sehr unwahrscheinlich, da die gesinterten Werkstücke sehr fest und abriebarm sind. Das verhindert eine erneute Freisetzung von Partikeln bei der Benutzung von Bohrern oder anderen Werkzeugen.


Literatur

  1. IARC (2006), IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, No. 86: Cobalt in Hard-metals and Cobalt Sulfate, Gallium Arsenide, Indium Phosphide and Vanadium Pentoxide.

 

Untersuchungen außerhalb des Organismus - in vitro

Gröbere Wolframcarbid-Partikel finden seit vielen Jahren in der Hartmetallindustrie Verwendung, die Herstellung und Anwendung als Nanopartikel ist noch relativ neu. Demzufolge wurden die meisten Kenntnisse bei der Untersuchung von mikroskaligen Partikeln gewonnen; zu nanoskaligem Wolframcarbid und Wolframcarbid-Cobalt (WC-Co) liegen erst wenige Untersuchungen vor. Da aus Nanopartikeln hergestellte Werkstücke im Vergleich zu solchen aus gröberen Partikeln noch fester sind, werden Nanopartikel zunehmend eingesetzt.

Viele der hier beschriebenen Ergebnisse zu Hartmetall-Nanopartikeln wurden im Rahmen des BMBF-Projektes INOS gewonnen.

In in vitro Versuchen beeinflusste Wolframcarbid weder die Stoffwechselaktivität von Zellen, noch trat eine Schädigung der Zellmembranen oder eine Schädigung der DNA auf [1,2]. An menschlichen Hautzellen wurde untersucht, welche Gene durch die Wolframcarbid-Partikel beeinflusst werden. Diese Gene könnten einen Hinweis darauf geben, welche Körperfunktionen durch die Partikelaufnahme beeinflusst werden können. WC-Partikel lösten hier keine spezifische Antwort aus [3]. In weiteren in vitro Studien wurde die Aufnahme sowohl von mikro- als auch von nanoskaligen Partikeln in Zellen bestätigt. So konnten mikroskalige Partikel in Fresszellen und nanoskalige WC-Partikel in verschiedenen Zelllinien beobachtet werden. In den Zellkernen waren jedoch keine Partikel nachweisbar [1,4].


Literatur

  1. Bastian, S et al. (2009), Environ Health Perspect, 117(4): 530-536.
  2. Anard, D et al. (1997), Carcinogenesis, 18(1): 177-184.
  3. Busch, W et al. (2010), BMC Genomics, 11(1): 65.
  4. Lison, D et al. (1990), Environ Res, 52(2): 187-198.

Wolframcarbid (WC) kommt nicht natürlich vor, sondern wird durch technische Verfahren aus Wolframerzen hergestellt.

Moderne Hartmetall-Fabriken sind mit Filteranlagen ausgestattet, die die Freisetzung von Luftgetragenen Pulvern stark reduzieren. Die Abfälle werden gesammelt und wieder verwendet oder als Sondermüll entsorgt. Möglich ist eine Freisetzung durch Unfälle beispielsweise beim Transport der Pulver, einen solchen Fall hat es bisher allerdings nicht gegeben.

Wolframcarbid Partikel können aus der Luft in den Körper aufgenommen werden. Inwieweit sie über die intakte Haut aufgenommen werden können, wurde bisher nicht untersucht. Sie können bei mangelnder Hygiene über die Nahrung in den Körper gelangen. Ebenso ist eine Aufnahme über belastetes Trinkwasser möglich.

 

In in vitro Versuchen wurde die Aufnahme von nanoskaligen Partikeln in kultivierte Lungenzellen, Hautzellen und Zellen des Darms bestätigt. In den Zellkernen waren jedoch keine Partikel nachweisbar [1].

 

Literatur

  1. Bastian, S et al. (2009), Environ Health Perspect, 117(4): 530-536.

Da die Exposition mit Wolframcarbid Nanopartikeln hauptsächlich den Arbeitsplatz betrifft, gibt es kaum Untersuchungen zur Wirkung auf Umweltorganismen.

Zur Wirkung von WC Nanopartikeln auf Testorganismen wie Algen oder Bakterien liegen bisher keine Daten vor.


Literatur

  1. Kuehnel, D et al. (2009), Aquat Toxicol, 93(2-3): 91-99.

In den Körper aufgenommenes Wolframcarbid lässt sich im Blut nachweisen und wird über den Urin wieder ausgeschieden.

Verhalten im Körper

Zusammenfassend gibt es für diese Partikel Vergleichsuntersuchungen mit gröberen Partikeln. Die Vermutung, dass Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe andere Wirkmechanismen haben könnten als gröbere trifft auf diese Materialien nach den bisherigen Untersuchungen nicht zu. WC Partikel sind chemisch inert und untoxisch, geeignete Schutzmaßnahmen am Arbeitsplatz sollten dennoch ergriffen werden.

Mikroskalige Wolframcarbid-Partikel konnten in Fresszellen und nanoskalige Wolframcarbid-Kobalt (WC-Co)-Partikel in verschiedenen Zelllinien beobachtet werden [1,2].


Literatur

  1. Bastian, S et al. (2009), Environ Health Perspect, 117(4): 530-536.
  2. Lison, D et al. (1990), Environ Res, 52(2): 187-198.

Zum Verhalten von Wolframcarbid-Nanopartikeln in der Umwelt sind derzeit keine Daten vorhanden.

Weitere Materialien


Strontiumcarbonat
Cerdioxid
Diamant
Titannitrid
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