Hartmetall

1. Geschichtliche Entwicklung

Hartmetall ist ein im Vergleich zu Stahl recht junger Werkstoff (Patent von 1923), der sich auf Grund seiner außerordentlichen Eigenschaftskombination von Härte und Zähigkeit und deren fortwährender Weiterentwicklung und Verbesserung auch stets jung, dynamisch und leistungsfähig gehalten hat.

Zu keiner Zeit fand Hartmetall mehr technische Anwendung als heute. Die im Fachverband Pulvermetallurgie (https://www.pulvermetallurgie.com/) vertretenen Firmen in den Ländern Deutschland, Österreich, Schweiz und Luxemburg stellen jährlich etwa 7000 bis 8000 Tonnen Sinterhartmetall her.

Der Werkstoff Hartmetall hat sich außerdem in den letzten 25 Jahren enorm weiterentwickelt und stellt in immer neuen Anwendungsfällen und mit stetiger Verbesserung seiner Qualität und der Herstellungstechnologien einen hohen Leistungsstand unter Beweis.

Die qualitätsorientierte Fertigung auf der Basis des Qualitätsmanagements nach ISO 9001 führt zu einer bisher nicht gekannten Reproduzierbarkeit der Gebrauchseigenschaften.

2. Werkstoffdefinition, Eigenschaften, Klassifizierung

Unter Hartmetall ist eine Werkstoffgruppe definiert, die sich durch hohe Härte und metallischen Charakter auszeichnet.

Damit unterscheidet sie sich von den nichtmetallischen Hartwerkstoffen, die noch weiter zu systematisieren sind in: oxidische Hartstoffe auf der Basis Al₂0₃ und ZrO₂, karbidische Hartstoffe auf der Basis B₄C und SiC, nitridische Hartstoffe mit den Hauptvertretern Si₃N₄, BN und AlN sowie Diamant selbst. Letztere Werkstoffe haben als superharte, Schneidstoffe und Schleifmittel wie z.B. kubisches Bornitrid, Si₃N₄-Keramik, Sialon und polykristalliner Diamant bereits ansehnliche technische Anwendung gefunden.

Hartmetalle sind Legierungen aus metallischen Hartstoffen, den Karbiden vom Wolfram (WC), Titan (TiC), Tantal (TaC), Niob (NbC) und anderen, die zwar eine hohe Härte besitzen, aber sehr spröde sind, mit verhältnismäßig weichen, zähen und niedriger schmelzenden Bindemetallen wie Kobalt, Nickel und Eisen. Die sich bildende so genannte flüssige Bindephase benetzt während des Sinterns die karbidischen Hartstoffteilchen, dringt zwischen die agglomerierten Teilchen ein und verdichtet den Körper durch Zusammenziehen der Hartstoffe (Schwindung) auf engsten Raum.

Auf diese Weise werden die Härteeigenschaften des metallischen Hartstoffes mit der Zähigkeit und Duktilität des Bindemetalls verbunden, so daß man auch von einem „Verbundwerkstoff“ Hartmetall spricht. Der im englischen Sprachraum übliche Begriff für Hartmetalle „Cemented Carbide“ macht diesen Sachverhalt sehr deutlich.

Die harten Metallkarbide werden von der Bindemetallmatrix umschlossen und bleiben trotzdem als getrennte heterogene Gefügebestandteile erhalten.

Die verschiedenen Hartmetallsorten erzielt man durch Verwendung unterschiedlicher Anteile von Hartstoffen und Bindemetall sowie durch Varianten der WC-Korngröße und durch die spezifischen Herstellungsschritte.

Für die Klassifizierung und Anwendung von harten Schneidstoffen im Bereich der Metallzerspanung mit geometrisch bestimmten Schneiden ist die Norm DIN ISO 513:2014 anzuwenden.

