Hartmetall ist ein Legierungswerkstoff, der durch ein pulvermetallurgisches Verfahren aus einer harten Verbindung eines hochschmelzenden Metalls und eines Bindemittels hergestellt wird. Es zeichnet sich durch eine Reihe hervorragender Eigenschaften aus, darunter hohe Härte, Verschleißfestigkeit, gute Festigkeit und Zähigkeit, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Besonders hervorzuheben sind seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, die selbst bei Temperaturen von 500 °C nahezu unverändert bleiben und selbst bei 1000 °C noch eine hohe Härte aufweisen. Hartmetall findet breite Anwendung als Werkzeugmaterial, beispielsweise für Drehmeißel, Fräser, Hobel, Bohrer und Ausdrehwerkzeuge. Es eignet sich zum Bearbeiten von Gusseisen, Nichteisenmetallen, Kunststoffen, Chemiefasern, Graphit, Glas, Stein und normalem Stahl und kann auch zum Schneiden schwer zerspanbarer Werkstoffe wie hitzebeständigem Stahl, Edelstahl, Manganstahl und Werkzeugstahl eingesetzt werden. Die Schnittgeschwindigkeit moderner Hartmetallwerkzeuge ist heute um ein Vielfaches höher als die von Kohlenstoffstahl.
Anwendung von Hartmetall
(1) Werkzeugmaterial
Hartmetall ist der am häufigsten verwendete Werkzeugwerkstoff und eignet sich zur Herstellung von Drehmeißeln, Fräsern, Hobeln, Bohrern usw. Wolfram-Kobalt-Hartmetall eignet sich für die spanabhebende Bearbeitung von Eisen- und Nichteisenmetallen sowie für die Bearbeitung von nichtmetallischen Werkstoffen wie Gusseisen, Messingguss, Bakelit usw. Wolfram-Titan-Kobalt-Hartmetall ist für die spanabhebende Bearbeitung von Eisenmetallen wie Stahl geeignet. Bei ähnlichen Legierungen eignen sich solche mit höherem Kobaltgehalt für die Schruppbearbeitung, solche mit niedrigerem Kobaltgehalt hingegen für die Schlichtbearbeitung. Universalhartmetalle weisen eine deutlich längere Standzeit auf als andere Hartmetalle, insbesondere bei schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Edelstahl.
(2) Formmaterial
Hartmetall wird hauptsächlich für Kaltumformwerkzeuge wie Kaltziehwerkzeuge, Kaltstanzwerkzeuge, Kaltfließpresswerkzeuge und Kaltstanzwerkzeuge verwendet.
Hartmetall-Kaltumformwerkzeuge müssen unter verschleißbelastenden Betriebsbedingungen wie Stoß- oder starker Stoßbelastung eine gute Schlagzähigkeit, Bruchzähigkeit, Dauerfestigkeit, Biegefestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Üblicherweise werden Legierungen mit mittlerem bis hohem Kobaltgehalt und mittlerem bis grobem Kornmaß, wie beispielsweise YG15C, verwendet.
Generell besteht bei Hartmetall ein gegenläufiges Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit: Eine höhere Verschleißfestigkeit führt zu einer geringeren Zähigkeit, und umgekehrt. Daher müssen bei der Auswahl von Legierungen die spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechend dem Bearbeitungsgegenstand und den Bearbeitungsbedingungen berücksichtigt werden.
Neigt die gewählte Sorte zu frühzeitiger Rissbildung und Beschädigung im Gebrauch, sollte die Sorte mit höherer Zähigkeit gewählt werden; neigt sie hingegen zu frühzeitigem Verschleiß und Beschädigung, sollte die Sorte mit höherer Härte und besserer Verschleißfestigkeit gewählt werden. Die folgenden Sorten: YG15C, YG18C, YG20C, YL60, YG22C, YG25C. Von links nach rechts nimmt die Härte ab, die Verschleißfestigkeit ab und die Zähigkeit zu; umgekehrt verhält es sich ebenfalls.
(3) Messwerkzeuge und verschleißfeste Teile
Hartmetall wird für verschleißfeste Oberflächeneinlagen und Teile von Messwerkzeugen, Präzisionslager von Schleifmaschinen, Führungsplatten und Führungsstangen von spitzenlosen Schleifmaschinen, Tischplatten von Drehmaschinen und andere verschleißfeste Teile verwendet.
Als Bindemetalle dienen im Allgemeinen Metalle der Eisengruppe, üblicherweise Kobalt und Nickel.
