Feinst- und Ultrafeinstkornhartmetalle

1. Einführung

Seit seiner Entwicklung im Jahre 1923 wurde der Werkstoff Hartmetall ständig weiter verbessert und heute hat er als der Verschleißwerkstoff schlechthin eine große Bedeutung erlangt.
Zu keiner Zeit wurde mehr Hartmetall verbraucht als heute.
In der gegenwärtigen Zeit besitzen Hartmetalllegierungen auf der Basis von Wolframcarbid und Kobalt mit feinststrukturiertem Gefügeaufbau eine hohe Wertschätzung in der Anwendung.

Geprägt durch eine deutliche Verringerung der WC-Kristallitkorngröße verkörpern sie eine völlig neue Hartmetallgeneration und zugleich ein neues Hartmetallkonzept, da damit gleichzeitig Härte-, Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften signifikant erhöht werden.

Die Hauptanwendungen sind die spanende Formgebung in der Präzisions-, Hochleistungs-, Hart- und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Darüber hinaus finden diese Hartmetalllegierungen aber auch in der Umformtechnik immer größere Anwendung. Infolge dieser vielfältigen Eigenschaftsverbesserung besitzen sie Mehrbereichscharakter.

2. Einteilung feinstkörniger Hartmetalle

Das ausgewogene Eigenschaftsprofil von Härte und Verschleißfestigkeit auf der einen Seite und Zähigkeit andererseits machen Hartmetall zu einem der wichtigsten Werkzeugstoffe. In erster Linie werden diese Eigenschaften durch die Zusammensetzung, insbesondere den Anteilen von Hartstoffen und Bindemetall bestimmt.
Darüber hinaus werden aber in signifikanter Weise durch Gefüge- und Strukturveränderungen spezifische Eigenschaften erzielt. So gilt, je feiner die Legierung strukturiert ist, um so größer ist ihre Härte und ihre Verschleißfestigkeit. Entsprechend diesen Strukturmerkmalen werden sie als Feinst- und Ultrafeinstkorn-Hartmetalle bezeichnet. Sie werden dann diesen Sortengruppen zugeordnet, wenn die WC-Kristallitkorngröße < 0,8 µm bzw. < 0,5 µm beträgt (Tab. 1). Auf diese Definition hat sich die deutschsprachige Hartmetallindustrie seit 1999 verständigt.

Korngröße	Deutsche Bezeichnung	Englische Bezeichnung
< 0,2 µm	nano	nano
0,2 - 0,5 µm	ultrafein	ultra fine
0,5 - 0,8 µm	feinst	submicron
0,8 - 1,3 µm	fein	fine
1,3 - 2,5 µm	mittel	medium
2,5 - 6,0 µm	grob	coarse
> 6,0 µm	extragrob	extra coarse

Tabelle 1: Klassifizierung der WC-Kristallite von WC-Co-Hartmetallen im Sinterzustand

Wie bei den herkömmlichen, bekannten und etablierten Hartmetallsorten sind auch bei den Feinstrukturhartmetallen eine Vielzahl von Legierungen möglich.

Sie sind als

Im Gebrauch überwiegen die WC-Co bzw. WC-(TaNb)C-Co-Hartmetalle.

Als weiterer Hartmetalltyp muss auch das beschichtete Feinststrukturhartmetall berücksichtigt werden. Die in Vollhartmetall (VHM) ausgeführten Schaftwerkzeuge bestehen überwiegend aus WC-Co-Sorten und sind ohne geeignete Beschichtung nicht wirtschaftlich einsetzbar; erst zusammen mit der Beschichtung erreichen sie ihr Leistungsoptimum.

Infolgedessen erhalten sie ein völlig neues Einsatzspektrum; die bekannte Gesetzmäßigkeit, dass K-Hartmetall für kurzspanende und P-Hartmetalle für langspanende Werkstoffe anzuwenden sind, ist so nicht weiter zutreffend. Insbesondere beschichtete WC-Co-VHM-Werkzeuge sind sehr vorteilhaft für die Bearbeitung von Stahlwerkstoffen einsetzbar.

