Wolfram-Lanthanoxid (WL)

Lanthanoxid: ein Zusatz, der sich gewaschen hat. Wolfram-Lanthanoxid (WL, auch WLa) ist mit 1 bis 2 Gew.-% Lanthanoxid (La₂O₃) dotiertes Wolfram. Die fein verteilten Oxidpartikel erhöhen die Kriechfestigkeit und die Rekristallisationstemperatur, verbessern die Bearbeitbarkeit und senken die Austrittsarbeit der Elektronen, was die Zündung des Lichtbogens erleichtert. Entscheidend für die Praxis: WL ist nicht radioaktiv und ersetzt damit thorierte Wolframelektroden (WT20) in der WIG-Schweißtechnik. Negele Hartmetall-Technik fertigt WL-Bauteile und -Elektroden nach Zeichnung, vom Einzelteil bis zur Serie.

WL gehört zur Familie der oxiddispersionsverfestigten (ODS) Refraktärmetalle. Es ist das Wolfram-Gegenstück zum lanthanoxiddotierten Molybdän (MoLa): In beiden Fällen halten unlösliche Oxidpartikel das Gefüge auch bei hohen Temperaturen stabil und verhindern das Durchhängen ("non-sag") von Drähten und Elektroden.

Vier flache, rechteckige Elektroden aus Wolfram-Lanthanoxid (WL) mit Löchern, nach Zeichnung gefertigt und verdreht angeordnet. — Flachelektroden aus Wolfram-Lanthanoxid (WL), gefertigt nach Kundenzeichnung.

Eigenschaften von Wolfram-Lanthanoxid

Die Wirkung der Dotierung beruht auf Dispersionsverfestigung: Beim Sintern und anschließenden Umformen verteilen sich feine La₂O₃-Partikel im Wolfram und verankern Korngrenzen und Versetzungen. Durch das Walzen und Ziehen entsteht daraus eine langgestreckte Faserstruktur, die die Rekristallisation behindert. Untersuchungen zur thermischen Stabilität von W-La₂O₃ bestätigen die erhöhte Rekristallisationstemperatur und Warmfestigkeit gegenüber reinem Wolfram.

Gefügeschema: reines Wolfram mit grobkörnigem rekristallisiertem Gefüge gegenüber WL mit langgestreckter, durch La2O3-Partikel stabilisierter Faserstruktur. — Reines W (rekristallisiert) gegenüber der durch La₂O₃ stabilisierten Faserstruktur von WL.

Die meisten physikalischen Kennwerte entsprechen weitgehend denen von reinem Wolfram, da der Dotierungsanteil bei 1 bis 2 Gewichtsprozent liegt. Wolfram bietet laut AZoM den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle (3.420 °C), eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 160 W/(m·K) und eine sehr niedrige Wärmeausdehnung. Die Lanthanoxid-Dotierung senkt zudem die Austrittsarbeit der Elektronen, sodass der Lichtbogen leichter zündet und stabiler brennt als bei reinem Wolfram.

Der wichtigste praktische Vorteil betrifft die Sicherheit: Im Gegensatz zu thoriertem Wolfram (WT20 mit 2 % Thoriumoxid) enthält WL keine radioaktiven Bestandteile. Thoriumoxid ist ein Alphastrahler, und beim Schleifen thorierter Elektroden kann radioaktiver Staub entstehen. Die DGUV/IFA empfiehlt daher thoriumfreie Elektroden wie WL.

Eigenschaft	Einheit / Norm	WL (dotiert)	Reines W
La₂O₃-Dotierung	Gew.-%	1 bis 2	0
Dichte (30 °C)	g/cm³	18,8	19,3
Härte	HV30	>450 / ~350 (rekrist.)	275 bis 450
Schmelzpunkt	°C	3.420	3.420
Siedepunkt	°C	5.900	5.900
Wärmeleitfähigkeit (20 °C)	W/(m·K)	160	160
Längenausdehnung (0 bis 100 °C)	10^-6/K	4,25	4,2
Elastizitätsmodul	GPa	410	410
Spez. Wärme (20 °C)	J/(g·K)	0,135	0,135
Radioaktivität	-	nicht radioaktiv	nicht radioaktiv
Kristallstruktur	-	kubisch-raumzentriert (krz)	krz

Quelle: Hauseigene Produktdaten (WolframSpezial WS / WL), Stand 01.01.2015. Mechanismus und Rekristallisation aus Fachliteratur (ScienceDirect, AZoM).

Makroaufnahme der fein angeschliffenen Spitze einer Wolfram-Lanthanoxid-Elektrode (WL) mit goldener Kennfarbe und längsgeschliffener Oberfläche. — Fein angeschliffene Spitze einer WL-Elektrode: Der Anschliff entlang der Faserstruktur stabilisiert den Lichtbogen.