3. Herstellung der Hartmetalle

Die Herstellung der Hartmetalle erfolgt auf pulvermetallurgischem Wege in den Verfahrensschritten:

Als Ausgangsstoffe dienen pulverförmige Hartstoffe wie WC, (W,Ti)C, (Ta,Nb)C, VC oder Cr₃C₂ und Bindemetalle, wie Co, Ni, Fe und Cr.

Durch Nassmahlung in Attritoren mit Ethanol als Mahlflüssigkeit werden die Pulver- bestandteile in eine feindisperse Suspension überführt. Das Mahlen erfolgt mit Hartmetallmahlkörpern solange, bis ein enger Kontakt zwischen den karbidischen- und den metallischen Pulverteilchen hergestellt ist.

Nach erfolgter Mahlung gibt man Presshilfsmittel (Paraffine oder spezielle Wachse) in die Suspension und verteilt diese homogen. Diese Suspension wird anschließend mittels Sprühtrocknen unter N₂-Schutzgas getrocknet. Dabei entstehen sehr gut rieselfähige Pulvergranulate mit homogener Zusammensetzung.

Mit mechanischen oder hydraulischen Pressautomaten erfolgt dann die Formgebung der Hartmetallgrünteile auf direktem Wege in entsprechend ausgeführten Pressformen (Matrizen). Dieser Schritt findet insbesondere bei geometrisch einfachen Formen und bei entsprechend großen Stückzahlen Anwendung.

Dies ist zum Beispiel für viele Anwendungsbereiche in der Zerspanung (für Wendeschneidplatten), bei Verschleißteilen (für Panzerungen), in Bergbau- und Gesteinsbearbeitung (für Hartmetalleinsätze) der Regelfall.

Eine beträchtliche Zahl an Hartmetallgrünteilen wird jedoch auch durch mechanische Bearbeitung (z.B. Sägen, Schleifen, Drehen, Bohren, Fräsen) aus zum Beispiel isostatisch oder monostatisch vorgepressten Pulverpresslingen herausgearbeitet und danach fertiggesintert. Dies gilt, wenn die geringe Stückzahl oder die komplizierte Form die hohen Kosten des Presswerkzeuges nicht rechtfertigen, oder das Teil mittels direktem Pressverfahren grundsätzlich nicht herstellbar ist.

Mitunter sind auch direkt gepresste Teile nach einem Vorsintervorgang, in dem das Presshilfsmittel entfernt wird, mechanisch weiter zu bearbeiten. Hartmetallteile mit sehr großem Länge-Querschnitts-Verhältnis (Stäbe, Rohre, Profile) werden aus entsprechend hoch plastifizierten Mischungen durch Strangpressen hergestellt. Ein spezifischer Trocknungs- oder Entbinderungsschritt ist vor dem Sinter-HIP-Verfahren erforderlich.

Die anschließende Sinterung überführt die sogenannten Grünlinge bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1500 °C in ihre Endform und verleiht ihnen ihre hervorragenden Eigenschaften. Heute wird fast ausschließlich in Vakuum-Überdruck-Sinteröfen nach dem Sinter-HIP-Verfahren (S-HIP) gesintert. Dabei schwindet das Volumen der Hartmetallteile entsprechend dem im Grünling vorhandenen Porenvolumen, um ca. 40 %, d.h. linear um ca. 20 %. Die Höhe der Schwindung ist von der Korngröße des verwendeten WC abhängig. Grobkornhartmetalle haben wesentlich niedrigere Schwundwerte als Fein- oder Ultrafeinstkornhartmetalle. Mit diesem S-HIP-Verfahren werden die bei den meisten Hartmetallanwendungen störenden und leistungsmindernden Restporen praktisch ausgeschlossen und signifikant homogene Gefügestrukturen erreicht. Nach dem Sintern sind die Hartmetallteile nur noch äußerst schwer zu bearbeiten. Aus diesem Grund sollten sie jetzt bereits nahe an ihrer oder in ihrer endgültigen Form vorliegen.

