HartmetallWiki

Hartmetall.Was ist das eigentlich?

Hartmetall gehört zu den Verbundwerkstoffen. Genau genommen handelt es sich um Legierungen aus metallischen Hartstoffen – sogenannten Karbiden –
sowie einem Bindemetall.
Typisch sind die sehr hohe Härte
und die ausserordentlich
hohe Verschleissfestigkeit.

Hartmetall.Woraus besteht es?

Hartmetalle sind gesinterte Verbundwerkstoffe aus metallischen Hartstoffen und einem Bindemittel. Sie werden meist in der KombinationWolframkarbid und Kobalt (WC+CO) hergestellt. Neben Wolfram (WC) kommen als Hartstoffe 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.Entdeckung, Erfindung,Historie.

Als der Chemiker Henri Moisson im Jahre 1894 nach synthetischen Diamanten forschte, wurde der Begriff Wolframcarbid (WC) erstmals breit dokumentiert. Rund zwanzig Jahre später finalisierten die Unternehmer Hugo Lohmann und Otto Voigtlän-der ihr Verfahren zur Produktion von Werkstücken aus Wolframcarbid, welche durch Sintern knapp unter dem Schmelzpunkt hergestellt wurden. 1914 ließen sie ihr gegossenes Hartmetall patentieren. Sie konnten sich damit – aufgrund dessen damali-ger Sprödheit – aber 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 ins Rollen. Krupp Hartmetall brachte den Werkstoff unter dem Namen Widia, wie Diamant, erfolgreich auf den Markt. In der UdSSR wurde das Hartmetall ab 1929 als Pobedit von der gleichnamigen Firma entwickelt.

Wolframcarbid.So hart ist das!

Als Hartmetall-Hartstoff kommt meist Wolframcarbid (WC) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen Hochleistungswerkstoff, der aus Wolfram und Kohlenstoff gebildet wird. Herausragende Eigenschaft ist seine Härte. Diese reicht an die eines Diamanten heran. Wolframcarbid wird aus den Wolframerzen Wolframit und Scheelit gewonnen. Diese werden heute zu großen Teilen in China, Russland, Kanada, Österreich und Portugal abgebaut. Der Herstellungsprozess nennt sich Karburierung. Dabei handelt es sich um einen Metallbehandlungsvorgang, der Kohlenstoff der Oberfläche des Metalls hinzufügt, das einen kohlenstoffarmen Inhalt hat – und der letztlich die Härte des Metalls erhöht. Wolframcarbid-Kobalt-Hartmetalle repräsentieren die Hartmetall-Sorten, die heutzutage die größte Bedeutung haben.

Das beste Hartmetall?Eine Frage der Bindung.

Als Hauptbinder für Hartmetall wird Kobalt eingesetzt, da es den Sinterprozess positiv beeinflusst. Ist eine höhere Korrosionsbeständigkeit angestrebt, ist ein Nickelbinder die richtige Wahl. Die meistverwendeten Bindematerialien in der heutigen Hartmetallproduktion sind Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Nickel-Chrom (NiCr). In diesem Zusammenhang lässt sich noch ergänzen: Die Härte eines Hartmetallbauteils steigt mit sinkendem Bindemittelgehalt und sinkender Korngröße.

Ein Werkstoff,viele Vorteile.Das kannnur Hartmetall!

Hartmetall ist in seiner Verwendung außerordentlich flexibel. Der Werkstoff überzeugt mit seiner enorme Vielseitigkeit und bietet zahlreiche Vorteile und Besonderheiten, die ihn für den Einsatz in zahlreichen Industrien interessant machen. 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.Die Herstellung.

Hartmetallproduktion kurz und knapp erklärt: 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 Aus-wahl. Danach kann der Pressling, der auch Grünling genannt wird, mechanisch bearbeitet werden. Anschließend erfolgt die Sinterung bei ca. 1.300 – 1.500 °C.

Grünling oderPressling?

Der im Kreidezustand befindliche Pulverpressling wird fachlich korrekt als Grünling bezeichnet. Der Grünling weist sämtliche geometrischen Eigenschaften des gewünschten Bauteils auf. Während des Sintervorgangs verringern sich Porosität und Volumen deutlich.

Das Sinterverfahren.

Der Begriff Sintern bezeichnet einen thermischen Prozess unter Sauerstoffausschluss. Bei der Hartmetallherstellung 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.

Hartmetall.Der Rohling.