3. Eigenschaften von feinststrukturierten Hartmetalllegierungen

Die feinteilige Gefügestruktur führt bei diesen Hartmetallen zu teilweise signifikanten Eigenschaftsänderungen. Die wesentlichen Änderungen sind nachfolgend kurz dargestellt.

3.1 Härte

In Hartmetallen gleicher chemischer Zusammensetzung wird die Härte in erster Linie von der Korngröße der Karbidphase bestimmt. Da die Attritormahlung weniger einen Mahl- als vielmehr einen Homogenisierungsvorgang realisiert, wird die Härteeigenschaft fast nur durch die Korngröße der Ausgangspulver beeinflusst.

Mit fallender Korngröße steigt die Härte beträchtlich an (Abb. 1), so dass die Feinst- und Ultrafeinstkorn-Hartmetalle durch ihre hohen Härten auffallen. Die Härtesteigerung geht einher mit der Erhöhung der Koerzitivfeldstärke und zeigt an, dass die Bindemetallphase feiner verteilt vorliegt und unter einer höheren Zugspannung steht.

3.2 Warmhärte

Mit zunehmender Kornfeinheit verfügen diese Hartmetalle insbesondere über verbesserte Härteeigenschaften bei erhöhten Temperaturen, so dass daraus gefertigte Zerspanungswerkzeuge Einsatzvorteile aufweisen.

3.3 Biegefestigkeit

Diese Eigenschaftsgröße entscheidet in hohem Maße über das Einsatz- und Anwendungsprofil der Hartmetalle.

Eine kleinere Korngröße der Karbidphase hat bei gleichem Co-Gehalt eine Verringerung des mittleren freien Abstandes der WC-Körner zur Folge und damit eine Verminderung der Teilchenbeweglichkeit.

Eine Erhöhung der Biegefestigkeit ist so lange noch zu erreichen, bis die Co-Zwischenschicht kein freies Co mehr enthält und der sortenspezifische Grenzwert des mittleren freien Abstandes unterschritten wird. Die bekannten Sorten haben diesen Punkt noch nicht erreicht und weisen verbesserte Biegefestigkeiten auf (Abb. 1).

3.4 Bruchzähigkeit

Die Bruchzähigkeit verhält sich im gleichen Sinne wie die Biegefestigkeit, mit fallen- der WC-Korngröße steigt sie an, wenn die Zusammensetzung gleich bleibt. Es besteht also eine Korrelation zwischen WC-Korngröße, Koerzitivfeldstärke, Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit.

3.5 Druckfestigkeit

Die hohe Druckfestigkeit der Hartmetalle ist eine der wichtigsten Eigenschaften dieser Werkstoffe, da sie in praktisch allen technischen Anwendungen von Bedeutung ist.

Durch die Erhöhung der Feinstruktur tritt eine signifikante Steigerung ein und derartige Hartmetalle besitzen die höchsten Druckfestigkeiten bei vergleichbaren Zusammensetzungen (Abb. 1).

3.6 Verschleißfestigkeit

3.6.1 Abrasivverschleiß

Mit sinkender WC-Einsatzkorngröße steigen Härte und Festigkeit der Feinst- und Ultrafeinstkorn-Hartmetalle und der Verschleiß durch Abrasion nimmt ab.
Der härtere HM-Körper setzt dem Abrieb einen größeren Widerstand entgegen, außerdem werden die dünnen Bindemetallschichten zwischen den feinstkörnigen Hartstoffkristalliten schwieriger herausgewaschen und die kleinen, aus dem Gefügeverband ausbröckelnden Hartstoffteilchen, führen zu einem deutlich verlangsamten Verschleißfortschritt.