4. Bearbeitung der Hartmetalle

Die gesinterten Hartmetallteile besitzen eine charakteristische Sinterhaut. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ist jedoch eine glatte Oberfläche und eine geometrisch sehr genau bestimmte Form erforderlich. Deshalb wird ein Großteil der gesinterten Rohhartmetallteile einer Weiterbearbeitung unterzogen.

Diese Finishbearbeitung erfolgt durch:

• abrasive Bearbeitung (Schleifen, Läppen, Polieren, Honen, Bürsten, Strahlen)
• funkenerosive Bearbeitung (Drahterodieren, Senkerodieren)
• spanende Bearbeitung (Drehen und Bohren Co-reicher HM-Sorten)
• elektrochemische Bearbeitung (elektrochem. Schleifen, Elysieren)

Mit diesen Verfahren werden Oberflächenqualitäten erreicht, die den bestehenden Anforderungen an die Rauhtiefe gerecht werden, z.B. R_a = 0,1 µm. In vielen Fällen ist eine solche Rauhtiefe jedoch noch nicht ausreichend. Durch nachgeschaltete Feinstschliff-, Hon-, oder Polierverfahren werden Rauhigkeiten bis hin zu R_max ≤ 0,1 µm erreicht.

Hartmetall-Schneidstoffe, aber auch Hartmetallteile für den Verschleißschutz werden gegebenenfalls mit dünnen Hartstoff-Beschichtungen weiter veredelt. So werden ca. 2/3 aller Zerspanungshartmetalle in beschichteter Form eingesetzt.

  

In dem als CVD-Verfahren (Chemical-Vapor-Deposition) bekannten Verfahren werden die Hartmetall-Teile mit reinen Hartstoffen wie z.B. TiC, TiCN, TiN und Al₂0₃ einzeln oder mit mehrlagigen Schichtsystemen beschichtet. Die Schichtdicke beträgt je nach Anwendung 5…12 µm. Um die beim normalen CVD-Verfahren entstehenden Zähigkeitsverluste des Hartmetallsubstrates zu minimieren, erfolgt die Beschichtung heute hauptsächlich im Temperaturbereich von 750 bis 950°C (Niedertemperatur CVD). Auch die Form der plasmagestützten CVD Beschichtung wird angewendet (PCVD-Verfahren).

Bei wesentlich niedrigeren Temperaturen von ≤ 500 °C werden die Hartstoffschichten mit den PVD-Verfahren erzeugt. Bei diesen Prozessführungen wird die Metallkomponente (Ti, Al) auf physikalischem Wege durch Hochvakuum und Plasmaunterstützung in die Dampfphase überführt und mit C- und N-haltigen Gasen zur Hartstoffreaktion gebracht, die auf der Substratoberfläche kondensiert. Die Schichtdicken erreichen im allgemeinen 1 bis maximal 5 µm.

Auch mit diesem Verfahren auf Hartmetall abgeschiedene Diamantschichten (sogenannte DLC-Schichten) spielen in den letzten Jahren eine immer stärkere Rolle.

5. Anwendung

5.1 WC-Co-Hartmetalle

Hartmetalle dieses Legierungstyps bestehen aus 2 Phasen, dem WC und dem eutektischen Co. Sie weisen die größte Sorten- und Eigenschaftsvielfalt auf, so dass sich ihr Einsatz auf fast alle Anwendungsfelder; erstreckt:

• spanende Metallbearbeitung (Guss)
• Verschleißschutz
• Umformtechnik
• Bergbau, Straßenbau und Gesteinsbearbeitung
• Holz- und Kunststoffbearbeitung

Mit steigendem Co-Anteil steigen Biegefestigkeit, Schlagfestigkeit und Zugfestigkeit.
Im Gegensatz dazu führt geringerer Co-Gehalt und höherer WC-Anteil zu hoher Härte, Verschleißfestigkeit und hoher Druckfestigkeit. Der Co-Gehalt variiert zwischen 3% und 30%. Bei speziellen Anwendungen werden Bindemetallgehalte bis herunter zu 0,5% verwendet.