WL als thoriumfreier Ersatz für WIG-Elektroden

In der WIG-Schweißtechnik (Wolfram-Inertgas, englisch GTAW/TIG) waren jahrzehntelang thorierte Elektroden (WT20) Standard. Wegen der Radioaktivität des Thoriumoxids hat sich Wolfram-Lanthanoxid als bevorzugter, thoriumfreier Ersatz durchgesetzt. WL zündet zuverlässig, brennt im niedrigen Strombereich stabil und eignet sich sowohl für Gleichstrom (DC) als auch für Wechselstrom (AC), beim Schweißen von Stahl, Aluminium, Nickel, Titan und Kupferlegierungen.

Lanthanierte Elektroden werden nach Lanthanoxid-Anteil in Sorten unterteilt und nach ISO 6848 sowie AWS A5.12 farblich gekennzeichnet. So lassen sie sich eindeutig identifizieren und sicher gegen thorierte Elektroden austauschen. Die gängigen Sorten WL15 (gold) und WL20 (blau) decken den Großteil der Anwendungen ab.

WL10

La₂O₃: 1,0 %

Kennfarbe: schwarz

Einsatz: DC, kleine Ströme

WL15

La₂O₃: 1,5 %

Kennfarbe: gold

Einsatz: Allrounder, DC und AC

WL20

La₂O₃: 2,0 %

Kennfarbe: blau

Einsatz: hohe Strombelastung

Kernaussage WL ist die richtige Wahl, wenn Elektroden und Hochtemperaturbauteile aus Wolfram zuverlässig zünden, formstabil bleiben und ohne Radioaktivität auskommen müssen. Geht es dagegen um Bauteile mit hoher Dichte für Strahlenschutz oder Auswuchtgewichte, ist Wolfram-Schwermetall (WSM) die bessere Wahl. Welche Wolfram-Variante zu Ihrer Anwendung passt, klären wir in der technischen Beratung.

Drei Elektroden aus Wolfram-Lanthanoxid (WL) mit unterschiedlich abgewinkelten Spitzen, nebeneinander auf weißem Hintergrund. — WL-Elektroden mit unterschiedlich angeschliffenen Spitzen, gefertigt nach Zeichnung.

Auch jenseits des Schweißens ist die niedrige Austrittsarbeit von Vorteil: WL dient als Kathode und Anode in Elektronenröhren und in der Lichttechnik, da es bei gegebener Temperatur leichter Elektronen emittiert als reines Wolfram. Die stabilisierte Faserstruktur verhindert dabei das Durchhängen dünner Drähte und Wendeln.

Herstellung und Bearbeitung von WL

Wolfram-Lanthanoxid wird pulvermetallurgisch hergestellt, nicht erschmolzen, denn der Schmelzpunkt von Wolfram ist mit 3.420 °C der höchste aller Metalle. Wolfram- und Lanthanoxid-Pulver werden gemischt, gepresst und gesintert, anschließend thermomechanisch umgeformt. Erst dieses Walzen und Ziehen erzeugt die langgestreckte Faserstruktur.

Pulver dotieren

Wolframpulver mit 1 bis 2 Gew.-% La₂O₃ homogen mischen.

Pressen und Sintern

Verdichten zum Grünling, Sintern unter Schutzgas oder Vakuum.

Umformen

Walzen, Schwenken oder Ziehen, wodurch sich die stabilisierende Faserstruktur ausbildet.

Bearbeiten und Anschleifen

Spanende Bearbeitung, Elektroden-Anschliff und Konfektionierung zum einbaufertigen Bauteil.

Die Dotierung erleichtert die Verarbeitung: WL lässt sich besser spanend bearbeiten und verformen als reines Wolfram, wodurch hohe Oberflächengüte und Standzeit erreicht werden. Negele fertigt WL-Bauteile in der flexiblen Einzel- und Serienfertigung nach Zeichnung.

Technischer Hinweis Wolfram und WL oxidieren an Luft ab etwa 400 bis 500 °C, wobei sich flüchtiges Wolframtrioxid (WO₃) bildet. Hochtemperaturanwendungen erfolgen deshalb unter Vakuum oder Schutzgas. Beim WIG-Schweißen schützt das Inertgas (Argon) die heiße Elektrode vor Oxidation. Quelle: AZoM, Tungsten Properties and Applications.

Anwendungsgebiete

Der hohe Schmelzpunkt, die niedrige Austrittsarbeit und die Formstabilität machen WL zum bevorzugten Werkstoff dort, wo Elektroden und Bauteile heiß arbeiten und zuverlässig zünden müssen.

Infografik mit vier Anwendungen von WL: WIG-Schweißen, Plasmaspritzen, Elektronenröhren und Bedampfung. — Typische Einsatzgebiete von Wolfram-Lanthanoxid: WIG-Schweißen, Plasmaspritzen, Elektronenröhren, Bedampfung.

Schweiß- und Plasmatechnik

WL dient als WIG-Elektrode für das Schutzgas- und Plasmaschweißen, als Widerstandsschweißelektrode und als Elektrode zum Plasmaspritzen. In der Schweiß- und Anlagentechnik sorgt die niedrige Austrittsarbeit für sichere Zündung und lange Standzeit.

Elektronenröhren und Lichttechnik

In der Elektroindustrie wird WL zu Stromzuführungen, Anoden und Kathoden für Elektroröhren sowie zu Bauteilen der Lichttechnik verarbeitet. Die Faserstruktur verhindert das Durchhängen der dünnen Drähte im Betrieb.

