Wolfram-Schwermetall (WSM)

Der Alleskönner unter den Wolframlegierungen. Wolfram-Schwermetall (WSM, englisch tungsten heavy alloy, THA) ist eine pulvermetallurgisch hergestellte Sinterlegierung mit 85 bis 98,5 Gew.-% Wolfram. Nahezu reine Wolframkörner sind in eine zähe Bindephase aus Nickel-Eisen (NiFe) oder Nickel-Kupfer (NiCu) eingebettet. Daraus ergeben sich hohe Dichten von 17 bis 18,5 g/cm³ bei zugleich hoher Festigkeit und Duktilität. Über den Binder lassen sich die Eigenschaften gezielt einstellen, etwa magnetisch (NiFe) oder unmagnetisch (NiCu). Negele Hartmetall-Technik fertigt WSM-Bauteile nach Zeichnung, vom Einzelteil bis zur Serie.

Mit einer Dichte um 18 g/cm³ ist WSM rund 60 % dichter als Blei und mehr als doppelt so dicht wie Stahl. Anders als reines Wolfram ist die Legierung dabei gut zerspanbar und duktil. Diese Kombination macht WSM zur ersten Wahl, wenn auf kleinem Bauraum viel Masse, Strahlenabsorption oder Schwingungsdämpfung gefordert ist.

Balkendiagramm: Dichte von Stahl (etwa 7,9), Blei (etwa 11,3) und WSM (etwa 18) in Gramm pro Kubikzentimeter. — WSM erreicht mit rund 18 g/cm³ ein Vielfaches der Dichte von Stahl und deutlich mehr als Blei.

Eigenschaften von Wolfram-Schwermetall

WSM ist ein Zweiphasen-Verbund: nahezu reine, rundliche Wolframkörner liegen in einer durchgehenden, duktilen Bindephase. Diese Mikrostruktur verbindet die hohe Dichte und Steifigkeit des Wolframs mit der Zähigkeit und Bearbeitbarkeit des Binders. Übersichtsarbeiten zu gesinterten Wolfram-Schwermetallen beschreiben genau dieses Gefüge aus Wolframkörnern in einer Nickel-basierten Matrix.

Gefügeschema: dicht gepackte runde Wolframkörner, eingebettet in eine dünne, durchgehende Bindephase aus Nickel-Eisen oder Nickel-Kupfer. — Gefüge von WSM: nahezu reine Wolframkörner in einer zähen NiFe- oder NiCu-Bindephase.

Der Wolframgehalt steuert die Dichte: je höher der Anteil, desto höher Dichte und Steifigkeit. Mit steigendem Wolframgehalt nimmt die Bindephase ab, wodurch Härte und Festigkeit tendenziell zunehmen, die Bruchdehnung jedoch abnimmt. So reicht die Bruchdehnung von rund 12 % bei WSM17Fe bis etwa 2 % bei sehr wolframreichen NiCu-Sorten. Die Festigkeit lässt sich durch Kaltverformung (Schwenken) und Wärmebehandlung weiter steigern.

Sorte	W-Gehalt	Binder	Dichte	Härte	Zugfestigkeit	Bruchdehnung	E-Modul	Magnetisch
WSM17Fe	90 %	NiFe	17 g/cm³	>255 HV10	860 MPa	12 %	340 GPa	ja (leicht)
WSM17,5Fe	92,5 %	NiFe	17,5 g/cm³	>260 HV10	860 MPa	10 %	300 GPa	ja (leicht)
WSM18Fe	95 %	NiFe	18 g/cm³	>270 HV10	860 MPa	8 %	380 GPa	ja (leicht)
WSM18,5Fe	97 %	NiFe	18,5 g/cm³	>275 HV10	830 MPa	6 %	385 GPa	ja (leicht)
WSM17Cu	90 %	NiCu	17 g/cm³	>250 HV10	760 MPa	4 %	330 GPa	nein
WSM18Cu	95 %	NiCu	18 g/cm³	>260 HV10	760 MPa	2 %	360 GPa	nein

Quelle: Hauseigene Produktdaten (WSM-Sorten), Stand Februar 2018. Geringfügige Abweichungen sind produktionsbedingt. sm = leicht ferromagnetisch, pm = paramagnetisch (unmagnetisch).

