Hartmetall – was ist das eigentlich?

Hartmetall gehört den Verbundwerkstoffen an. Genau genommen handelt es sich dabei um Legierungen aus metallischen Hartstoffen (Karbide) und einem Bindemetall.
Typisch sind die sehr hohe
Härte und die ausserordentlich
hohe VerschleissFestigkeit. 

 

Hartmetall – was ist drin?

Hartmetalle werden meist in der Kombination Wolframkarbid und Kobalt (WC+Co) hergestellt. Als Hartstoffe kommen neben Wolfram (WC) auch Titan (TiC), Tantal (TaC), Chrom (CrC) oder andere Karbide zum Einsatz. Die am meisten verwendeten Bindemittel sind Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Nickel-Chrom (NiCr).

 

Hartmetall – wer hat´s erfunden?

Im Jahre 1914 ließen Lohman und Voigtländer ihr gegossenes Hartmetall patentieren, aber konnten sich damit – aufgrund dessen Sprödheit – zunächst nicht am Markt durchsetzen. Dies gelang erst neun Jahre später, als Karl Schröter und Heinrich Baumhauer gesintertes Hartmetall entwickelten. Ihr Patent wurde 1923 von Osram aufgekauft. Die industrielle Nutzung kam ab 1926 in Rollen. Krupp Hartmetall brachte Werkstoff unter dem dem Namen Widia, wie Diamant, erfolgreich auf den Markt. In der UdSSR wurde das Hartmetall ab 1929 als Pobedit von der gleichnamigen Firma entwickelt.

 

Wolframkarbid – Wolfram was?

Aufgrund seiner außerordentlichen Härte wird WOLFRAMCARBID oft mit Diamant verglichen. Es wird aus den wichtigsten Wolframerzen Wolframit und Scheelit gewonnen. Diese werden hauptsächlich in China, Russland, Kanada, Österreich und Portugal abgebaut. Wolframkarbid wird durch die Zugabe von Kohlenstoff von Wolframpulver hergestellt. Diesen Prozess nennt man KARBURIERUNG   Dabei handelt es sich um einen Metallbehandlungsvorgang, der Carbon der Oberfläche des Metalls hinzufügt, das einen kohlenstoffarmen Inhalt hat – und der letztendlich die Härte des Metalls erhöht. 

 

Alles eine Frage der Bindung? Stimmt!?

Als Hauptbinder wird Kobalt eingesetzt, da es den Sinterprozess positiv beeinflusst. Ist eine höhere Korrosionsbeständigkeit angestrebt, ist Nickelbinder die richtige Wahl. Insgesamt gesehen sind die meistverwendeten Bindematerialien in der heutigen Hartmetallproduktion Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Nickel-Chrom (NiCr).

 

Ein Werkstoff, viele Vorteile – das bietet Hartmetall!

Hartmetall ist in seiner Verwendung außerordentlich flexibel einsetzbar und bietet zahlreiche Vorteile. Für die meisten Kunden von DURIT sind dabei die drei nachfolgenden Eigenschaften die wichtigsten.

Verschleissfestigkeit

In zahlreichen Industrie-Prozessen kommt es zu abrasiven Vorgängen zwischen 
unterschiedlichen Werkstoffen, bei denen immer einer der beiden Werkstoffe vorzeitig verschleißt. Hartmetall bietet hier – auch aufgrund seiner vielseitigen Einsetzbarkeit – 
optimale Möglichkeiten, den vorzeitigen Verschleiß 
erheblich zu reduzieren.

Härte

Der Härtegrad wird bei Hartmetall nach dem Vickers-Eindruck-Verfahren ermittelt. Die Kraft eines Gewichtes von 30 kg bzw. 294 Newton wird hierbei eingesetzt, um über einen definierten Diamanten einen messbaren Oberflächeneindruck zu erzeugen. Die Härte des Hartmetallbauteils steigt mit sinkendem Bindemittelgehalt und sinkender Korngröße.

Druckfestigkeit

Im Vergleich zu anderen Werkstoffen zeichnet sich Hartmetall durch enorme Druckfestigkeit aus. Diese steigt mit sinkendem Bindemittelgehalt und sinkender Korngröße. Hartmetallsorten mit geringer Wolframcarbid-Korngröße und niedrigem Bindemittelgehalt haben eine typische Druckfestigkeit von annähernd 7000 N/mm².

 

Hartmetall- herstellung kurz erklärt: So wird´s gemacht!