5.2 WC-Ni-Cr-Hartmetalle

Die Eigenschaft des Hartmetalls als Funktions- und Verschleißelement mit hoher Härte und Abriebfestigkeit machen es auch für solche Anwendungen interessant, wo korrosive Medien wirken. Im Allgemeinen weisen die Hartstoffe (WC, TiC, TaC, NbC) eine sehr gute chemische Resistenz auf, während das hauptsächlich als Bindemetall verwendete Kobalt nicht nur durch Säuren angegriffen wird. Für den Einsatz von Verschleiß- und Funktionselementen in aggressiven Medien, insbesondere in der chemischen Industrie wurden Hartmetalle auf der Basis von Nickel und Chrom als Binderlegierung entwickelt, die hervorragende Korrosionsfestigkeit bei praktisch vergleichbaren Härte- und Zähigkeitseigenschaften aufweisen. Die für diesen Bereich entwickelten Hartmetalle zeichnen sich durch eine feinkörnige Gefüge-struktur aus, die für sehr gute Verschleißschutzeigenschaften im Zusammenspiel mit der sehr hohen Korrosionsbeständigkeit der Binderlegierung sorgt.

• Verschleißteile im Pumpen- und Anlagenbau für Wasserstrahlreinigungs- und Wasserstrahlschneidanlagen
• Verschleißteile für Prozesspumpen in der chemischen Industrie
• Teile für Anlagen der Lebens- und Genussmittelindustrie
• Anlagenteile unter stark korrosiver und erosiver Belastung
• Werkzeuge im Bereich Grünholzbearbeitung

  

Die entsprechenden Korrosionstests zeigen die Überlegenheit dieser Hartmetalle im Vergleich gegenüber normalen WC-Co-Hartmetallen recht deutlich.

5.3 WC-TiC-(Ta,Nb)C-Co-Hartmetalle

Der Zusatz kubischer Hartstoffe wie TiC und (Ta,Nb)C führt zu dreiphasigen Hartmetallen, mit WC, ternärem (WC-TiC-TaC-NbC)-Mischkristallen und der eutektischen Co-Binderlegierung als Gefügebestandteile.

Titankarbid (TiC) verbessert die Oxidationsbeständigkeit und Härte und verringert die Kolkbildung, während (TaNb)C das Kornwachstum des WC hemmt und in signifikanter Weise die Temperaturwechselbeständigkeit erhöht.

Hartmetalle dieser Zusammensetzung dienen im wesentlichen der Stahlzerspanung und werden teilweise noch unbeschichtet, aber weitaus häufiger mit entsprechender Beschichtung eingesetzt.

Auch werden durch gezielte Behandlungen von WC-TiC-TaNbC-Co-Hartmetallen in stickstoffhaltiger Atmosphäre während oder nach der Sinterung, bzw. durch den Vorgang der inneren Nitridierung mischkarbidfreie Oberflächenrandzonen ausgebildet, die einen hohen Rissausbreitungswiderstand besitzen und so die Zähigkeit beträchtlich verbessern.  

Zusammen mit der auf die Anwendungsbereiche zugeschnitten Beschichtung werden damit Schneidhartmetalle mit höchsten Zerspanungsleistungen hergestellt.

Für die verschiedenen Anwendungsgebiete werden entsprechende Hartmetallsorten durch abgestimmte Zusammensetzungen und Gefügeausbildungen angeboten.

5.4 Beschichtete Hartmetalle

Bei der Zerspanungsarbeit werden an den Schneidstoff stets besonders extreme mechanische und thermische Anforderungen gestellt. Einerseits wird im kontinuierlichen Schneideinsatz die Kontaktstelle der Schneide bis zu 1200 °C erhitzt, andererseits führt z.B. der unterbrochene Schnitt beim Fräsen durch die schnellen Wechsel von Schnittdruck und Temperatur zu erhöhter Zähigkeitsbeanspruchung durch Schläge und Temperaturschocks.