NiFe und NiCu: magnetisch oder unmagnetisch

Die Bindephase entscheidet über das magnetische Verhalten. NiFe-Sorten sind leicht ferromagnetisch (magnetisch), da Nickel und Eisen ferromagnetische Metalle sind. NiCu-Sorten sind dagegen praktisch unmagnetisch (paramagnetisch), weil Kupfer die ferromagnetische Kopplung im Binder unterbindet. Genormte unmagnetische Sorten erreichen eine sehr niedrige magnetische Permeabilität, wie sie etwa nach ASTM B777 für magnetisch inerte Anwendungen gefordert wird.

Vergleich: WSM NiFe wird von einem Magneten angezogen (magnetisch), WSM NiCu wird nicht angezogen (unmagnetisch). — NiFe-Sorten sind magnetisch, NiCu-Sorten praktisch unmagnetisch. Der Binder bestimmt das Verhalten.

WSM mit NiFe-Binder

Magnetisch: leicht ferromagnetisch

Stärke: höhere Festigkeit und Duktilität

Einsatz: Gewichte, Strukturteile, Werkzeuge

WSM mit NiCu-Binder

Magnetisch: nein (paramagnetisch)

Stärke: magnetisch inert

Einsatz: Sensorumfeld, Messtechnik, MRT-Nähe

Kernaussage WSM ist die richtige Wahl, wenn auf kleinem Raum viel Masse, Strahlenabsorption oder Schwingungsdämpfung gefragt ist und sich das Bauteil dennoch gut bearbeiten lassen soll. Muss das Teil magnetisch neutral sein, kommt eine NiCu-Sorte zum Einsatz. Geht es dagegen um hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, ist Wolfram-Kupfer (WCu) die bessere Wahl. Welche Sorte zu Ihrer Anwendung passt, klären wir in der technischen Beratung.

Herstellung und Bearbeitung von WSM

Wolfram-Schwermetall wird pulvermetallurgisch durch Flüssigphasensintern hergestellt. Wolframpulver wird mit dem NiFe- oder NiCu-Binder gemischt, gepresst und gesintert. Beim Sintern oberhalb des Binder-Schmelzpunkts (rund 1.480 bis 1.520 °C, weit unter dem Schmelzpunkt des Wolframs von 3.420 °C) benetzt die flüssige Bindephase die Wolframkörner und verbindet sie zu einem dichten Gefüge.

Pulver mischen

Wolframpulver mit NiFe- oder NiCu-Binder im gewünschten Verhältnis homogen mischen.

Pressen

Verdichten zum Grünling in der gewünschten Rohform.

Flüssigphasensintern

Sintern unter Schutzgas, der schmelzende Binder benetzt die Wolframkörner, hohe relative Dichte.

Bearbeiten

Drehen, Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden mit Hartmetallwerkzeugen zum einbaufertigen Bauteil.

Die zähe Bindephase macht WSM gut zerspanbar: Drehen, Fräsen und Bohren erfolgen mit Hartmetallwerkzeugen, auch Gewindeschneiden ist möglich. So lassen sich komplexe Bauteile nach Kundenzeichnung fertigen. Negele fertigt WSM-Teile in der flexiblen Einzel- und Serienfertigung.

Technischer Hinweis Durch Kaltverformung (Schwenken) und anschließende Wärmebehandlung lässt sich die Zugfestigkeit von WSM-Sorten deutlich steigern, teils auf über 1.200 MPa, bei zugleich verbesserter Duktilität. Das ist vor allem für hochbeanspruchte Bauteile relevant. Quelle: ScienceDirect, Review of sintered tungsten heavy alloys.

Anwendungsgebiete

Die hohe Dichte, das hohe Absorptionsvermögen und die gute Bearbeitbarkeit machen WSM zum vielseitigen Werkstoff in Strahlenschutz, Auswuchttechnik, Schwingungsdämpfung und Werkzeugbau.

Infografik mit vier Anwendungen von WSM: Strahlenschutz, Wuchtgewichte, Schwingungsdämpfung und Werkzeuge. — Typische Einsatzgebiete von Wolfram-Schwermetall: Strahlenschutz, Wuchtgewichte, Schwingungsdämpfung, Werkzeuge.