Das Pulver aus Wolframcarbid und dem gewählten Binder wird in der gewünschten Zusammensetzung gemischt und vermahlen. Im Anschluss wird es getrocknet. Das daraus entstehende Granulat wird dann in Form gepresst. Hierfür stehen verschiedene Arten der direkten und indirekten Formgebung zur Auswahl. Danach kann der Pressling, der auch Grünling genannt wird, mechanisch bearbeitet werden. Anschließend erfolgt die Sinterung bei ca. 1.300 – 1.500 °C.

 

Pulver, Pressling, Grünling – ja was ist das eigentlich?

Der im Kreidezustand befindliche Pulverpressling wird fachlich korrekt als
Grünling bezeichnet. Während des Sintervorgangs verringern sich Porosität und Volumen deutlich.

 

Sintern – ein ganz schön heisses Verfahren.

Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen – ein
thermischer Prozess unter Sauerstoffausschluss. Bei der Hartmetall-
herstellung werden die Wolframkarbide dadurch fest in einer Bindermatrix
eingebunden. Zu diesem Zweck wird der Binder im Grünling bis zur Flüssigphase
erhitzt. Er füllt die vorhandenen Zwischenräume aus und umschließt die Karbide.
Beim Sinter-HIP Verfahren wird nach dem Erreichen der Flüssigphase unter hohem Druck Argon eingepresst. Dadurch wird das Hartmetall nochmals verdichtet und erhält eine homogene, porenfreie Struktur.

 

Der Rohling – für die Weiterverarbeitung bestimmt.

Der Begriff Rohling steht für ein Werkstück, das noch weiterverarbeitet werden muss. In der Hartmetallherstellung handelt es sich dabei um das nach dem Sintern vorliegende Bauteil. Gut zu wissen: Rohlinge von DURIT besitzen ein sehr geringes Schleifaufmass – für die optimale Weiterbearbeitung.

 

Wie lange bis zum fertigen Hartmetall- Bauteil?

Hartmetall ist nicht gleich Hartmetall. Die Produktionsdauer hängt von der Bauteil-
größe, den gewünschten Geometrien sowie der geforderten Qualität ab. Eine pauschale Aussage bezüglich der Herstellungsdauer lässt sich also nicht treffen – sie wird für jedes Bauteil individuell ermittelt.

 

Welche Hartmetall- sorten wofür?

Je nach Zusammensetzung und Gefügestruktur hat Hartmetall sehr unterschiedliche Eigenschaften. Grundsätzlich ordnet man folgende drei Typen zu.

» GD

Hartmetalle für die Umformtechnik, den Verschleiß- und Korrosionsschutz

» BD

Hartmetalle für die Umform- und Bergbautechnik

» KD

Hartmetalle für die Zerspanungstechnik

 

Binder, Binderanteil, Korngrösse – das macht den Unterschied!

Aufgrund verschiedenster Zielsetzungen besitzen Hartmetalle ganz unterschiedliche, INDIVIDUELLE Eigenschaften. Grundsätzlich unterscheiden sich die Hartmetallsorten durch den eingesetzten Binder, den Binderanteil sowie die Korngröße.

 

Vom Nanofeinstkorn bis zum Extragrobkorn – die Korngrössen.

Die Ausgewogenheit von Härte und Verschleißfestigkeit auf der einen und Zähigkeit auf der anderen Seite macht Hartmetall so besonders. Die genauen Eigenschaften werden durch die Zusammensetzung bestimmt. Mitentscheidend ist die Auswahl der verwendeten Korngrößen. So gilt:

Je feiner DAS KORN,  umso grösser sind härte und verschleisssähigkeit.

JE GRÖBER DAS KORN, DESTO GRÖSSER IST DIE ZÄHIGKEIT.

» Nanofeinkorn < 0,2 µm

» Ultrafeinstkorn 0,2 – 0,5 µm

» Feinstkorn 0,5 – 0,8 µm

» Feinkorn 0,8 – 1,3 µm

» Normalkorn 1,3 – 2,5 µm

» Grobkorn 2,5 – 6,0 µm

» Extragrobkorn > 6,0 µm

 

Was mit was? Mit welchen Werkstoffen kann man Hartmetall kombinieren?

Hartmetall lässt sich mit vielen Materialien kombinieren. So kann der Werkstoff gelötet, geschrumpft, geklebt, geschraubt, geklemmt oder auch gepresst werden. Neben geeigneten Kunststoffen kommen dafür alle metallischen Werkstoffe in Frage.

 

Welche Befestigungs- arten sind möglich?

Welche Befestigungsart sinnvoll ist, hängt wesentlich vom Einsatzgebiet des Werkstückes ab. Letztendlich bietet Hartmetall hierfür zahlreiche Optionen: u.a. Löten, Kleben, Schrumpfen, Gießen oder die mechanische Befestigung.

