Wolfram-Kupfer-Prüfung

Prüfung von Wolfram-Kupfer – Charakterisierung von Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Gefüge und mechanischen Eigenschaften für Elektroden- und Wärmesenkenanwendungen

Als nach ISO/IEC 17025 akkreditiertes (CNAS) unabhängiges Prüflabor führen wir Prüfungen von Wolfram-Kupfer-Werkstoffen für Hersteller von Schaltkontakten, Elektroden für das Widerstandsschweißen, Wärmesenken für die Leistungselektronik und Sonderlegierungen in Österreich durch. Wolfram-Kupfer (W-Cu) ist ein pseudo-legierter Verbundwerkstoff, der die hohe Schmelztemperatur, Lichtbogenfestigkeit und Härte von Wolfram mit der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Kupfer vereint. Typische Anwendungen sind Hochspannungsschalter (SF6-Leistungsschalter), Unterbrecherkontakte, Funkenerosions-Elektroden (EDM), Wärmesenken in der Mikroelektronik sowie Kühlkörper für Hochfrequenzbauteile. Die Qualität von W-Cu wird durch den Wolframgehalt (meist 70–90 Gew.%), die Dichte (nahe der theoretischen Dichte), die homogene Verteilung beider Phasen, die Wärmeleitfähigkeit, die Biegefestigkeit und die Porosität bestimmt. Unser Labor führt zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen durch: Dichtebestimmung nach Archimedes, Gefügeanalyse (Lichtmikroskopie, REM mit EDX), Röntgenprüfung (Durchstrahlung oder Computertomografie), Wärmeleitfähigkeitsmessung (Laser-Flash-Methode), elektrische Leitfähigkeit (Wirbelstrom), Biegefestigkeit (Drei- oder Vierpunktbiegung), Härteprüfung (HRB, HV) sowie chemische Analyse (OES, ICP-OES) für die Hauptelemente W und Cu sowie Verunreinigungen. Wir folgen anerkannten Verfahren (ASTM B702, ISO 1184, ISO 22007, ÖNORM EN 24491) und berücksichtigen die Anforderungen österreichischer Elektroindustrie- und Forschungsinstitute. Die Ergebnisse unterstützen Hersteller bei der Prozesskontrolle (Sintern, Infiltration), Anwender bei der Auswahl geeigneter W-Cu-Klassen und Gutachter bei der Schadensanalyse (z. B. Risse, Durchschläge).

Typen von Wolfram-Kupfer-Proben, die wir prüfen

• Gesintertes und kupferinfiltriertes Wolfram-Kupfer (Standardlegierungen WCu10, WCu20, WCu30 ... WCu90)
• Wolfram-Kupfer mit Nickel- oder Kobalt-Zusatz (zur Verbesserung der Benetzung)
• Wolfram-Kupfer für Hochspannungskontakte (WCu70, WCu80) für Leistungsschalter
• Wolfram-Kupfer für EDM-Elektroden (WCu65, WCu75)
• Dünne Schichten oder Folien aus W-Cu für Wärmesenken
• Proben aus der Serienfertigung (zur Dichte- und Gefügekontrolle)
• Komponenten nach dem Einsatz (Ausfallanalyse – Risse, Abplatzungen, Lichtbogenmarkierungen)
• Vergleichsmuster von Wettbewerbern (Benchmarking von Leitfähigkeit und Dichte)
• Abformungen für die Porositätsanalyse

Wichtige Fehlerarten und Qualitätsparameter bei Wolfram-Kupfer

• Restporosität (nicht infiltrierte Hohlräume) – Mindert Dichte, Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit.
• Kupferseigerungen (ungleichmäßige Verteilung von Cu) – Lokale Überhitzung, weiche Zonen, ungleicher Verschleiß.
• Oxidation von Wolfram oder Kupfer während des Sinterns – Schlechte Benetzung, Haftungsverlust.
• Unzureichende Dichte (nicht erreichte Sinterdichte) – Versagen unter elektrischer oder thermischer Belastung.
• Risse oder Lunker im Gefüge – Ausgangspunkt für elektrischen Durchschlag oder Spannungsriss.
• Verunreinigungen (Eisen, Kohlenstoff, Molybdän) – Beeinträchtigung der Leitfähigkeit und Lichtbogenfestigkeit.
• Abweichung des Wolframgehalts vom Soll – Falsche Anwendung (zu weich oder zu spröde).