Für diese Anforderungen ist ein Schneidstoffprogramm vorhanden, das durch teilweise auch mehrlagig beschichtete Hartmetalle geprägt ist und für die Dreh- bzw. Fräsbearbeitung optimiert wurde. Die dafür verwendeten Hartmetallsubstrate basieren zum Teil auf speziell angepassten Legierungen.

6. Hartmetallprüfung

Im Bereich der Hartmetallprüfung haben sich spezielle Verfahren im Laufe der Zeit etabliert, die zum Teil auch standardisiert wurden. Im Wesentlichen ist das Gebiet der Hartmetallprüfung in 3 Teilgebieten angesiedelt.

• Chemische Prüfung
• Physikalische Prüfung
• Metallografische Untersuchung

Mit diesen Prüfungen ist sowohl die Qualität des untersuchten Hartmetalls festzustellen, als auch eine Vergleichsbarkeitsprüfung zu anderen Hartmetall Herstellern vorzunehmen.

6.1 Chemische Prüfung

Anwendung finden hier Bestimmungsverfahren für die hauptsächlichsten Hartmetallinhaltsstoffe. Dies sind die Elemente W, Ti, Ta, Nb, Cr, V, Co, Ni, Fe und Kohlenstoff (C). Vorteilhaft wird dies mit modernen Analysenautomaten, wie z.B. Röntgenfluoreszenzspektrometern (RFA) oder ICP-Geräten, durchgeführt. Die Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes ist an separate Untersuchungstechnik durch Methoden der Gasanalyse gebunden.

Normen für die Untersuchung sind:

DIN ISO 4503
Hartmetalle; Bestimmung des Gehaltes metallischer Elemente durch Röntgenfluoreszenz in fester Lösung

DIN ISO 3907
Hartmetalle; Bestimmung des Gesamtkohlenstoff-Gehaltes; Gravimetrisches Verfahren

6.2 Physikalische Prüfung

In diesem Teilgebiet finden sich eine Vielzahl von Prüfmethoden, die teilweise sehr speziell auf die Problematik des Hartmetalls zugeschnitten sind, die aber auch in anderen Bereichen der Pulvermetallurgie in Abwandlung angewendet werden. Es sind zum Teil zerstörungsfreie Prüfungen, die aber durch die zur Verfügung stehende Gerätetechnik an bestimmte Probengeometrien gebunden sind. Größere Teile sind somit auch nur durch zerstörende Prüfung untersuchbar. Für die Bestimmung der magnetischen Sättigungspolarisation und der Bruchzähigkeit existiert keine europäische/deutsche Norm.

• Dichtebestimmung 
• Bestimmung der Koerzitivfeldstärke 
• Ermittlung der magnetischen Sättigungspolarisation 
• Härtebestimmung als HV30 bzw. im englischen Sprachraum als HRA
• Bestimmung der Biegefestigkeit
• Bruchzähigkeitsbestimmung
• Ermittlung der Druckfestigkeit

Normen für die Untersuchung sind:

DIN ISO 3369
Undurchlässige Sintermetalle und Hartmetalle; Ermittlung der Dichte

DIN ISO 3326
Hartmetalle; Ermittlung der Koerzitivfeldstärke (Magnetisierung

DIN ISO 3738-1
Hartmetalle; Rockwell-Härteprüfung (Stufe A); Prüfverfahren

DIN ISO 23878
Hartmetalle; Vickers-Härteprüfung

DIN EN ISO 3327
Hartmetalle - Bestimmung der Biegefestigkeit (ISO/DIS 3327:2001)

DIN EN ISO 18265
Metallische Werkstoffe - Umwertung von Härtewerten (ISO 18265:2003); Deutsche Fassung EN ISO 18265:2003

DIN EN ISO 4506
Hartmetalle; Druckversuch

6.3 Metallografische Prüfung

Die metallografische Prüfung von Hartmetallen ist von der Bewertungsmöglichkeit der Hartmetallqualität her sehr hoch einzustufen. Mittels dieser Prüfungen kann man nach entsprechend qualifizierter Probenvorbereitung eine umfassende Qualitätsbewertung der Hartmetalle durchführen. Hier erkennt man sehr schnell und mit hoher Präzision typische Hartmetallfehler in Bezug auf Pulververunreinigungen, Fremdphasen, Aufkohlung, Eta-Phase, Makro- und Mikroporosität sowie weitere Gefügefehler mit Relevanz auf anwendungstechnische Erfordernisse.