 

Hartmetall Löten

Hartmetall lässt sich auf geeignete Stahlbauteile auflöten. Hierbei ist auf eine
lötgerechte Gestaltung der Hartmetallbauteile zu achten. Dabei ist zu bedenken, dass Hartmetall im Vergleich zu Baustahl nur eine etwa halb so grosse Wärmeausdehnung besitzt.

 

Hartmetall Kleben

Bevor man Hartmetall klebt, muss die Klebefläche entsprechend bearbeitet und mechanisch aufgeraut werden. Die verwendeten Kleber besitzen bis zu 200°C eine gute Warmfestigkeit. Der Werkstoff lässt sich sehr gut kleben. Allerdings muss die Klebefläche mechanisch vorbearbeitet , bzw. aufgeraut, werden. Kleben ist in vielen Fällen eine gute Alternative zu Löten. Die verwendeten Kleber besitzen noch bis 200°C eine gute Warmfestigkeit. Bei höheren Temperaturen ist das Löten die einzige Alternative.

 

Hartmetall Schrumpfen

Warmschrumpfen ist die ideale Befestigung für gefasste rundlaufende Werkzeuge im Bereich der Umformtechnik. Hierbei wird die Stahlfassung auf 450°C erwärmt und anschließend der Hartmetallkern eingefügt.

 

Hartmetall Giessen

Stahlgussbauteile können über ein spezielles Gussverfahren direkt mit kobalthaltigen Hartmetallbauteilen verbunden werden. Dabei entsteht eine Mischzone aus Hartmetall und Stahlguss – mit ausgezeichneter Haftung.

 

Hartmetall Mechanische Befestigung

Hartmetallbauteile lassen sich problemlos verschrauben. Konstruktionstechnisch sollte das Gewinde im Trägermaterial vorgesehen werden. Zu bedenken ist, dass die Fertigung von Gewinden in Vollhartmetall in der Regel sehr aufwändig ist.

 

Wie exakt lässt sich Hartmetall bearbeiten?

Wie präzise Hartmetall bearbeitet werden kann, hängt von der Werkstückgeometrie ab. Konturierte Bauteile lassen sich teilweise nur im Grünling wirtschaftlich bearbeiten. Durch die Schwindung des Grünlings kann man beim Sinterprozess eine Genauigkeit im Zehntel-Bereich realisieren. Bei rundlaufenden bzw. regelgeometrischen Körpern ist die Präzision deutlich höher: mit Genauigkeiten von bis zu 3 µm.

 

Hart, härter, Hartmetall – so hart kann es sein!

Die Härte von Hartmetall wird europaweit in Vickers festgehalten. In den USA bevorzugt man die Rockwellprüfung (HRA). Tatsächlich bietet Hartmetall ein breites Spektrum verfügbarer Härten. Es reicht von „weichen“ Sorten mit einer Härte von 770HV30 bis zu hochverschleißfesten Sorten mit einer Härte von bis zu 2000HV30.

 

Kann Hartmetall rosten?

Ja, aber nicht in der Art wie es bei Stählen der Fall ist. Bei einem kobaltgebundenen Hartmetall kann eine oberflächige Oxidation des Kobalts erfolgen, die aber nicht die eigentliche Struktur zerstört wie bei einem Stahl.

 

Ist Hartmetall elektrisch leitend?

Die Frage, ob Hartmetall leitet, ist mit einem klaren Ja zu beantworten. Aufgrund seines Wolframkarbidanteils ist Hartmetall sogar ein sehr guter Leiter. Der durchschnittliche Widerstand beträgt 20 µΩ/cm.

 

Ist Hartmetall magnetisch?

Durch die verwendeten Bindermaterialien Kobalt und Nickel besitzen Hartmetalle magnetische Eigenschaften. Durch ein spezielles Sinterverfahren lässt sich bei nickelgebundenen Hartmetallen die Magnetisierbarkeit stark reduzieren.

 

Kann Hartmetall beschichtet werden?

Hartmetall kann mittels PVD oder CVD Verfahren beschichtet werden. Das PVD Verfahren ist aufgrund der niedrigen Beschichtungstemperaturen von rund 450 °C, dem CVD Verfahren mit Beschichtungstemperaturen von 900-1.100 °C vorzuziehen. Hartmetall wird oft als Basis für Beschichtungen genutzt, da es eine hohe Druckfestigkeit besitzt und so z.B. beim Einsatz von beschichteten Bauteilen kein Eierschaleneffekt auftritt.