3.6.2 Korrosionsverschleiß

Ähnliche Wirkung wie beim Abrasivverschleiß ist auch beim korrosiven Verschleiß festzustellen. Infolge Feinst- und Ultrafeinstkornstruktur, kleinsten Kristallkorngrößen und insbesondere signifikant verringerter Bindemetallzwischenschicht werden letztere nur schwer von den Korrosionsmedien erreicht. Da dabei wiederum nur kleinste Hartstoffteilchen ausbrechen, wird der korrosive Abtrag verringert. Zur Wachstumshemmung des WC wird meist mit Cr3C2-Zusätzen gearbeitet, die größtenteils im Bindemetall gelöst sind. Diese wirken passivierend und tragen zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit bei.

Da in den wenigsten Anwendungen abrasiver und korrosiver Verschleiß genau zu trennen ist, ist wegen der generellen Eigenschaftsverbesserung ein Feinststruktur-Hartmetall die bessere Wahl.

3.7 Wärmeleitfähigkeit

Für ihre Anwendung ist die Wärmeleitfähigkeit der Hartmetalle von großer Bedeutung. Mit fallender Korngröße der Karbidphasen nimmt auch die Leitfähigkeit für Wärme ab und folglich werden derartige Werkzeuge und Werkzeugsysteme nicht mehr so hoch temperaturbelastet.
Die Ursache ist darin zu sehen, dass im Zerspanvorgang der Hauptteil der Wärmeenergie in die Späne geleitete und mit diesen aus dem Prozess ausgetragen wird. Eine geeignete Prozessführung, z.B. durch hohe Schnittgeschwindigkeiten bei den Hochleistungsbearbeitungen, dienen dabei der Unterstützung dieser Vorgänge.
In Tabelle 2 ist der Einfluss der Feinstruktur auf die verschiedenen Eigenschaften von Hartmetallen dargestellt.

Parameter	Änderung
Dichte	sinkt
Härte	steigt
Koerzitivkraft	steigt
spez. magn. Sättigung	keine
Biegefestigkeit	steigt
Bruchzähigkeit	steigt
Schlagfestigkeit	steigt
Wechselfestigkeit	steigt
Druckfestigkeit	steigt
Poisson-Zahl	keine
E-Modul	steigt
Schubmodul	keine
elektr. Leitfähigkeit	sinkt
Warmfestigkeit	steigt
Wärmeleitfähigkeit	sinkt
Wärmeausdehnungskoeffizient	keine
spezifische Wärme	keine

In allen anwendungsrelevanten Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, Festigkeit und Steifigkeit führt die feinere Struktur zu Verbesserungen. Dennoch kann nicht der Schluss gezogen werden, dass immer die Hinwendung zu feinstrukturierten Hartmetallen auch zu einer generellen Verbesserung der Einsatzergebnisse führt.

4. Anwendung der Feinstrukturhartmetalle

Die erste Anwendung dieser Hartmetalle war die Bearbeitung kunststoffbeschichteter, dekorativer Flachpressplatten in der Möbelindustrie; gegenwärtig gilt das Bohren und Fräsen von Elektronik-Leiterplatten als das wichtigste Einsatzgebiet.
Zur Erzielung hoher Standwegleistungen war eine scharfe Schneide erforderlich, die auch nur sehr langsam abstumpft.

Erst durch die Verkleinerung der WC-Einsatzkorngröße konnten die Anforderungen nach hoher Härte und gleichzeitig hoher Zähigkeit, hoher Verschleißfestigkeit und guter Bearbeitbarkeit der Werkzeuge erfüllt werden.

In der spanenden Metallbearbeitung haben diese Sorten die derzeitigen Spitzen-technologien, wie Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC), Hartbearbeitung, Trocken-bearbeitung und Hochleistungsbearbeitung, praktisch erst ermöglicht.