Strahlenschutz und Kollimatoren

Wegen der hohen Dichte und Ordnungszahl absorbiert WSM Gamma- und Röntgenstrahlung wirksam und dient als Abschirmelement und Kollimator, etwa in der medizinischen Bildgebung, Strahlentherapie und Messtechnik. Gegenüber Blei ist WSM dichter, ungiftig und mechanisch stabiler, wie auch Untersuchungen an Kollimatoren aus Wolframlegierungen zeigen.

Zwei runde Kollimatoren aus Wolfram-Schwermetall (WSM) mit quadratischen Aussparungen, einer mit Gravur UP, nach Zeichnung gefertigt. — Kollimatoren aus Wolfram-Schwermetall für den Strahlenschutz, gefertigt nach Zeichnung.

Wuchtgewichte und Ausgleichsmassen

Die hohe Dichte erlaubt große Massen auf kleinem Bauraum. WSM dient als Wucht- und Ausgleichsgewicht für Kurbelwellen, Generatoren und Turbinen sowie in der Luft- und Raumfahrt und im Motorsport, wo Masse exakt platziert werden muss.

Zwei Halbschalen aus Wolfram-Schwermetall (WSM), gefertigt nach Zeichnung, dienen als Innenmaße in der Anwendung. — Halbschalen aus WSM als Innenmaße, gefertigt nach Kundenzeichnung.

Schwingungsdämpfung

Als kompakte Dämpfungsmasse beruhigt WSM Schwingungen, etwa an Werkzeugen, Bohrstangen und Spindeln. Die hohe Masse auf kleinem Volumen verschiebt Eigenfrequenzen und reduziert Ratterneigung, was die Oberflächengüte und Standzeit verbessert.

Zwei Dämpfungsmassen aus Wolfram-Schwermetall (WSM) aus unterschiedlichen Ansichten mit Aussparungen und Vertiefungen. — Dämpfungsmassen aus WSM zur Schwingungsberuhigung, gefertigt nach Zeichnung.

Werkzeuge und weitere Anwendungen

Im Werkzeug- und Formenbau wird WSM zu steifen Bohrstangen, Drehmeißelhaltern und Schleifscheibenschäften verarbeitet, ferner zu Ambossen und Elektroden zum Warmstauchen, zu Vibrationshämmern sowie zu Bauteilen der Uhrenindustrie und des Sports (Golf-Putter, Dartpfeile).

WSM im Vergleich zu Blei und reinem Wolfram

WSM verbindet Vorteile, die Blei und reines Wolfram jeweils nur teilweise bieten. Gegenüber Blei ist WSM dichter (rund 18 statt 11,3 g/cm³), ungiftig und deutlich steifer und fester. Gegenüber reinem Wolfram ist WSM duktil und gut zerspanbar, da die zähe Bindephase die Sprödigkeit des Wolframs ausgleicht. Damit eignet sich WSM für einbaufertige, komplex bearbeitete Bauteile, wo Blei zu weich und giftig und reines Wolfram zu spröde wäre.

Lieferformen

Negele ist Auftragsfertiger und stellt WSM nach Kundenspezifikation her, nicht als Lagerware für Normprofile. Im Mittelpunkt stehen einbaufertige Bauteile nach Zeichnung sowie Halbzeuge für die nachgelagerte Bearbeitung.

Formteile und Bauteile nach Zeichnung, endkonturnah und einsatzbereit
Stäbe und Blöcke als Basis für die Endbearbeitung
Platten und Bleche für Abschirmungen und Massen
Sonderformen je nach Anwendung

Drei Ringe aus Wolfram-Schwermetall (WSM), nach Zeichnung gefertigt, auf schwarzem Hintergrund angeordnet. — Ringe aus Wolfram-Schwermetall, gefertigt nach Kundenzeichnung.

Die typische Lieferzeit liegt bei 6 bis 8 Wochen, bei einfachen Geometrien auch kürzer. Als familiengeführtes Unternehmen aus Stuttgart entscheidet Negele kurzfristig und flexibel, gerade bei Einzelteilen und kleinen Serien.

Normen und Standards

Wolfram-Schwermetalle sind international genormt. Die zentrale Norm ist ASTM B777 (Standard Specification for Tungsten Base, High-Density Metal), die vier Klassen nach Wolframgehalt und Dichte definiert, von Klasse 1 (rund 90 % W) bis Klasse 4 (rund 97 % W). Verwandte Spezifikationen sind AMS 7725 und militärische Normen.