Prüfmethoden im Detail

1. Dichtebestimmung (Archimedes-Prinzip, ISO 1184)

Die Probe wird in Luft und in destilliertem Wasser (unter Verwendung einer Aufhängung) gewogen. Aus den Gewichten und der Wasserdichte wird die geometrische Dichte (ρ) berechnet. Die theoretische Dichte ergibt sich aus dem Mischungsverhältnis (Wolfram 19,3 g/cm³, Kupfer 8,96 g/cm³). Die relative Dichte (%) wird als (gemessene Dichte / theoretische Dichte) × 100% angegeben. Für hochwertiges W-Cu wird relative Dichte > 98,5% gefordert.

2. Gefügeuntersuchung (Lichtmikroskop, REM+EDX)

Ein Querschliff wird poliert (bis 1 µm Diamantsuspension) und mit geeigneten Ätzmitteln (z. B. 5%ige Eisenchloridlösung oder alkalische Permanganatlösung) angeätzt. Unter dem Lichtmikroskop (100–500×) wird die Verteilung der Wolfram-Partikel (hell) und der Kupfermatrix (dunkel) beurteilt. Mit REM (500–5000×) werden Poren, Seigerungen und Einschlüsse erfasst. Mittels EDX wird die chemische Zusammensetzung in definierten Bereichen analysiert.

3. Wärmeleitfähigkeit (Laser-Flash-Methode, ISO 22007-4)

Eine zylindrische oder quadratische Probe (Durchmesser 10–12,7 mm, Dicke 1–3 mm) wird in einem Laser-Flash-Gerät einseitig mit einem kurzen Laserpuls bestrahlt. Die Temperaturerhöhung auf der Rückseite wird mit einem Infrarotsensor erfasst. Aus der Halbwertzeit und der Probendicke wird die Temperaturleitfähigkeit (α) berechnet. Mit bekannter spezifischer Wärmekapazität (Cp, aus DSC) und Dichte (ρ) ergibt sich die Wärmeleitfähigkeit λ = α · ρ · Cp. Für WCu80 (80% W) wird λ ≈ 180–220 W/(m·K) erwartet.

4. Elektrische Leitfähigkeit (Wirbelstrommethode / IACS)

Nach dem Wirbelstromverfahren (Eddy Current) wird die elektrische Leitfähigkeit der Probe gemessen und in % IACS (International Annealed Copper Standard) oder MS/m angegeben. Typische Werte: WCu70: 35–45% IACS, WCu80: 30–40% IACS.

5. Biegefestigkeit (Drei- oder Vierpunktbiegung, ISO 3327)

Aus der W-Cu-Probe werden rechteckige Prüfkörper (30×8×4 mm) gefertigt. Die Biegefestigkeit (σ_Biege) wird in einer Universalprüfmaschine mit einer Auflageweite von 20 mm (Dreipunkt) bei einer Geschwindigkeit von 5 mm/min ermittelt. Typische Werte für WCu70: 800–1100 MPa.

6. Härteprüfung (Rockwell H oder Vickers)

Die Rockwell-Härte (Skala H) wird gemessen; alternativ die Vickers-Härte (HV 10) nach ISO 6507. Für WCu70: HV10 typisch 180–220; für WCu80: 220–260.

7. Röntgenprüfung (Durchstrahlung, eventuell Mikro-CT)

Die Probe wird mit Röntgenstrahlung durchleuchtet, um Lunker, Risse oder größere Poren zu detektieren. Die Mikro-Computertomografie (μ-CT) ermöglicht eine 3D-Darstellung der Porosität und die quantitative Bestimmung des Porenvolumens (in %).