• Bestimmung der Porosität
• Bestimmung des ungebundenen Kohlenstoffs (C- Porosität)
• Bewertung nach Kurzzeitätzung
• Bewertung der Mikrostruktur nach Gefügeätzung
• Hartmetallfehler

Normen für die Untersuchung sind:

DIN EN ISO 4489
Sinterhartmetalle; Probenahme und Prüfung

DIN EN ISO 4499
Hartmetalle; Metallographische Bestimmung der Mikrostruktur

7. Ausblick

Die von der TRIBO Hartstoff GmbH angebotenen Hartmetalle entsprechen dem internationalen Leistungsstand.

Auf dem Gebiet der Hochdruckbauteile für die chemische Industrie, wie z.B. Plunger und Buchsen für die Hochdruckpolymerisation von LDPE haben wir einen führenden Platz erreicht und bestimmen den Leistungsstand mit.

Ebenso sind wir im Feld der Hartmetallhersteller für Prozessmaschinenkomponenten im Bereich Wasserstrahlreinigung und Wasserstrahlschneiden mit führend. Dies gelang nicht zuletzt durch eine gezielte Projektarbeit zusammen mit unseren Kunden sowohl in Bezug auf die Werkstoffe als auch auf komplexe konstruktive Lösungen.

Im Zerspanungsbereich sehen wir uns in besonderer Weise kompetent bei der Halbzeugherstellung im Bereich „Hütte“, d.h. Schwerzerspanung.

Aber auch zu jedem anderen Einsatzproblem für Hartmetall fühlen wir uns unseren Kunden verpflichtet, optimale Lösungen zu erarbeiten. Auf Grund von Anwendungserfahrungen unserer Kunden sind wir in der Lage auch Hartmetalle zu entwickeln, die ganz speziellen Anwendungsbedingungen gerecht werden. Dies ist produktionstechnisch aber erst ab einem gewissen Volumen möglich und ökonomisch sinnvoll

Die TRIBO Hartstoff GmbH ist durch Auswahl und Kontrolle aller eingesetzten Rohstoffe hinsichtlich Zusammensetzung, Reinheit, Korngröße und Korngrößenverteilung sowie durch enge Toleranzen in den Sinterparametern in der Lage, die anwendungsgerechten Werkstoffeigenschaften zu gewährleisten.

Die Konstruktion, Entwicklung und Herstellung der Hartmetallteile erfolgt unter Einsatz von CAD/CAM-Technik und modernen Ausrüstungen der Pulvermetallurgie und Bearbeitung. Die qualitätsorientierte Unternehmensstrategie führte bereits 1994 zur Zertifizierung nach DIN EN ISO 9001.

Heute sind wir nach der aktuell gültigen Norm DIN EN ISO 9001:2015 zertifiziert.

Zur Verbesserung der Energieeffizienz und Verringerung des Energieverbrauchs führt das Unternehmen regelmäßig Energieaudits nach der Norm DIN EN 16247-1 durch.

Die steigenden Anforderungen der Industrie sind für uns die Herausforderungen für technische Innovationen, so dass; der Hochleistungswerkstoff Hartmetall sein Leistungsvermögen noch effektiver beweisen kann.

Weiterentwicklungen betreffen die Struktur der Legierungen, die Erweiterung des Hartmetall-Stoffsystems durch weitere Hartstoffe und Bindersysteme und die Beschichtung mit verschleißfesteren Schichtkomponenten und -systemen, damit Hartmetall der Werkzeug- und Konstruktionswerkstoff mit höchster Verschleißfestigkeit und Wirtschaftlichkeit bleibt.