Carbidhartmetalle

Hartmetallwendeschneidplatten für Drehmaschinen

Hartmetall- Gewindefräser

Unter Hartmetallen versteht man gesinterte Carbidhartmetalle. Kennzeichnend für die Hartmetalle sind sehr hohe Härte, Verschleißfestigkeit und besonders die hohe Warmhärte. Sie finden daher eine ausgedehnte Anwendung in der Bestückung von Werkzeugen und Teilen für die Zerspanung, spanlose Formgebung und bei reibendem Verschleiß. Hartmetall gehört den Verbundwerkstoffen an.

Hartmetall besteht meistens aus 90–94 % Wolframcarbid (Verstärkungsphase) und 6–10 % Cobalt (Matrix, Bindemittel, Zähigkeitskomponente). Die Wolframcarbidkörner sind durchschnittlich ca. 0,5–1 Mikrometer groß. Das Kobalt füllt die Zwischenräume.

Gegossenes Hartmetall, das noch sehr viel in der Bearbeitung von frischem Holz verwendet wird, bezeichnet man als Stellite.

Das Sintern beruht darauf, dass man hochschmelzende Hartstoffe im fein zerkleinerten Zustand mit einem leichter schmelzenden zweiten Stoff (Zusatzkörper) mischt und auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des schwer schmelzbaren Anteils (Carbide) erhitzt, wobei die Temperatur und Zeitdauer der Erhitzung so gewählt werden, dass die Carbide zusammenbacken.

Geschichte

Gegossenes Hartmetall wurde 1914 von Lohmann und Voigtländer zum Patent angemeldet, doch hat es sich aufgrund seiner Sprödheit nicht bewährt. Gesintertes Hartmetall konnte 1923 von Karl Schröter^[1] und Heinrich Baumhauer^[2] zum Patent angemeldet werden, welches die Fa. Osram aufkaufte. 1926 brachte dann die Firma Krupp Hartmetall unter dem Namen Widia (Wie Diamant) auf den Markt.^[3][4] Pobedit wurde 1929 in der UdSSR von der gleichnamigen Firma entwickelt.

Herstellung von Hartmetall

Urformen

Herstellung der sogenannten „Grünlinge“: Die Formgebung erfolgt durch Pulverkompaktierung (Pressen) oder die Verarbeitung formbarer Massen (z. B. Strangpressen).

Stoffeigenschaften ändern

Danach wird der Grünling je nach Herstellverfahren im Vakuum oder in einer Schutzatmosphäre bei Temperaturen bis 1600 °C und Drücken bis 2000 bar gesintert. Das Pulver kann dabei in einem Gesenk oder in verschweißte Stahlbleche eingepackt erhitzt und verdichtet werden. Es kommen unterschiedliche, in der Regel aktive, den Sinterprozess unterstützende Gase zum Einsatz. Das Verfahren liefert hochfeste und dichte Werkstücke.

Trennen, Beschichten

Für die gängigste Anwendung, Hartmetall-Wendeschneidplatten, folgen oft noch die Arbeitsgänge Schleifen (Unterseite, gegebenenfalls Oberseite, Kanten, Radien), Beschichten (CVD-Verfahren, PVD-Verfahren (physical vapor deposition), Vakuum-Elektroden-Abscheiden), Beschriften und Verpacken.

Werkstoff-Varianten

Es gibt neben den konventionellen Hartmetallen auf Wolframcarbid-Basis auch Hartmetalle, die nur Titancarbid und Titannitrid als Hartstoffe beinhalten. Die Bindephase besteht dabei aus Nickel, Cobalt und Molybdän. Diese als Cermets (ceramic + metal) bezeichneten Hartmetalle zeichnen sich durch eine weiter erhöhte Warmfestigkeit und Härte und durch sehr geringe Diffusions- und Adhäsionsneigung aus. So sind noch höhere Schnittgeschwindigkeiten zum Schlichten von Metall möglich. Aus diesem Grund werden die Cermet-Schneidstoffe vorwiegend zum High Speed Cutting (HSC) Verfahren eingesetzt.

Hartmetall-Sorten

Je nach Zerspanungsanwendung werden Hartmetalle in verschiedene Gruppen (P,M,K) unterteilt:

1. P-Hartmetalle (Kennzeichnungsfarbe: blau) haben einen verhältnismäßig großen Anteil an Titan- und Tantalcarbid (TiC bzw. TaC), und werden zur Bearbeitung von langspanenden Werkstoffen verwendet, z. B. Stahl, Stahlguss, langspanender Temperguss.
2. Die fast TiC- und TaC-freien Hartmetalle der K-Gruppe (Kennzeichnungsfarbe: rot) werden bevorzugt für die Bearbeitung von kurzspanenden Werkstoffen verwendet, z. B. Eisenguss, NE-Metallen (Nicht-Eisen-Metalle), gehärtete Stähle, Holz und für Kunststoff verwendet.
3. Die Hartmetalle der M-Gruppe (Kennzeichnungsfarbe: gelb) können als Übergang zwischen P- und K-Hartmetallen angesehen werden. Man bezeichnet sie als Mehrzwecksorte, das Einsatzgebiet sind z. B. Stahl, austenitische Stähle, Automatenstähle, Manganhartstahl.