Im Werkzeug- und Formenbau sind in oft trockener Bearbeitung hohe Anteile an Freiformflächen herzustellen. Erst die feinstkörnigen HM-Sorten boten die Gewähr zur Herstellung der formkomplizierten Fräs- und Bohrwerkzeuge mit scharfkantigen Schneiden und teilweise hochpositiven Spanwinkeln.

Für die folgenden Anwendungen und Werkzeuge wurde der Einsatz von Feinststruktur-Hartmetallen berichtet:

• Bohren von hochfestem und gehärtetem Stahl
• Bohren von hoch-Si-haltigen Al-Legierungen
• Bohren von faserverstärktem Kunststoff
• HSC-Fräsen
• Schälwälzstoßen bei der Zahnradfertigung
• Hartfräsen mit TiAlN-beschichteten FK-HM (200-350m/min;0,1-0,2mm/U;0,1mm)
• VHM-Wälzfräser
• Räumwerkzeuge
• Papierschneidemesser
• Printbohrer und Mikrofräser

Inzwischen sind je nach Anwendungsaufgabe eine Vielzahl an Beschichtungen auf der Basis von Ti- und Al-Verbindungen entwickelt worden, die den Einsatz noch erfolgreicher gestalten. 

5. TRIBO Feinstkorn- und Ultrafeinstkorn- Harmetalle

Das gegenwärtige Sortiment dieser Hartmetalle umfaßt umfasst 7 Sorten (s. Tab. 3). Zusammen mit der Beschichtung werden alle Anforderungen der ISO- Anwendungsgruppen in P und M erfüllt.

Die TRIBO-Sorten mit Feinstkorn- und Ultrafeinstkornstruktur weisen den Leistungsstand auf, der vom Markt gefordert wird; Ergänzungen werden nach Marktlage realisiert.

Sorte	WC-KG µm	WC	Zusatz- karbide	Co	Dichte g/cm³	Härte HV30	Biegefest. N/mm²	ISO	Anwendung
F05	0,6	93,4	0,6	6,0	14,7	1900	3550	K05 / 10	Hartzerspanung; Ziehwerk- zeuge; Führungselemente
FN8	0,6	91,5	0,5	8,0	14,5	1740	3800	K10 / 20	Schneidplatten Wirbeln
F10	0,6	89,5	0,5	10,0	14,3	1610	4050	K 20 / 30	VHM-Werkzeuge Wirbeln
F15	0,6	84,5	0,5	15,0	13,8	1360	3740	K30/40	VHM-Werkzeuge Umform- und Schnittwerkzeuge
U08	0,5	91,0	1,0	8,0	14,4	1880	3800	K10 / 20	VHM-Werkzeuge Hartbearbeitung
U10	0,5	90,0	1,0	9,0	14,4	1880	4630	K10 / K30	VHM-Werkzeuge Rohlinge, Halbzeuge
U12	0,4	87,0	1,0	12,0	14,1	1630	4400	K20 / 40	VHM-Werkzeuge Hartbearbeitung

Entsprechend den WC-Einsatzkorngrößen sind die WC-Co-Hartmetalle F05, F10 und F15 in die Gruppe der Feinstkorn-Hartmetalle einzuordnen, während U08 und U12 bereits als ultrafeines Hartmetall zu bezeichnen ist.

Am Verlauf der Härte und Biegefestigkeit Biegefestigkeit in Abhängigkeit vom Co-Gehalt zeigt sich bei unseren Feinstkornlegierungen ein Biegefestigkeitsmaximum für die Sorte F10 bzw. U10. Die Härte fällt stetig ab (Abb. 2). Die Darstellung ist um die Modelllegierungen gleicher Korngröße und entsprechenden Co-Gehalts ergänzt worden.
U12 liegt im Härtewert erwartungsgemäß oberhalb der Feinstkornsorten; die Biegefestigkeit übertrifft das Niveau der Feinstkornsorten jedoch deutlich

6. Sorten in Einzeldarstellung

6.1 F05

Die Sorte F05 ist die Feinstkornsorte mit der höchsten Härte von 1900 HV.