Die Bezeichnung Rohling oder Hartmetall-Rohling steht für ein Werkstück, das noch weiterverarbeitet werden muss. In der Hartmetallherstellung handelt es sich um das nach dem Sintern vorliegende Bauteil. Damit aus dem Pulvergemisch ein fertiger Hartmetall-Rohling wird, muss dieses in einer Form verpresst werden. Gut zu wissen: Rohlinge von Durit besitzen ein sehr geringes Schleifaufmass - für die optimale Weiterbearbeitung. 

Wie lange dauertdie Hartmetall-produktion?

Hartmetall ist nicht gleich Hartmetall. Die Produktionsdauer eines Hartmetallwerk-zeugs oder einer Hartmetallkomponente oder eines Hartmetallwerkstücks hängt von der Bauteilgröße, den gewünschten Geometrien sowie der geforderten Qualität ab. Eine allgemeine Aussage bezüglich der Herstellungsdauer lässt sich also nicht treffen – sie wird für jedes Bauteil individuell ermittelt. 

Hartmetall-Sorten.Ein Überblick!

Wo kommen welche Hartmetall-Sorten zum Einsatz? Zunächst einmal muss man festhalten: Je nach Zusammensetzung und Gefügestruktur hat Hartmetall sehr unterschiedliche Eigenschaften. Grundsätzlich ordnet man folgende zwei Typen zu.

» GD
Hartmetalle für die Umformtechnik, den Verschleiß- und Korrosionsschutz.

» BD
Hartmetalle für die Umform- und Bergbautechnik.

Hartmetall.Binder, Binderanteil undKorngrösse.

Aufgrund verschiedenster Zielsetzungen besitzen Hartmetalle ganz unterschiedliche individuelle Eigenschaften. Grundsätzlich grenzen sich die Hartmetallsorten durch den eingesetzten Binder ab und differenzieren sich durch den Binderanteil sowie die Korngröße

Vom Nanofeinstkorn biszum Extragrobkorn.Hartmetall-Korngrössen.

Die Ausgewogenheit von Härte und Verschleißfestigkeit auf der einen und die Zähigkeit auf der anderen Seite macht Hartmetall so besonders. Die genauen Eigenschaften werden durch die Zusammensetzung bestimmt. Ganz entscheidend ist die Auswahl der verwendeten Korngrößen. Für Hartmetall gilt:
Je feiner die Legierung, um so grösser ist ihre Härte und ihre Verschleissfestigkeit.

» 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

Mit welchenWerkstoffen kann manHartmetallkombinieren?

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

Hartmetall.WelcheBefestigungsartensind möglich?

Wie kann man Hartmetall mit anderen Werkstoffen oder Produkten verbinden? Nun, welche Befestigungsart sinnvoll ist, hängt wesentlich vom Einsatzgebiet des Werkstückes ab. Unterm Strich bietet Hartmetall hierfür zahlreiche  Optionen: u.a. Löten, Kleben, Schrumpfen, Gießen oder die mechanische Befestigung.

Hartmetalllöten.

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.

Hartmetallkleben.

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

Hartmetallschrumpfen.

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.

Hartmetallgiessen.

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

mechanischeBefestigungvon Hartmetall.

In der Regel lassen sich Hartmetallbauteile ganz einfach und völlig problemlos verschrauben. Konstruktionstechnisch sollte das Gewinde im Trägermaterial vorgesehen werden. Je nach Hartmetallsorte lässt sich das Gewinde auch in Vollhartmetall fertigen.

Wie präzise lässtsich Hartmetallbearbeiten?

Hierüber entscheidet insbesondere die Werkstückgeometrie: 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 mit Genauigkeiten von bis zu 3 μm deutlich höher.

Hartmetall.So hart kann es sein!

Die Härte von Hartmetall wird europaweit in Vickers festgehalten. Das Vickers-Verfahren ist ein statisches Härteprüfverfahren. Vickers Limited war ein 1828 gegründeter bedeutender britischer Maschinenbau- und Rüstungskonzern. 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 Hartmetallrosten?

Bei einem kobaltgebundenen Hartmetall kann die oberflächige Oxidation des Kobalts durchaus erfolgen. Der Prozess ist aber in keiner Weise mit dem Rosten zu vergleichen, wie wir es von z. B. Stahl kennen. Der Grund dafür: Die eigentliche Werkstoffstruktur wird nicht in diesem Masse zerstört.

Ist Hartmetallelektrisch?

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 Hartmetallmetallisch anziehend?

Ja, 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 Hartmetallbeschichtet 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.