Bei der Herstellung von Hartmetall liegt die Partikelgröße des ausgewählten Rohmaterialpulvers zwischen 1 und 2 Mikrometern, und es wird eine sehr hohe Reinheit vorausgesetzt. Die Rohstoffe werden entsprechend dem vorgegebenen Mischungsverhältnis dosiert und in einer Nasskugelmühle unter Zugabe von Alkohol oder anderen Medien vermahlen, um eine vollständige Durchmischung und Pulverisierung zu erreichen. Anschließend wird die Mischung gesiebt. Danach wird sie granuliert, verpresst und auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Bindemittels (1300–1500 °C) erhitzt. Dabei bilden die gehärtete Phase und das Bindemittel eine eutektische Legierung. Nach dem Abkühlen verteilen sich die gehärteten Phasen im Gefüge des Bindemittels und verbinden sich eng miteinander zu einem festen Ganzen. Die Härte von Hartmetall hängt vom Gehalt an gehärteter Phase und der Korngröße ab: Je höher der Gehalt an gehärteter Phase und je feiner die Körner, desto höher die Härte. Die Zähigkeit von Hartmetall wird durch das Bindemittel bestimmt. Je höher der Anteil an Bindemittelmetallen, desto höher die Biegefestigkeit.
1923 fügte Schlerter in Deutschland Wolframcarbidpulver 10 bis 20 % Kobalt als Bindemittel hinzu und entwickelte so eine neue Wolframcarbid-Kobalt-Legierung. Ihre Härte war die zweithöchste nach Diamant. Es handelte sich um das erste Hartmetallwerkzeug. Beim Schneiden von Stahl mit einem Werkzeug aus dieser Legierung verschleißt die Schneide schnell und kann sogar brechen. 1929 fügte Schwarzkov in den USA der ursprünglichen Zusammensetzung eine bestimmte Menge Wolframcarbid und Titancarbid hinzu, wodurch die Schneidleistung des Werkzeugs bei Stahl verbessert wurde. Dies ist ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Hartmetallentwicklung.
Hartmetall zeichnet sich durch eine Reihe hervorragender Eigenschaften aus, darunter hohe Härte, Verschleißfestigkeit, gute Festigkeit und Zähigkeit, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Besonders hervorzuheben sind seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, die selbst bei Temperaturen von 500 °C nahezu unverändert bleiben und auch bei 1000 °C noch eine hohe Härte aufweisen. Hartmetall findet breite Anwendung als Werkzeugmaterial, beispielsweise für Drehmeißel, Fräser, Hobel, Bohrer und Ausdrehwerkzeuge. Es eignet sich zum Bearbeiten von Gusseisen, Nichteisenmetallen, Kunststoffen, Chemiefasern, Graphit, Glas, Stein und normalem Stahl und kann auch zum Schneiden schwer zerspanbarer Werkstoffe wie hitzebeständigem Stahl, Edelstahl, Manganstahl und Werkzeugstahl eingesetzt werden. Die Schnittgeschwindigkeit moderner Hartmetallwerkzeuge ist heute um ein Vielfaches höher als die von Kohlenstoffstahl.
Aus Hartmetall lassen sich auch Gesteinsbohrwerkzeuge, Bergbauwerkzeuge, Bohrwerkzeuge, Messwerkzeuge, verschleißfeste Teile, Metallschleifmittel, Zylinderlaufbuchsen, Präzisionslager, Düsen und Metallformen herstellen (wie z. B. Drahtziehmatrizen, Bolzenmatrizen, Mutternmatrizen und verschiedene Formen für Verbindungselemente; die hervorragenden Eigenschaften von Hartmetall haben die bisherigen Stahlformen nach und nach ersetzt).
Später kamen auch beschichtete Hartmetallwerkzeuge auf den Markt. 1969 entwickelte Schweden erfolgreich ein mit Titancarbid beschichtetes Werkzeug. Die Basis des Werkzeugs besteht aus Wolfram-Titan-Kobalt-Carbid oder Wolfram-Kobalt-Carbid. Die Titancarbid-Beschichtung ist nur wenige Mikrometer dick, doch im Vergleich zu Werkzeugen derselben Legierung verlängert sich die Standzeit um das Dreifache und die Schnittgeschwindigkeit erhöht sich um 25 bis 50 %. In den 1970er-Jahren erschien eine vierte Generation beschichteter Werkzeuge für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe.
Wie wird Hartmetall gesintert?
Hartmetall ist ein metallischer Werkstoff, der durch Pulvermetallurgie aus Carbiden und Bindemittelmetallen aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen hergestellt wird.
MHauptproduktionsländer
Weltweit produzieren über 50 Länder Hartmetall mit einer Gesamtmenge von 27.000 bis 28.000 Tonnen. Zu den Hauptproduzenten zählen die USA, Russland, Schweden, China, Deutschland, Japan, Großbritannien und Frankreich. Der Weltmarkt für Hartmetall ist weitgehend gesättigt, der Wettbewerb entsprechend intensiv. Chinas Hartmetallindustrie begann sich Ende der 1950er-Jahre zu entwickeln und erlebte von den 1960er- bis in die 1970er-Jahre ein rasantes Wachstum. Anfang der 1990er-Jahre erreichte Chinas Produktionskapazität 6.000 Tonnen und die Gesamtproduktion 5.000 Tonnen. Damit lag China weltweit an zweiter Stelle hinter Russland und den USA.
WC-Schneider
① Wolfram- und Kobalt-Hartmetall
Die Hauptbestandteile sind Wolframcarbid (WC) und das Bindemittel Kobalt (Co).