Sie besitzt ein sehr feinkörniges Gefüge, dass ihr eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit verleiht. Trotz Härte- und Festigkeitseigenschaften verfügt diese Sorte noch über eine gute Zähigkeit.
Durch das Eigenschaftsprofil werden ihre Anwendungsfelder bestimmt.

• Bearbeitung von Holz- und Kunststoffwerkstoffen
• Spanende Metallbearbeitung
  In der Metallbearbeitung wird diese Sorte als Schneidplatte in der HSC-Bearbeitung verwendet, wo sie sehr erfolgreich eingesetzt wird.
  Darüber hinaus findet sie insbesondere Anwendung bei der spanenden Formgebung für Cu-, Zn-, Al-, Si-, Ti- und Hartlegierungen. In diesen Einsatzfällen ist jedoch stets zu prüfen, inwieweit durch Beschichtungen eine höhere Standwegleistung zu erreichen wäre.
  Im Zerspanungsbereich ist sie der Gruppe K05/10 zuzuordnen.
  F05 ist mit Diamant beschichtbar.
• spanlose Metallformung
  Wegen des ausgewogenen Verhältnisses von Härte und Zähigkeit ist F05 auch als Ziehstein gut geeignet. Leistungsvorteile ergaben sich insbesondere bei kleinen Drahtquerschnitten für die Reifenindustrie.
  

6.2 FN8

FN8 ist ein Vertreter der zweiphasigen WC-Co-Hartmetalllegierungen mit Feinstkorngefüge. Sein Einsatzschwerpunkt liegt im K10-Bereich, überdeckt aber auch den Bereich K20.

Dieses Hartmetall findet für viele Werkstoffe und Verfahren Anwendung, wobei Fräsen und Wirbeln sowie andererseits die NE-Metalle besonders zu erwähnen sind.

6.3 F10

Von den Feinstkornhartmetallen ist F10 die Sorte mit der höchsten Zähigkeit (Abb. 2). Durch seine feinstkörnige Gefügestruktur wird eine verhältnismäßig hohe Härte generiert, die mit K20-Hartmetallen vergleichbar ist.

Dieses ausgewogene Verhältnis zwischen Härte und Zähigkeit begründet die Eignung von F10 für vielseitigste Zerspanungsaufgaben als Vollhartmetallwerkzeug. Wegen des Zähigkeitsmaximums hält diese Legierung in besonderer Weise hohen dynamischen Belastungen stand, wie sie beim Schruppschnitt und bei Schnittunterbrechungen auftreten.
Dank ihrer Zähigkeit verfügt F10 auch über ein hohes Verformungsvermögen, das für den Einsatz als VHM-Werkzeug bei hohen Verwindungen beim ziehenden Schnitt unerläßlich ist. So wird im Ergebnis der Anwendung von F10 eine hohe Prozesssicherheit erreicht. Sie ist ein vorzüglicher HM-Werkzeugstoff für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durch Fräsen, Bohren und Wirbeln; das Haupteinsatzfeld ist dabei der Gesenk- und Formenbau und die Herstellung von Freiformflächen.

Das volle Leistungsverhalten wird erst zusammen mit geeigneten Beschichtungen erreicht.
F10 hat sich auch als eine universell einsetzbare Feinstkornsorte etabliert. In besonderer Weise gilt dies für seine Verwendung als Substratwerkstoff für die Zerspanung von rostfreiem und hochlegiertem Stahl, von Titan- und Aluminiumwerkstoffen.