Der Sortenkennzeichnung folgt eine Kennzahl, die das Verschleißverhalten und die Zähigkeit beschreibt. Je kleiner die Zahl, umso größer ist der Verschleißwiderstand, aber umso geringer die Zähigkeit. Typische Kennzahlen sind: 01, 10, 20, 30, 40, 50 (z. B. P 01, M 30, K 05). Endungen F, bzw. UF bedeuten fein bzw. ultrafein (z. B. K40UF)

Anwendung zum Trennen

Hauptartikel: Schneidstoff

Hartmetalle sind nicht so zäh wie Schnellarbeitsstähle (HS, alte Bez. S), ertragen aber viel höhere Schnitttemperaturen (Temperaturbeständigkeit 1100–1200 °C) und damit noch höhere Schnittgeschwindigkeiten (~40–350 m/min) als Schnellarbeitsstähle. Sie sind im Gegensatz zu Schnellarbeitsstahl nur durch Schleifen bearbeitbar. Sie haben hohe Druckfestigkeit (4000–5900 N/mm² bzw. MPa), mittlere Biegefestigkeit (800–2200 N/mm² bzw. MPa), hohe Dichte (6.0–15.0 kg/dm³) und E-Moduli von 430.000 bis 630.000 N/mm² bzw. 430 bis 630 GPa. Durch ihre hohe Härte (Vickershärte HV30: 1300–2400) sind Hartmetalle spröde, d. h. empfindlich gegen Schlag und Stoß sowie gegen plötzliche Temperaturwechsel (sogenannte Thermoschock-Empfindlichkeit).

Zur Optimierung verringert man die Korngrößen, was höheren Aufwand zur Herstellung der Vormaterialien voraussetzt und die Kosten in die Höhe treibt. Eine kleinere Korngröße führt zu höherer Zähigkeit, höherer Härte und höherer Bruchdehnung. Faustformel: 1/4 der ursprünglichen Korngröße ergibt doppelt so hohe Bruchdehnungen. Leider sind dieser Möglichkeit von der Strukturmechanik her bei ca. 50 nm Grenzen gesetzt.

Klassischer Anwendungsfall von Hartmetall-Werkzeugen ist die zerspanende Bearbeitung von Metallen per Drehen, Fräsen und Bohren. Daneben gibt es auch etliche andere Anwendungsfälle; z. B. sind die Messer von Zigarettenpapierschneideinrichtungen aus Hartmetall verfertigt. Auch der Einsatz von Werkzeugen in Gesteinsmühlen und in Bergwerken ist eine Domäne von Hartmetallen: Gesteine zu bohren, Tunnel aufzuschließen mithilfe von Schrämmaschinen, Walzenladern, Teilschnittmaschinen (siehe Fa. Gebr. Eickhoff Maschinenfabrik und Eisengießerei in Bochum) oder Schildvortriebsmaschinen sind samt und sonders prädestiniert für die Verwendung von Hartmetall-bestückten Bohr- und Schneidwerkzeugen.

Anwendungen zum Umformen

Die Einsetzbarkeit von Hartmetall ist auch bei Umform-Vorgängen gegeben, so zur Querschnittsverringerung in Ziehmatrizen bei der Herstellung von Drähten, Rohren und Profilen aus Stahl, Kupfer und Messing. Auch die Herstellung von Pressstempeln und Pressmatritzen zur Verpressung von Hartmetallpulver ist selbst ein Beispiel für den Einsatz von Hartmetall zur Umformtechnik. Diese Hartmetallsorten werden in der Regel als G-Sorten bezeichnet. Z. B. G05; G10; G20 usw. Je höher die Zahl, umso zäher das Hartmetall.

Einzelnachweise

1. ↑ Schröter, Karl: Verfahren zur Herstellung einer harten Schmelzlegierung fuer Arbeitswerkzeuge, insbesondere Ziehsteine, Deutsches Reichspatent No. 498349A, 1923
2. ↑ Baumhauer, Heinrich, Hard tool and implement and in process of making, General Electric Company, US-Patent No. 1512191A, 1922
3. ↑ Werner Degner, Hans Lutz, Erhard Smejkal: Spanende Formung, Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3446221387, S. 67
4. ↑ Wolfgang Filì, Die kreativen Zeiten fangen jetzt erst an, Industrieanzeiger

Weblinks

• Technisches Skript der luxemburgischen Firma Cerametal S.à.r.l
• Hartmetallarbeitsplätze - Exposition und Bewertung, Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft, Jan/Feb. 2008, Springer-Verlag