Bedampfung und Halbleitertechnik

Als Wendel und Schiffchen trägt WL das aufzudampfende Material in Beschichtungsanlagen (Abdampftechnik). Ronden und Bauteile aus WL kommen zudem in der Halbleiter- und Forschungstechnik sowie als Ionenquellen zum Einsatz, wo Maßbeständigkeit unter thermischer Last gefordert ist.

Lieferformen

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

Einbaufertige Bauteile und Elektroden nach Zeichnung, endkonturnah und einsatzbereit
Rundstäbe und Profile als Basis für die Endbearbeitung
Drähte und Wendeln für Licht- und Bedampfungsanwendungen
Sonderformen je nach Anwendung

Eine Reihe von Rundstäben und Drähten aus Wolfram-Lanthanoxid (WL) in unterschiedlicher Dicke und Länge, ordentlich auf einer hellgrauen Fläche angeordnet. — Rundstäbe und Drähte aus Wolfram-Lanthanoxid (WL) als Halbzeug für die Endbearbeitung.

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

Lanthanierte Wolframelektroden sind international genormt. Die zentralen Normen sind ISO 6848 (Lichtbogenschweißen, Wolframelektroden) und AWS A5.12/A5.12M, die Sorten und Farbkennzeichnung festlegen (WL10 schwarz, WL15 gold, WL20 blau).

Auf Wunsch liefert Negele WL 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-Lanthanoxid

Was ist Wolfram-Lanthanoxid (WL)?

Wolfram-Lanthanoxid (WL, auch WLa) ist Wolfram, das mit 1 bis 2 Gew.-% Lanthanoxid (La₂O₃) dotiert ist. Die fein verteilten Oxidpartikel erhöhen Kriechfestigkeit und Rekristallisationstemperatur, verbessern die Bearbeitbarkeit und senken die Austrittsarbeit der Elektronen. WL ist nicht radioaktiv.

Ist Wolfram-Lanthanoxid radioaktiv?

Nein. Lanthanoxid ist nicht radioaktiv. Genau das ist der Hauptvorteil gegenüber thoriertem Wolfram (WT20), dessen Thoriumoxid ein radioaktiver Alphastrahler ist. WL ist deshalb der bevorzugte thoriumfreie Ersatz für WIG-Elektroden.

Was ist der Unterschied zwischen WL10, WL15 und WL20?

Die Zahl gibt den Lanthanoxid-Anteil an: WL10 enthält 1,0 %, WL15 1,5 % und WL20 2,0 % La₂O₃. Nach ISO 6848 sind sie farblich gekennzeichnet: WL10 schwarz, WL15 gold, WL20 blau. Höhere Anteile eignen sich tendenziell für höhere Strombelastung.

Welche Farbe hat eine WL-Elektrode?

Nach ISO 6848 und AWS A5.12 ist WL10 schwarz, WL15 gold und WL20 blau gekennzeichnet. Zum Vergleich: die thorierte Elektrode WT20 ist rot. Die Kennfarbe wird als Ring oder an der Spitze aufgebracht.

Warum ersetzt WL thorierte Wolframelektroden (WT20)?

Thoriumoxid ist radioaktiv, und beim Schleifen thorierter Elektroden kann radioaktiver Staub entstehen. Lanthanoxid ist nicht radioaktiv und bietet vergleichbare oder bessere Schweißeigenschaften. Arbeitsschutzstellen wie die DGUV/IFA empfehlen daher thoriumfreie Elektroden wie WL.

Worin unterscheidet sich WL von reinem Wolfram?

WL hat eine höhere Rekristallisationstemperatur, bessere Kriechfestigkeit und Formstabilität sowie eine niedrigere Austrittsarbeit, was die Lichtbogenzündung erleichtert. Zudem lässt es sich besser bearbeiten und verformen. Die übrigen Kennwerte wie Schmelzpunkt und Wärmeleitfähigkeit entsprechen weitgehend reinem Wolfram.

Für welchen Strom eignet sich WL, DC oder AC?

Wolfram-Lanthanoxid eignet sich sowohl für Gleichstrom (DC) als auch für Wechselstrom (AC). Es zündet zuverlässig, brennt im niedrigen Strombereich stabil und deckt ein breites Stromspektrum ab, beim Schweißen von Stahl, Aluminium, Nickel, Titan und Kupferlegierungen.

Wofür wird Wolfram-Lanthanoxid verwendet?

Typische Anwendungen sind WIG- und Plasmaschweißelektroden, Widerstandsschweißelektroden, Elektroden zum Plasmaspritzen, Stromzuführungen sowie Anoden und Kathoden für Elektronenröhren, Wendeln und Schiffchen für die Bedampfung und Ronden für die Halbleitertechnik.

Lässt sich WL schweißen und bearbeiten?

WL lässt sich leichter spanend bearbeiten und verformen als reines Wolfram, wodurch hohe Oberflächengüte und Standzeit erreicht werden. Das ermöglicht einbaufertige Zeichnungsteile und präzise angeschliffene Elektroden.

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