Auf Wunsch liefert Negele WSM mit Material- und Prüfbescheinigung nach EN 10204 (Zeugnis 2.1, 2.2 oder Abnahmeprüfzeugnis 3.1). Die Fertigung ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert. Details finden Sie im Bereich Chargen- und Prüfbescheinigung.

Häufig gestellte Fragen zu Wolfram-Schwermetall

Was ist Wolfram-Schwermetall (WSM)?

Wolfram-Schwermetall (WSM, englisch tungsten heavy alloy) ist eine pulvermetallurgische Sinterlegierung mit 85 bis 98,5 Gew.-% Wolfram. Nahezu reine Wolframkörner sind in eine zähe Bindephase aus Nickel-Eisen (NiFe) oder Nickel-Kupfer (NiCu) eingebettet. Daraus ergeben sich hohe Dichten von 17 bis 18,5 g/cm³ bei guter Festigkeit und Bearbeitbarkeit.

Wie hoch ist die Dichte von Wolfram-Schwermetall?

Je nach Wolframgehalt liegt die Dichte zwischen 17 und 18,5 g/cm³. Das ist rund 60 % mehr als Blei (11,3 g/cm³) und mehr als das Doppelte von Stahl (etwa 7,9 g/cm³). Höhere Wolframgehalte ergeben höhere Dichten.

Ist Wolfram-Schwermetall magnetisch?

Das hängt vom Binder ab. Sorten mit Nickel-Eisen-Binder (NiFe) sind leicht ferromagnetisch, also magnetisch. Sorten mit Nickel-Kupfer-Binder (NiCu) sind praktisch unmagnetisch (paramagnetisch) und eignen sich für magnetisch inerte Anwendungen, etwa im Sensorumfeld.

Worin unterscheidet sich WSM von reinem Wolfram?

Reines Wolfram ist sehr hart und spröde und nur schwer zu bearbeiten. WSM enthält eine zähe Bindephase, die den Werkstoff duktil und gut zerspanbar macht (Drehen, Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden). Die Dichte ist mit 17 bis 18,5 g/cm³ etwas niedriger als die von reinem Wolfram (19,3 g/cm³).

Warum ist WSM ein guter Ersatz für Blei im Strahlenschutz?

WSM ist deutlich dichter als Blei und hat eine hohe Ordnungszahl, daher absorbiert es Gamma- und Röntgenstrahlung auf kleinerem Bauraum. Zudem ist WSM ungiftig sowie mechanisch fester und steifer als das weiche, giftige Blei. Es eignet sich daher gut für Abschirmungen und Kollimatoren.

Welche WSM-Sorten gibt es?

Negele führt unter anderem WSM17Fe, WSM17,5Fe, WSM18Fe und WSM18,5Fe mit Nickel-Eisen-Binder (magnetisch) sowie WSM17Cu und WSM18Cu mit Nickel-Kupfer-Binder (unmagnetisch). Die Zahl steht für die Dichte, der Zusatz Fe oder Cu für den Binder.

Lässt sich Wolfram-Schwermetall bearbeiten?

Ja. Im Vergleich zu reinem Wolfram ist WSM deutlich leichter bearbeitbar. Drehen, Fräsen und Bohren erfolgen mit Hartmetallwerkzeugen, auch Gewindeschneiden ist möglich. So lassen sich komplexe Bauteile nach Kundenzeichnung fertigen.

Wofür wird Wolfram-Schwermetall verwendet?

Typische Anwendungen sind Abschirmelemente und Kollimatoren für den Strahlenschutz, Wucht- und Ausgleichsgewichte für Kurbelwellen, Generatoren und Turbinen, Schwingungsdämpfungsmassen, Bohrstangen und Werkzeughalter sowie Bauteile für Uhren- und Sportartikel wie Golf-Putter und Dartpfeile.

Nach welcher Norm wird WSM geliefert?

Die zentrale Norm ist ASTM B777 (Tungsten Base, High-Density Metal) mit vier Klassen nach Wolframgehalt und Dichte. Auf Wunsch liefert Negele WSM mit Prüfbescheinigung nach EN 10204; die Fertigung ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert.

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