6.4 F15

F15 zählt zu den WC-Co-Legierungstypen. Sie ist der Anwendungsgruppe K30/K40 und G20/30 zuzuordnen.
Bei mittleren Härteeigenschaften zeichnet sie sich durch höchste Zähigkeit und Druckfestigkeit aus.
Eine Gegenüberstellung mit der normalkörnigen Sorte V30 zeigt die Unterschiede und Vorteile deutlich auf:

	F15	V30
Co-Gehalt	15	15
Härte HV40	1360	1170
Biegefestigkeit in MPa	>3740	>3460
Druckfestigkeit in MPa	5500	4345
E-Modul in GPa	525	525

Zeigt die Unterschiede und Vorteile deutlich auf.

Die Biegefestigkeit liegt ca. 10 % und die Druckfestigkeit um ca. 30 % über der von V30 wobei gleichzeitig die um ca. 200 Einheiten höhere Härte zu berücksichtigen ist.
Zusammen mit dem Feinstkorngefüge begünstigt der hohe Co-Gehalt die Bearbeitbarkeit der HM-Werkzeuge aus F15.

Aus dem Bereich Zerspanung ist keine Anwendung bekannt, aber auch nicht zu erwarten.
Auf Grund des Eigenschaftsprofils wird F15 verwendet für:

• Ziehwerkzeuge
• Stanz- und Schnittwerkzeuge

6.5 U08

Die Sorte U08 ist eine HM-Legierung mit Ultrafeinstkorngefüge. Bereits mit ihrer Konzeption wurde als Einsatzgebiet Schlichten, Finish- und Hartbearbeitung festgelegt und damit den Marktanforderungen Rechnung getragen.

U08 ist ein Vertreter der WC-Co-Hartmetalle. Es zeichnet sich durch ein optimales Verhältnis von hoher Festigkeit und hoher Härte aus. Folgerichtig liegen die Anwendungsschwerpunkte bei den Bearbeitungsverfahren Fräsen, Bohren und Gewinden.

Es ist eine spezielle Hartmetalllegierung für die HSC-Bearbeitung von Werkstoffen im Hart- und Superhartbereich, d. h. die Härten von > 60 HRC besitzen.

Ohne Beschichtung der Werkzeuge ist in der Regel keine optimale Zerspanungsleistung zu erzielen.

Folgende Gesichtspunkte sind in diesem Zusammenhang hervorzuheben:

• Hochleistungsbearbeitung
• Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
• Hochleistungsbearbeitung
• Vorrichtungs- und Formenbau
• Schlicht- und Finishbearbeitung
• Hartbearbeitung im Superhartbereich
• Bearbeitung von Stahlwerkstoffen
• Leistungsoptimum in beschichteter Ausführung
  

6.6 U10

Als weiterer Vertreter der Legierungen mit Ultrafeinstkorngefüge. Das darin verwirklichte Verhältnis von hoher Festigkeit und hoher Härte befähigen es zum effektiven Einsatz Fräsen, Bohren und Räumen.

Als weitere Anwendung seien VHM-Rohlinge und –Halbzeuge genannt.

6.7 U12

Die Hartmetalllegierung U12 zeichnet sich durch ihre vorteilhafte Eigenschaftskombination aus hoher Härte und hoher Biegefestigkeit aus. Charakteristisch ist ihr Ultrafeinstkorngefüge.

Sie ist in hervorragender Weise für VHM-Werkzeuge in der Hochleistungsbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau aus Stahlwerkstoffen geeignet. Dabei wird die volle Leistungsfähigkeit erst durch eine Beschichtung erreicht.

Als Anwendungsschwerpunkte gelten:

• VHM-Werkzeuge zum Fräsen und Bohren
• HSC-Bearbeitung im Werkzeug- und Formenbau
• Bearbeitung von Stahl, rostfreiem Stahl und NE-Werkstückstoffe
• Hartbearbeitung im Vorarbeitsbereich
• volle Leistungsentfaltung durch Beschichtung

Die nachfolgende Übersicht zeigt insbesondere die von der TRIBO Hartstoff GmbH gefertigten VHM-Stabsorten. Sie umfassen F05, F10, U08, U12 und die Feinkornsorte J30.