Die Güteklasse setzt sich aus „YG“ („hart und kobaltig“ in chinesischem Pinyin) und dem prozentualen Anteil des durchschnittlichen Kobaltgehalts zusammen.
Beispielsweise bedeutet YG8, dass der durchschnittliche WCo-Gehalt 8 % beträgt und der Rest aus Wolfram-Kobalt-Carbid oder Wolframcarbid besteht.
TIC-Messer
② Wolfram-Titan-Kobalt-Carbid
Die Hauptbestandteile sind Wolframcarbid, Titancarbid (TiC) und Kobalt.
Seine Güteklasse setzt sich aus „YT“ (zwei Zeichen im chinesischen Pinyin-Präfix für „hart, Titan“) und dem durchschnittlichen Gehalt an Titancarbid zusammen.
Beispielsweise bedeutet YT15, dass der durchschnittliche WTi-Gehalt 15 % beträgt und der Rest aus Wolframcarbid und Wolfram-Titan-Kobaltcarbid mit Kobaltanteil besteht.
Wolfram-Titan-Tantal-Werkzeug
③ Wolfram-Titan-Tantal (Niob) Hartmetall
Die Hauptbestandteile sind Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid (oder Niobcarbid) und Kobalt. Diese Art von Hartmetall wird auch als universelles Hartmetall bezeichnet.
Seine Note setzt sich aus „YW“ (dem chinesischen phonetischen Präfix von „hard“ und „wan“) und einer fortlaufenden Nummer zusammen, zum Beispiel YW1.
Leistungsmerkmale
Hartmetallgeschweißte Einsätze
Hohe Härte (86–93 HRA, entspricht 69–81 HRC);
Gute thermische Härte (bis zu 900～1000℃, hält 60HRC);
Gute Abriebfestigkeit.
Hartmetall-Schneidwerkzeuge sind 4- bis 7-mal schneller als Schnellarbeitsstahl und weisen eine 5- bis 80-mal höhere Standzeit auf. Bei der Herstellung von Formen und Messwerkzeugen ist die Standzeit 20- bis 150-mal höher als bei legiertem Werkzeugstahl. Sie eignen sich zum Schneiden harter Werkstoffe bis zu einer Härte von ca. 50 HRC.
Hartmetall ist jedoch spröde und lässt sich nicht zerspanen, wodurch die Herstellung von Werkzeugen mit komplexen Formen schwierig ist. Daher werden häufig Schneidplatten in verschiedenen Formen gefertigt, die durch Schweißen, Kleben, mechanisches Spannen usw. am Werkzeugkörper oder Formkörper befestigt werden.
Speziell geformte Stange
Sintern
Beim Sinterformverfahren mit Hartmetall wird das Pulver zu einem Block gepresst, der dann in den Sinterofen gegeben und auf eine bestimmte Temperatur (Sintertemperatur) erhitzt, eine bestimmte Zeit lang (Haltezeit) gehalten und anschließend abgekühlt wird, um ein Hartmetallmaterial mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Der Hartmetall-Sinterprozess lässt sich in vier grundlegende Phasen unterteilen:
1: Im Stadium des Entfernens des Formungsmittels und des Vorsinterns verändert sich der Sinterkörper wie folgt:
Das Entfernen des Formmittels erfolgt mit steigender Temperatur in der Anfangsphase des Sinterprozesses, wobei sich das Formmittel allmählich zersetzt oder verdampft und der Sinterkörper ausfällt. Art, Menge und Sinterprozess variieren.
Die Oxide auf der Pulveroberfläche werden reduziert. Bei der Sintertemperatur kann Wasserstoff die Oxide von Kobalt und Wolfram reduzieren. Wird das Formungsmittel im Vakuum entfernt und anschließend gesintert, ist die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion weniger stark ausgeprägt. Die Kontaktspannungen zwischen den Pulverpartikeln werden allmählich abgebaut, das gebundene Metallpulver beginnt sich zu erholen und zu rekristallisieren, die Oberflächendiffusion setzt ein und die Brikettierfestigkeit verbessert sich.
2: Festphasensinterphase (800℃–eutektische Temperatur)
Bei der Temperatur vor dem Auftreten der flüssigen Phase werden neben der Fortsetzung des Prozesses der vorherigen Phase die Festphasenreaktion und die Diffusion intensiviert, die plastische Verformung verstärkt und der Sinterkörper schrumpft deutlich.
3: Flüssigphasensinterphase (eutektische Temperatur – Sintertemperatur)
Wenn im Sinterkörper die flüssige Phase auftritt, ist die Schrumpfung schnell abgeschlossen, gefolgt von einer kristallographischen Umwandlung zur Bildung der Grundstruktur und Struktur der Legierung.
4: Abkühlphase (Sintertemperatur – Raumtemperatur)
In dieser Phase verändern sich die Struktur und die Phasenzusammensetzung der Legierung unter verschiedenen Abkühlbedingungen. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um das Hartmetall zu erhitzen und so seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Veröffentlichungsdatum: 11. April 2022
