Development of a sustainable zinc process for recycling of cemented carbides using gaseous zinc

WC-Co-Hartmetalle sind unverzichtbare Werkstoffe für Anwendungen in der Zerspanung, beim Bohren, Umformen und im Verschleißschutz. Ihre Herstellung basiert jedoch auf Wolfram und Cobalt, die beide als kritische Rohstoffe gelten und mit zunehmenden Versorgungsrisiken sowie geopolitischen Abhängigkeiten verbunden sind. Effiziente Recyclingverfahren gewinnen daher aus ökologischer, ökonomischer und strategischer Sicht an Bedeutung. Der Zinkprozess stellt dabei das wichtigste direkte Recyclingverfahren dar, da er die Rückgewinnung eines wiederverwendbaren Pulvers ermöglicht und das ursprüngliche WC-Co-Werkstoffsystem weitgehend erhält. Gleichzeitig ist der konventionelle Prozess mit hohen Temperaturen, langen Behandlungszeiten und einem energieintensiven Destillationsschritt verbunden. Die vorliegende kumulative Dissertation befasst sich mit der Weiterentwicklung eines nachhaltigen Zinkprozesses zum Recycling von Hartmetallen unter Verwendung von gasförmigem Zink. Die Arbeit verbindet prozessmetallurgische Grundlagen, die Entwicklung experimenteller Versuchsaufbauten sowie systematische Untersuchungen zur zinkinduzierten Desintegration und zur anschließenden Zinkentfernung. Im Mittelpunkt stehen der Einfluss von Werkstoffzusammensetzung, Mikrostruktur und Prozessbedingungen auf die Effizienz des gesamten Recyclingwegs. Die Ergebnisse zeigen, dass gasförmiges Zink eine vielversprechende Grundlage für einen selektiveren und potenziell effizienteren Desintegrationsprozess darstellt als konventionelle flüssigphasenbasierte Behandlungen. Gleichzeitig ist die zinkinduzierte Desintegration stark werkstoffabhängig und wird durch das gekoppelte Zusammenwirken von Reaktions- und Transportvorgängen bestimmt. Die Rezyklierbarkeit hängt dabei nicht nur von der grundlegenden WC-Co-Zusammensetzung, sondern auch von Legierungszusätzen und mikrostrukturellen Merkmalen ab, welche die Reaktivität der Binderphase, Grenzflächenvorgänge und rissunterstützte Transportprozesse beeinflussen. Darüber hinaus zeigen experimentelle und thermodynamische Untersuchungen, dass bereits unter moderaten Vakuumbedingungen ein wesentlicher Anteil des Zinks aus dem desintegrierten Material entfernt werden kann. Dies spricht dafür, die konventionelle Hochvakuumstrategie kritisch zu hinterfragen und den Destillationsschritt differenzierter zu betrachten. Insgesamt entwickelt die Dissertation ein schlüssiges prozessmetallurgisches Konzept für einen nachhaltigeren Zinkprozess auf Basis gasförmiger Zinkdesintegration, materialspezifischer Prozessführung und stufenweiser Zinkentfernung. Damit wird eine verbesserte wissenschaftliche Grundlage für die effizientere Rückgewinnung von Wolfram und Cobalt aus Hartmetallschrotten geschaffen.