8. Chemische Analyse (Hauptelemente und Verunreinigungen)

Die Probe wird in Säure gelöst (HNO₃ + HF für Wolfram) und mittels ICP-OES (Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) auf W, Cu, sowie auf Spurenelemente (Fe, Ni, Co, Mo, C) analysiert. Der Wolframgehalt wird i. d. R. mit einer Toleranz von ±2 Gew.% gefordert.

9. Sauerstoffgehalt (Inertgasfusion)

Zur Beurteilung der Oxidation wird der Sauerstoffgehalt mit einem Sauerstoffanalysator (Trägergas-Heißextraktion) gemessen. Üblich sind < 0,2 Gew.% Sauerstoff.

Probenvorbereitung und Konditionierung

• Die Proben werden gesäubert (Ultraschallbad in Isopropanol) und getrocknet.
• Für die Dichtemessung werden Proben ohne sichtbare Oberflächenporen verwendet.
• Die Anzahl der Proben pro Prüfparameter beträgt mindestens 3 (für Dichte, Leitfähigkeit mindestens 5).

Qualitätskontrolle und Akzeptanzkriterien (Richtwerte)

Die folgenden Richtwerte gelten für typische WCu80 (80% Wolfram). Der Kunde muss seine spezifischen Anforderungen vorgeben.

• Relative Dichte: ≥ 98,0% (für Sinter-Infiltrierte)
• Wärmeleitfähigkeit (25°C): ≥ 180 W/(m·K)
• Elektrische Leitfähigkeit: ≥ 35% IACS
• Biegefestigkeit: ≥ 800 MPa
• Härte HV10: ≥ 200 HV
• Wolframgehalt: 78–82 Gew.%
• Porosität (optisch): ≤ 2% (keine offenen Poren)
• Oxidationsbeständigkeit: keine sichtbare Oxidation nach 2 h bei 200°C an Luft

Prüfbericht und Dokumentation

Jeder Prüfbericht für Wolfram-Kupfer enthält:

• Probenidentifikation (Legierungstyp, Gew.% Wolfram, Hersteller, Chargennummer, Geometrie)
• Dichtewerte (gemessen, theoretisch, relative Dichte in %)
• Gefügebilder (Lichtmikroskop, REM/EDX) mit Kommentar zu Homogenität, Porosität, Seigerungen
• Wärmeleitfähigkeit bei 25°C (und ggf. bei höheren Temperaturen)
• Elektrische Leitfähigkeit (%IACS, MS/m)
• Biegefestigkeit (MPa) und ggf. Bruchbild
• Härte (HRH oder HV10)
• Chemische Analyse (W, Cu, Hauptverunreinigungen in Gew.% oder ppm)
• Ergebnisse der Röntgenprüfung (falls durchgeführt)
• Vergleich mit den Kundenspezifikationen (falls vorhanden) – „entspricht“ / „entspricht nicht“
• Archivierung der Rohdaten für 10 Jahre

Anwendungen in der österreichischen Industrie

• Elektroindustrie (Schaltanlagenbau, Leistungsschalter – z. B. in Umspannwerken): Prüfung von WCu-Kontakten auf Dichte und Wärmeleitfähigkeit.
• Funken-Erosion (EDM) – Formenbau: Qualifizierung von WCu-Elektroden für hochpräzise Bearbeitung (Prüfung des Gefüges und Verschleißwiderstands).
• Leistungselektronik (z. B. IGBT-Module, RF-Verstärker): Wärmesenken aus WCu – Nachweis der Wärmeleitfähigkeit und thermischen Zyklenstabilität.
• Luft- und Raumfahrt (Hochtemperaturkomponenten): Prüfung von WCu-Kupfer-Verbundwerkstoffen unter extremen Bedingungen.
• Forschung und Entwicklung (TU Graz, Montanuniversität Leoben): Gefügecharakterisierung von neuen W-Cu-Legierungen mit niedrigem Cu-Gehalt.